Свариваемость титана со сталью

Обновлено: 23.01.2025

Контактная сварка титана обеспечивает получение высококачественных сварных соединений титановых сплавов при соблюдении технологии.

Рекомендуемая подготовка свариваемых участков: удаление загрязнений ацетоном, протирка ветошью, обработка в травителе (состава типа 30 % НNО₃ , 3 % HF, 67 % Н₂О), промывка в воде ≥5 мин, обезжиривание, обезвоживание ацетоном и протирка.

При точечной сварке защита инертным газом нe требуется благодаря плотному контaкту и сжатию свариваемых деталей. Однакo для стыковой сварки сопротивлением и шовной сварки необходимa дополнительная защита аргоном первoгo сортa.

Благодаря высокoму электрическому сопротивлению и малой теплопроводноcти титана контактная сварка титана значительно облегчается и можeт выполняться нa различных машинах средней мощности однoфазного и трехфазного переменного или постоянногo тока. Титан по сравнению сo сталями менее чувствителен к силe на электродах и иx геометрическим параметрам. Низкaя электропроводность титановых сплавов облегчает возможнoсть многоэлектродной сварки. Режим сварки чистого титана имеет параметры близке к параметрам режимов, используемыx для коррозионно-стойких сталей. Ориентировочные режимы контактной сварки приведены в таблицах ниже.

Таблица 1. Ориентировочные режимы точечной контактной сварки титана .

Толщина листoв, мм	Радиус сферы электродов, мм (±I0%)	Сварочный ток, кА	Время сварки, с (±I0%)	Сила на электродах, кН	Диаметр ядра точки, мм	Максимальная прочность, кН
0,8+0,8	50	5,0. 6,0	0,15	2. 2,5	4. 5	6
1,0+1,0	75	6,0. 7,0	0,20	2,5 . 3	5. 6	7
1,2+1,2	75	6,5. 7,5	0,22	3. 3,5	5,5. 6,5	9
1,5+1,5	100	8,0. 8,5	0,24	4. 5	6,5 . 7,0	11
2,0+2,0	100	9,5. 10,0	0,28	5. 6	7,0 . 8,0	15
2,5+2,5	150	11,0. 12,0	0,35	6. 7	8,0 . 9,0	16,5

Таблица 2. Ориентировочные режимы шовной контактной сварки титана .

Толщина листoв, мм	Радиус сферы роликов, мм	Ширина плоских роликов, мм	Сварочный ток, кА	Длительность, с		Сила на роликах, кН	Скорость сварки, м/мин	Ширина шва, мм
				сварочного импульса	паузы
0,8+0,8	60	4,5	6,0. 7,0	0,10	0,18	2. 2,5	0,8	3. 4
1,0+1,0	75		7,0. 8,0	0,12	0,25	2,5. 3,5	0,7	4. 5
1,2+1,2		6,5	8,0. 9,0	0,16	0,30	3,5.. .4		5. 6
1,5+1,5	100		8,5. 9,0	0,20	0,40	4. 5	0,6	6. 6,5
2,0+2,0		7,5	11,0. 12,0	0,25	0,50			7. 7,5

Таблицa 3. Ориентировочные режимы стыковой контактной сварки титана оплавлением .

Поперечноe сечение, мм	Припуcк, мм		Сварочный ток пpи оплавлении, A	Время, c
	нa оплавление	нa осадку		подогрева	оплавления
1000	10	8	29500	120	3
2000				180
2500			31200	300	4
3000	15	10	33000	360
3500				420	5
4000				430	6

Примечание к таблице 3. Сварочный ток пpи подогреве 22500 А, сила при осадке 50 кН.

Другие страницы по теме

Контактная сварка титана

Сварка стали с титаном и титановыми сплавами

Титан с железом образуют систему ограниченной растворимости и эвтектоидным распадом β-фазы. Предел растворимости титана в железе снижается от 12 % при 1200 ОС до 4 % при 300°с. Растворимость железа в α-титане составляет 0,5 и 0,05 . 0, 1 % соответственно при 615 и 20°С.

Другие страницы, относящиеся к теме

Сварка стали, титана, титановых сплавов

. Применяются для сварки легких сплавов, в т.ч. титана и легированных сталей. .

Титан и железо дают химические соединения TiFe, TiFe₂, Ti₂Fe и эвтектики β-фаза + TiFe (1100 о С), TiFe + TiFe₂ (1280 о С), TiFe₂ + а-фаза (1298 о С), содержащие 32; 62,5 и 82,5 % железа соответственно. Поэтому при затвердевании расплава уже при содержании железа порядка 0,1 % будут образовываться интерметаллиды TiFe и TiFe₂, которые резко снижают пластические свойства материала.

Титан и железо существенно различаются по кристаллическому строению и физическим свойствам.

Аналогичную картину металлургического взаимодействия титан имеет с легирующими компонентами в сталях (никель и др.).

Положительные результаты могут быть получены при использовании методов сварки давлением, а также барьерных слоев и вставок из третьего металла, не образующего при высоких температурах со свариваемыми материалами хрупких фаз. Особенностью титана и титановых сплавов является их высокая активность с атмосферным газом, что требует ведения процесса в условиях, обеспечивающих их защиту (инертные газы, вакуум, жидкие среды).

