Дипломная работа: Процесс сварки вольфрамовым электродом в аргоне с присадочной проволокой титанового сплава ОТ4
При сварке в сплавах титана происходят сплошные фазовые и структурные превращения. Чувствительность к сварочному термическому циклу выражается в протекании полиморфного превращения α→ ← β, резком росте размеров зерна β – фазы и подогреве на стадии нагрева, в образовании хрупких фаз при охлаждении и старении, неоднородности свойств сварных соединений, зависящих от химического и фазового состава сплавов.
Вследствие низкой теплопроводности и малой объемной теплоемкости титана время пребывания металла при высоких температурах значительно больше, чем это время для стали, что является причиной перегрева, резкого увеличения размера зерен β-фазы и снижения пластичности титана.
Особенности кристаллизации и охлаждения сварных швов титановых сплавов способствуют возникновения в них ряда метастабильных фаз, которые во многом определяют свойства сварных соединений. Их отрицательное влияние на пластичность и ударную вязкость до сих пор затрудняет использование многих сплавов в качестве конструкционных материалов.
Метастабильные превращения характеризуются большим разнообразием и сложностью, особенно в сплавах с переходными элементами (Мо, V, Cr, Fe и др.), которые наиболее широко применяются в качестве легирующих добавок. В этих сплавах возможно возникновение масштабных α’ -, ω – и β – фаз, а в ряде сплавов - α’’ - фазы.
Условия сварки характеризуются относительно быстрыми скоростями охлаждения, а также наличием в металле исходной высокотемпературной химической неоднородности. Поэтому фазовые превращения при сварочном термодедукционном цикле во многих случаях изменяются. сдвигается положения концентрационных областей и образовании метастабильной фазы, не соответствующее равновесным условиям при данной температуре и концентрации.
Фактором инициирующим появление и рост метастабильной фазы, является разность свободных энергий старой и новой фаз. Новая фаза имеет более низкие значения свободной энергии. В α- сплавах термодинамические условия существования фаз таковы, что в зависимости от скорости охлаждения, концентрации примесей и температуры возможно образование метастабильной пресыщенной α’ - фазы или равновесной фазы α- фазы. Это характерно для сварных соединений технического титана и α- сплавов. При легировании титана переходными элементами создаются условия для образования не только α’ - или α- фаз, но и метастабильных ω – и β – фаз либо ω – и α – фаз. Этисхемы регулируются в средне и высоколегированных сплавах титана.
В металле шва на промышленных α- сплавах, а также на сплавах, которые содержат переходные элементы в пределах их растворимости в α- фазе (ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-2 и др.) или выполнении швов электродом, состав которого аналогичен составу основного металла, независимо от способов сварки при охлаждении швов, происходит лишь β→α’ – превращение и остаточная β –фаза при комнатных температурах не сохраняется; α – фаза, близкая к равновесному состоянию, наблюдается лишь в швах технического титана после замедленного охлаждения, соответствующего техническому циклу электрошлаковой сварки.
Характер формирования α’ - фазы в швах определяется температурой превращения и скоростного охлаждения. При малых скоростях охлаждения образуются широкие и длинные пластины α- фазы, что особенно характерно для швов, выполненных электрошлаковой сваркой. Увеличение скорости охлаждения, наоборот, способствует образованию мелкоигольчатой α’ - фазы (электроннолучевая сварки).
Температурный интервал β→α’ – превращение расширяется по мере увеличения в шве количества β – стабилизирующих элементов (V, Mo, Mn, Cr и др.) и смещается в область более низких температур. При равных скоростях охлаждения шва α- фазы, образовавшаяся при более высших температурах более грубая.
Для швов более легированных сплавов (ВТС, ВТ14 и др.) характерно сохранение в структуре при охлаждении некоторого количества остаточной метастабильной β- фазы. Количества β- фазы в швах определяется составом и скоростью охлаждения в интервале температур β→α’ – превращениях. Наибольшее количество сохраняется в шве на сплаве ВТ14.
Увеличение легирования швов выше определенной концентрации способствует образованию в них метастабильной ω- фазы. В настоящее время ω – фаза рассматривается , как метастабильная низкотемпературная модификация β- твердого раствора, образующегося при определенной электролитной концентрации. Возникновение её может происходить либо непосредственно в процессе охлаждения, либо при изотермическом нагреве. В первом случае ω – фаза образуется в швах после сварки в области концентраций, значение которых определяются системой и количеством легирующих элементов. Пополнение концентрационных областей образования ω – фазы изменяется в зависимости от способа сварки (скорость охлаждения). Уменьшение скорости охлаждения приводит к выделению ω – фазы в тех составах, где при более быстрых скоростях образуется чистая метастабильная β- фаза , либо смесь β и α- фаз. Поэтому во избежание образования ω – фазы в швах легированных сплавов монокритическими составами целесообразно применение способов сварки, обеспечивающих повышенную скорость охлаждения. В этом отношении наиболее перспективна электроннолучевая сварка и сварка на малых токах с применением специальных флюсов.
Повышение пластичности с сохранением высокой прочности достигается технологическими приемами, например путем электромагнитного перемешивания расплава и применение колебаний электронного луча, что измельчает структуру и уменьшает внутризеренную неоднородность. необходимые свойства сварных соединений термоупрочняемых α+β - титановых сплавов получают после закалки и старения.
