Почему титана трудно сварки
Титановые сплавы, из -за их высокой прочности, коррозионной устойчивости и легких свойств, имеют незаменимую позицию в таких областях, как аэрокосмическая, морская техника и биомедицина. Тем не менее, этот материал, провозглашенный «металлом будущего», долгое время считался «технической зоной без хомута» при сварке. Его сварные суставы склонны к хрупкости, очень привлекательны и даже требуют вакуумной среды для высококачественной сварки. Трудности в сварке титана стебля от его уникальных физических и химических свойств и характеристик металлургической реакции, которые переплетаются для создания сложной сети проблем процессов.
«Химический шторм» при высоких температурах
Пленка с плотной оксидной (tio₂), которая образуется на поверхности титана при комнатной температуре, передает превосходную коррозионную стойкость, но она становится источником опасности при высоких температурах сварки. Когда температура превышает 600 градусов, химическая активность титана резко возрастает, насильственно реагируя с кислородом, азотом и водородом в воздухе:
Окислительное загрязнение:Более 800 градусов растворимость кислорода в титане увеличивается в геометрической прогрессии, образуя хрупкий оксидный слой толщиной в несколько микрон. Этот оксидный слой значительно снижает вязкость сварного шва. Когда содержание кислорода превышает критическую ценность, ударная выносливость может падать более чем на 50%, что приводит к непредсказуемому перелому сустава во время обслуживания.
Риск охлаждения водорода:Влажность в воздухе и масле на поверхности сварочной проволоки разлагается при высоких температурах для получения водорода. Атомы водорода проникают в титановую решетку, образуя игольчатые гидриды (TiH₂). Эти гидриды могут вызвать «отсроченную хрупкость», что означает, что при низких температурах сустав может внезапно разрушить из -за минимального напряжения. Водородное охлаждение является абсолютным табу, особенно в приложениях, требующих чрезвычайно высокой надежности, таких как биомедицинские имплантаты.
Нитривое охлаждение:Когда температура превышает 700 градусов, титан реагирует с азотом с образованием нитрида титана (олово). Эта жесткая и хрупкая фаза значительно снижает пластичность сварного шва. При разнородной сварке титановых сплавов и стали, нитрирование является основным фактором, способствующим охруптанию суставов, даже превышающим тяжесть загрязнения окисления.
Чтобы бороться с этим химическим штормом, сварка титана должна использовать «полностью закрытую» стратегию защиты: использование инертного газа с высокой чистотой (например, аргоном) в качестве экранирующей среды. Во время сварки обе стороны сварного шва должны быть защищены газовым щитом. Отключение газа откладывается после сварки, чтобы предотвратить вторичное окисление высокотемпературного сварного шва. В высококлассном производстве вакуумная сварка электронного луча даже используется, завершающая сварку в вакууме 10⁻⁴ PA, чтобы полностью изолировать сварку от загрязнения газа.
«Врожденные дефекты» в термофизических свойствах
Термофизические свойства титана находятся в резком конфликте с его сваркой:
Низкая теплопроводность:Теплопроводность титана лишь одна шестая, а сталь. Тепловой концентрация во время сварки затрудняет рассеивание, что приводит к локализованному перегреву и расширению зоны, пораженной телом (HAZ). Эта тепловая концентрация значительно скорбит зерна в HAC, снижая пластичность и вязкость сустава. Неуместные скорости охлаждения также могут привести к формированию грубой структуры Widmanstätten, что еще больше ухудшает производительность суставов.
Высокий модуль эластики:Эластичный модуль титана составляет лишь половину, что у стали, что приводит к вдвое превышающей деформацию стали при одинаковом сварке. Это «мягкое, но жесткое» свойство делает титановый, подвергающийся волнистой деформации во время сварки, особенно при сварке тонких пластин. Для контроля деформации требуются вспомогательные меры, такие как жесткое фиксация и принудительное охлаждение.
Чувствительность фазового преобразования:Титан существует в двух аллотропах: (гексагональная закрытая) и (кубическая кубическая), с температурой фазового преобразования 882 градуса. Во время сварки HAC подвергается преобразованию -фазе. Чрезмерное быстрое или медленное охлаждение может привести к структурным аномалиям, таким как образование ацикулярного мартенсита или грубого видманштенита, значительно снижая силу сустава.
