Исследование причин образвания холодных трещин в титановых сплавах и разработка сварки колеса дымососа

Приложение А

 

Приложение Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Производство изделий  из титановых сплавов получило широкое  распространение в различных  сферах деятельности, как в хозяйственной, так и производственной. Титан используется  в различных областях, начиная от самолётостроения и заканчивая стоматологией. Проблемы изготовления изделий из титановых сплавов, в частности сварки титана, на сегодняшний день являются открытыми. Поэтому, актуальность данного дипломного проекта будет заключаться в исследовании титана как основного материала для сварки, изучении его свойств и поведении при разных условиях, изучении трещинообразования и порообразования, а также разработка технологии сварки колеса дымососа. Сварка крыльчаток и колёс дымососов, выполненных их титановых сплавов, стала большой проблемой для предприятий энергетического машиностроения ввиду своей высокой трудоёмкости и ресурсоёмкости. Поэтому, в процессе выполнения дипломного проекта, будут предложены пути решения данных проблем, будут сделаны шаги в сторону механизации процесса и улучшению культуры производства. По части исследований, то проведенные испытания и полученные результаты дадут возможности к дальнейшему изучению проблемы сварки титановых сплавов.   

При выполнении дипломного проекта предполагается :

1. Получить практические результаты исследования;
2. Изучить и провести анализ данных;
3. Разработать технологию сварки колеса дымососа;
4. Доказать неэффективность способа сварки, представленного на базовом предприятии, и предложить новый;
5. Улучшить качество и культуру производства, путём улучшения метода контроля качества готового изделия.

 

 

 

 

 

 

1. Оценка свариваемости титановых сплавов

 

1. Описание свойств титанового сплава как основного материала

 

Титан - распространенный в природе металл, в земной коре его больше, чем меди, свинца и цинка. При плотности 4,51 г/см³ титан имеет прочность 267...337 МПа, а его сплавы-до 1250 МПа. Это тускло-серый металл с температурой плавления 1668 ⁰С, коррозионно стоек при нормальной температуре даже в сильных агрессивных средах, но очень активен при нагреве выше 400 ⁰С. Бурно реагирует с азотом. Окисляется водяным паром, углекислым газом, поглощает водород. Теплопроводность титана более чем в два раза ниже, чем у углеродистой стали. Поэтому при сварке титана, несмотря на его высокую температуру плавления, требуется меньше тепла[1].

Титан может находиться в виде двух основных стабильных фаз, отличающихся строением  кристаллической решетки. При нормальной температуре он существует в виде α-фазы с мелкозернистой структурой, не чувствительной к скорости охлаждения. При температуре выше 882 ⁰С образуется β-фаза с крупным зерном и высокой чувствительностью к скорости охлаждения. Легирующие элементы и примеси могут стабилизировать α-фазу (алюминий, кислород, азот) или β-фазу (хром, марганец, ванадий). Поэтому сплавы титана условно разделяют на три группы: α, α + β и β сплавы. Первые (ВТ1, ВТ5-1) термически не упрочняются, пластичны, обладают хорошей свариваемостью. Вторые (ОТ4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малых добавках β-стабилизаторов также свариваются хорошо. Они термически обрабатываются. Сплавы с β-структурой, например ВТ15, ВТ22, упрочняются термообработкой. Они свариваются хуже, склонны к росту зерен и к холодным трещинам[5].

При комнатной температуре поверхность  титана растворяет кислород, образуется его твердый раствор в α-титане. Возникает слой насыщенного раствора, который предохраняет титан от дальнейшего окисления. Этот слой называют алъфированным. При нагреве титан вступает в химическое соединение с кислородом, образуя ряд окислов от Ti₆O до TiO₂. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки от золотисто-желтой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. По этим цветам в околошовной зоне можно судить о качестве защиты металла при сварке. С азотом титан, взаимодействуя активно при температуре более 500 ⁰С, образует нитриды, повышающие прочность, но резко снижающие пластичность металла.

 

 

 Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в стали, но с понижением температуры она резко падает, водород выделяется из раствора. При затвердевании металла это может вызвать пористость и замедленное разрушение сварных швов после сварки. Все титановые сплавы не склонны к образованию горячих трещин, но склонны к сильному укрупнению зерна в металле шва и околошовной зоны, что ухудшает свойства металла.

Титановые сплавы широко распространены и применяются в : химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура, колеса дымососов), военной промышленности (бронежилеты, броня в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах производства целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности(протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.

 

2.     Описание свойств сварных соединений из титана, выполненных различными способами сварки.

   На сегодняшний  день для сварки титана и  титановых сплавов применяются  различные способы сварки, в частности :

• дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом;
• дуговая сварка под флюсом;
• электрошлаковая сварка;
• электронно-лучевая сварка;
• контактная сварка.

 

 

 

 

Дуговая сварка титана в среде инертных газов:

Дуговая сварка титана в  среде инертных газов может выполняться  неплавящимся иттрированным или лантанированным вольфрамовым электродом (ручная или механизированная сварка) и плавящимся электродом (полуавтоматическая или автоматическая сварка). В качестве инертных газов применяют аргон высшего сорта, гелий высокой чистоты или смеси аргона с гелием.

Защита металла в процессе сварки может осуществляться следующими способами:

• на воздухе с подачей инертного газа из сопел со специальными удлиненными насадками (до 50 см) для увеличения зоны защиты и подачей газа с обратной стороны сварного шва через специальные подкладки;
• на воздухе с помощью местных камер-насадок, защищающих зону сварки и часть свариваемого узла; при этом обратная сторона шва может быть защищена за счет подачи газа через подкладки;
• путем помещения всего свариваемого узла в герметичную камеру с контролируемой атмосферой.