При сварке титановых сплавов у сварных соединений наблюдается склонность к замедленному разрушению, причиной которого является повышенное содержание водорода в сварном соединении в сочетании с растягивающими напряжениями первого рода (остаточными сварочными и от внешней нагрузки). Влияние водорода на склонность к трещинообразованию возрастает при увеличении содержания других примесей (кислорода и азота) и вследствие общего снижения пластичности при образовании хрупких фаз в процессе охлаждения и старения. Отрицательное влияние водорода при трещинообразовании является результатом гидридного превращения и адсорбционного эффекта снижения прочности. наибольшее влияние водород оказывает на α- сплавы в связи с ничтожной растворимостью в них водорода (< 0,001%). Растворимость водорода в β – фазе значительно выше, потому сплавы, содержащие β – фазу, менее чувствительны к водородному охрупчиванию; вместе с тем повышение растворимости водорода в β – фазе увеличивает опасность невоздашивания. Склонность к растрескиванию увеличивается: при повышенном содержании водорода в исходном материале; при насыщении водородом в процессе сварки (из-за недостаточно тщательной подготовки сварочных материалов, свариваемых кромок и т.д.) при насыщении водородом в процессе технологической обработки сварных соединений и эксплуатации.
Радикальными мерами по борьбе с трещинообразованием являются:
а) снижение швов в основном и присадочном материале: не менее 0,008 Н2 ; менее 0,1-0,12 О2 ; менее 0,04 N;
б) соблюдение первичной технологии сварки для предотвращения паров воды и вредных газов в зону сварки (тщательная подготовка и зачистка сварочных материалов и свариваемого металла, надежная защита металла в зоне сварки и рациональный выбор режимов сварки); для уменьшения склонности к замедленному разрушению целесообразно α- и псевдо α – сплавы титана сваривать на жестких режимах; α+β сплавы на относительно мягких (скорость охлаждения 10-20 к/с);
в) снятие остаточных сварочных напряжений;
г) предотвращение возможности неводорешивания сварных соединений при эксплуатации путем выбора сплавов рациональной композиции для работы в средах, где возможно насыщение водородом.
При сварных соединениях, которые чаще располагаются в виде цепочки по зоне сплавления, снижают статическую и динамическую прочность сварных соединений. Их образование имеет вызывается попаданием водорода вместе с адсорбированной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свариваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Перераспределение водорода в зоне сварки в результате термодиффузионных процессов при сварке также может привести к подчистости. Растворимость водорода в титане уменьшается с повышением температуры. Поэтому в процессе сварки титана водород диффузирует от зон максимальных температур менее нагретые области, от шва к основному металлу.
Основными мерами борьбе с порами, вызванными водородом при качественном исходном материале, являются тщательная подготовка сварных материалов: прокалка флюса, применение защитного газа гарантированного качества, вакуумная дегазация и зачистка перед сваркой сварочной проволоки и свариваемых кромок (удаление альфированного слоя травлением и механической обработкой, снятия адсорбированного слоя перед сварной щеткой или шабером, обезжиривание), соблюдение защиты и технологии сварки.
В сварном шве поры могут образовываться вследствие:
а) задержания пузырьков инертного газа кристаллизирующимся металлом сварочной ванны при сварке титана в защитных газах;
б) «захлопывание» микрообъемов газовой фазы, локализованность на кромках стыка, при совместном деформировании кромок в процессе сварки:
в) химических реакциях между поверхностными загрязнениями и влагой и т.д.
При сварке титана плавлением требуются концентрированные источники тепла. Однако в связи с более низкими , чем у стали, коэффициентом теплопроводности (в четыре раза), более высокими элементами сопротивлением (в пять раз) и меньшей теплоемкостью для сварки плавлением титана тратиться меньше энергии, чем при сварке углеродистых сталей. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и модуля упругости остаточные напряжения в сварных соединениях титана меньше предела текучести и составляют для большинства титановых сплавов (0,6-0,8)
0,2 основного металла. Наиболее высокие остаточные напряжения возникают в сварных соединениях однофазных как α - , так и β – титановых сплавов или у слабо гетерогенезированных сплавов такого типа.
Высокий коэффициент поверхностного натяжения титана в сочетании с малой вязкостью в расплавленном состоянии увеличивает опасность прожогов и вызывает необходимость более тщательной сборки деталей под сварку по сравнению с деталями из сталей.
Принципиально разделка кромок при сварке титановых сплавов не отличается от разделок, применяемых для сталей. В зависимости от толщины свариваемого металла сварку производят без разделки, с V-, U-, X- и рюмкообразными разделками, а также применяют замковые соединения.
Сварку деталей из титановых сплавов производят после того, как снимут газонасыщенный (альфированный) слой. Такой обработке должна быть подвергнуты детали, изготовленные методом пластической деформации (поковки, штамповки и т.д.), а так же детали, прошедшие термическую обработку в печах без защитной атмосферы. Удаление альфированного слоя с применением с применением травителей предусматривает:
а) предварительное рыхление альфированного слоя дробеструйной или пескоструйной обработкой;