Чтобы решить эти проблемы, инженеры разработали технологию «пульсированной сварки TIG». Эта технология использует высокочастотный импульсный ток для управления тепловым входом, что приводит к тонкой, эквиасиасированной структуре зерна в сварке. Кроме того, используется процесс «двойной одновременной экранирования аргона», причем на задней стороне сварного шва, установленного на задней стороне сварного шва, чтобы обеспечить, чтобы области выше 400 градусов всегда защищены инертным газом, предотвращая окисление и нитридацию.
«Запрещенные зоны» разнородной материала сварки
Сварка титана с другими металлами (такими как сталь, алюминий и медь) представляет еще более сложные проблемы:
Сварка титановой стали:Твердое растворимость железа в титане чрезвычайно низкая, что приводит к образованию больших количеств жестких и хрупких мемеологических соединений Feti и Fe₂ti на границе раздела во время сварки. Эти соединения могут достигать твердости HV800-1000, что намного превышает матрицу титана (HV200-300), что приводит к хрупкому перелому в суставе. Кроме того, коэффициенты термического расширения титана и стали различаются в три раза, вызывая значительное напряжение во время сварки и еще больше увеличивая риск отказа суставов.
Титан-алюминиевая сварка:При высоких температурах титановые и алюминиевые образуют интерметаллические соединения, такие как Tial и Tial₃. Эти соединения чрезвычайно хрупкие, а теплопроводность титана и алюминия отличается в течение 16, что приводит к неравномерному распределению тепла во время сварки и подвержена растрескиванию. Кроме того, растворимость водорода в жидком алюминии в 1000 раз выше, чем в твердом алюминиевом. Во время затвердевания газ водорода уходит, образуя поры и ухудшая характеристики суставов.
Сварка титана-коллеги:Медные и титановые формируют интерметаллические соединения, такие как Ti₂cu и Ticu, при высоких температурах. Кроме того, медь имеет более низкую температуру плавления, чем титан, что может легко привести к недостаточным плавлениям на стороне титана или перегрева со стороны меди во время сварки. Кроме того, разница в растворимости водорода в жидкой меди может вызывать поры водорода, снижая плотность суставов.
Чтобы преодолеть ограничения разнородной сварки, инженеры разработали технологию «переходного уровня». Это вводит промежуточный слой ванадия или никеля между титаном и разнородными металлами, чтобы ингибировать образование интерметаллических соединений. Кроме того, методы твердотельной сварки, такие как вакуумная диффузионная сварка и сварка трения, достигают связи посредством атомной диффузии, избегая металлургических проблем, связанных с плавлением.
«Точный танец» управления процессом
Титановая сварка чрезвычайно чувствительна к параметрам процесса:
Текущий контроль:Свартельный ток должен быть точно отрегулирован в зависимости от толщины пластины. Чрезмерный ток приведет к зерновому ущербу, в то время как слишком низкий ток приведет к недостаточному проникновению. При импульсной сварке TIG сопоставление базового тока и пикового тока необходимо оптимизировать для контроля теплового входа и морфологии бассейна сварки . 2. Скорость сварки: скорость сварки должна контролироваться в сочетании с токовой и экранирующей скоростью потока газа. Чрезмерная скорость может легко вызвать пористость, в то время как слишком медленные скорости могут расширить затронутую зону. При лазерной сварке тепловой вход должен контролироваться путем регулировки диаметра пятна и частоты импульса.
Дизайн Groove:Титановая сварка требует острой V-образной канавки. Тупые края должны строго контролироваться и очищаться с помощью проволочной щетки из нержавеющей стали, пока металл не станет блестящим. Любой оксидный слой или масляные пятна будут вызывать загрязнение сварной шерсти, поэтому перед сваркой требуется окончательная чистая с ацетоном или безводным спиртом.
Экологический контроль:Титановая сварка должна выполняться в среде с низкой влажностью, причем относительная влажность оставалась ниже 60%, чтобы предотвратить образование пор водорода. Автоматизированная сварка требует герметичной камеры и поток сухого инертного газа для обеспечения абсолютно чистой среды сварки.
Проблемы в сварке титана давно препятствовали его применению. Однако, благодаря достижениям в области материаловедения и технологии сварки, инженеры разработали ряд решений: передовые процессы, такие как сварка вакуумного электронного луча, лазерная сварка и импульсная сварка TIG. В сочетании с интеллектуальными системами управления эти процессы сдвинули титановую сварку от полагаться исключительно на опыт опытных сварщиков для точного параметрического управления.