В герметичную камеру с  контролируемой атмосферой также помещают сварочную оснастку, горелку и  наполняют инертным газом. Она может  иметь иллюминаторы или прозрачную оболочку и встроенные рукавицы для  сварщика. Для крупных ответственных  изделий используют камеры большого размера, оборудованные необходимыми устройствами и предназначенные  для работы внутри них сварщиков  в скафандрах. Наибольшей популярностью пользуется сварка титана вольфрамовым электродом на воздухе. Ее выполняют на обычных установках для автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности. На сварочной горелке закрепляется специальная насадка для защиты инертным газом от воздуха участков металла с температурой 250–300 °С и выше. Размеры этих участков, как правило, определяются расчетами по формулам распространения тепла в металлах при сварке. Наилучшая защита достигается при помещении в насадку сетчато-пористого материала для обеспечения ламинарного потока инертного газа. Обратную сторону шва защищают с применением специальных насадок и подкладок[10].

 

 

Рисунок 1 – Общий вид  процесса ручной аргоннодуговой сварки

    Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом титановых деталей толщиной 0,5–1,5 мм выполняется встык без зазора и без подачи присадочного прутка, а толщиной более 1,5 мм – с подачей присадочного материала. Проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу в течение 4 ч при температуре 900–1000°С. При зачистке поверхностей кромок свариваемых деталей и прилегающего металла, а также проволоки необходимо снять альфированный слой, насыщенный кислородом[23].

Таблица 1.1 - Рекомендуемые режимы аргонодуговой сварки титановых листов вольфрамовым электродом (скорость подачи аргона через горелку 13–18 л/мин, с обратной стороны сварного шва – 2–2,5 л/мин)

Толщина металла, мм	Диаметр, мм		Сила тока, А	Скорость сварки, м/ч
	вольфрамового электрода	присадочной проволоки
0,3–0,7	1,6	–	40	55
0,8–1,2	1,6	–	60–80	40–50
1,5–2,0	2,0	2,0–2,5	80–120	35–40
2,5–3,5	3,0	2,0–2,5	150–200	35–40

 

Ручная аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом выполняется «углом вперед» на короткой дуге без колебательных движений сварочной горелки. Между электродом и присадочным материалом поддерживается угол в 90°. При обрыве дуги, а также после окончания сварки необходимо подавать аргон до тех пор, пока температура металла не станет ниже 400°С.

При аргонодуговой сварке титана толщиной свыше 4 мм обычно используется V-образная, X-образная или рюмкообразная разделка кромок. Для повышения производительности сварки вольфрамовым электродом применяются следующие способы:

• сварка погруженной дугой;
• сварка сквозным проплавлением;
• импульсно-дуговая сварка;
• сварка по флюсу;
• сварка присадочной порошковой проволокой;
• сварка в щелевую разделку;
• сварка с магнитным перемешиванием сварочной ванны;
• и др.

Сварка погруженной дугой (когда конец электрода размещен ниже поверхности свариваемого металла) на больших токах позволяет сваривать  за один проход без разделки кромок титан и его сплавы толщиной до 15 мм. При сварке сквозным проплавлением  возможно сваривать за один проход титан и его сплавы толщиной 12 мм.С помощью импульсно-дуговой сварки (когда подача тока в зону дуги осуществляется кратковременными импульсами) можно в более широком диапазоне изменять размеры шва, уменьшать уровень остаточных напряжений, снижать деформации сварных конструкций, уменьшать зону термического влияния, а также уменьшать размеры кристаллитов и пористость в сварном шве. При сварке по флюсу-пасте типа АН-ТА, наносимому тонким слоем на поверхность кромок свариваемых деталей, на меньших токах можно сваривать без разделки кромок металл толщиной до 12 мм. Данная технология позволяет увеличить глубину проплавления, снизить деформации сварных конструкций, изменять форму провара, уменьшить зону термического влияния, снизить вероятность образования пор и прожогов. Такими же преимуществами обладает и сварка порошковой проволокой с флюсом в качестве наполнителя[21].

При сварке с магнитным  перемешиванием металла сварочной  ванны с помощью внешнего магнитного поля уменьшаются химическая неоднородность и пористость металла шва. При  сварке в щелевую разделку (по узкому зазору) снижается расход дорогих  и дефицитных материалов и увеличивается  производительность.

Таблица 1.2 - Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) в инертных газах

Диаметр электрода, мм	Сварочный ток, А	Напряжение дуги, В	Толщина стыковых соединений, свариваемых без разделки кромок, мм	Скорость сварки, м/ч	Вылет электрода, мм	Расход газа, л/м
В аргоне
0,6–0,8	150–250	22–24	4–8	30–40	10–14	20–30
1,0–1,2	280–320	24–28	5–10	30–40	17–20	25–35
1,6–2,0	340–520	30–34	8–12	20–25	20–25	35–45
3,0	480–750	32–34	14–34	18–22	30–35	40–50
4,0	680–980	32–36	16–36	16–18	35–40	50–60
5,0	780–1200	34–38	16–36	14–16	40–45	50–60
В гелии
0,6–0,8	150–250	28–32	4–6	30–40	10–14	30–40
1,0–1,2	280–320	32–36	4–8	30–40	17–20	35–45
1,6–2,0	340–520	38–40	5–10	20–25	20–25	70–90
3,0	480–750	42–48	10–28	18–22	30–35	80–100
4,0	680–980	46–50	12–32	16–18	40–50	100–120
5,0	780–1200	46–52	12–32	14–16	45–55	100–120