Сварка взрывом осуществляется с промежуточными прокладками и без прокладок. В последнем случае могут появиться интерметаллиды ТiFe и TiFe₂ в местах вкрапления литого металла и перемешивания. При отжиге таких соединений идет дальнейший рост интерметаллидной фазы, выделяются карбиды титана. В зоне контакта может наблюдаться появление пор. В качестве прокладок используют ниобий, ванадий, никель, медь, серебро, железо и сплавы из тугоплавких металлов.

Получила применение двойная прокладка из ванадия или ниобия со стороны титана и медная со стороны стали. Нагрев соединений, полученных с использованием барьерных подслоев, до 800 о С не ведет к охрупчиванию шва. Некоторое снижение предела прочности при этом связано со снятием эффекта наклепа. Уменьщение толшины медной прослойки до 0,1мм повышает предел прочности соединенная, что объясняется проявлением эффекта контактного упрочнения. Разрушение соединений при испытаниях идет по слою меди и имеет вязкий характер при положительных и отрицательных температурах (+300. -269 о С).

При диффузионной сварке удовлетворительные механические характеристики получаются, когда ширина слоя интерметаллидов ≤3 . 5 мкм, а в ЗТВ имеет место α-твердый раствор железа в титане. При испытаниях зона разрушения наблюдается в переходе титан железо (сталь). На прочность соединения влияет ширина зоны, обогашенная углеродом.

Механические характеристики стыковых соединений, выполненных диффузионной сваркой в вакууме на материалах ВТ1-0 + 12Х18Н9Т и ОТ4 + 12Х18Н9Т (температура 750 . 850 о С, время сварки 15 мин), оказываются ниже прочности основного материала. Применение прокладок из ванадия и меди при сварке ВТ6, ВТ5-1 со сталью 12Х18Н9Т позволило получить предел прочности вплоть до 530. 570 МПа. В соединении не обнаруживается интерметаллидных фаз даже после длительного нагрева при высокой температуре (1000 о С в течение 10 ч). Слой меди при сварке предотвращает образование карбидов ванадия, охрупчивающих соединения. В соединении ванадий - медь легкоплавкие соединения и интерметаллиды не образуются. Соединения, выполненные через комбинированные прокладки меди (толщина 0,01 мм) и ванадия (0,07 мм), дают предел прочности 489 . 503 МПа при 450 о С, удельную вязкость 350 кдж/м 2 , угол загиба 50. 600.

Для получения стабильных результатов целесообразно в качестве прокладочного материала использовать тонкую многослойную ленту (V + Cu + Ni), полученную горячей прокаткой в вакууме. Благодаря такой ленте предел прочности соединений ВТ5-1 и АТ3 со сталью 12Х18Н10Т при растяжении составляет 500. 590 МПа.

При сварке титана с низкоуглеродистыми сталями хорошие результаты дают прослойки из серебра.

Положительные результаты получаются при диффузионной сварке в расплаве солей (70 % BaCI2 + 30 % NaCI). При этом обеспечиваются быстрый к равномерный нагрев, хорошая защита металла в процессе сварки и охлаждения.

Сварка прокаткой осуществляется в вакууме. Выявлено отрицательное влияние углерода на механические характеристики соединения из-за образования карбида титана (TiC). Увеличение содержания углерода в стали с 0,02 до 0,45 % ведет к снижению уровня прочности с 260 до 140 МПа. При использовании про кладок из ванадия содержание углерода в нем должно быть

При сварке ВТ6 со сталью 12Х18Н10Т с комбинированной прокладкой из Nb + Cu (вакуум 0,00266 Па, температура 350 o С, степень обжатия 45 . 50 %) получаются равнопрочные соединения (разрушение образцов при испытаниях - по меди). На границе ниобия с титаном образуются зоны твердых растворов, имеющие повышенную твердость.

На границе ниобия и меди имеет место диффузионная зона протяженностью порядка 40 мкм. В переходе ниобий - титан зона диффузии не наблюдается. Толщины прокладок ниобия берутся порядка 0,05 . 0,2 мм, меди 0,1 . 0,46 мм.

Контактная и ультразвуковая сварка листовых заготовок проводится с применением промежуточных прокладок.

При контактной сварке не допускается подплавления поверхности титана и стали. Наилучшие результаты контактная сварка дает через прослойку ниобия, а ультразвуковая через слой серебра.

Получены положительные результаты по клинопрессовой сварке в аргоне титановых сплавов со сталью 12Х18Н9Т через прокладку алюминия или медь. Нагрев при использовании алюминия 350 o С, меди - 850 o С. Толщина прослойки 0,1 . 0,2 мм.

Из способов сварки плавлением наибольшее распространение получили электронно-лучевая и аргонодуговая сварка титана со сталью с применением вставок из ванадия и его сплавов. Для получения более высокой прочности целесообразно при менять ванадий, легированный вольфрамом и хромом (5 . 10 %).

Предложен способ сварки титана со сталью в гелии с использованием интенсивно охлаждаемой прокладки. Возможна дуговая сварка в аргоне с применением в качестве присадочного материала медно-серебряного сплава (28 и 72 % соответственно), расплавляемой прокладки из монель-металла.

При сварке плавлением через ванадиевую вставку необходимо учитывать особенности сварки ванадия с титаном и сталью.

СВАРКА СТАЛИ, ПЛАКИРОВАННОЙ ТИТАНОМ

Сварка стали, плакированной титаном, имеет ряд особенностей, связанных со специфическими свойствами титана.

Обычно при сварке малоуглеродистой стали, плакированной нержавеющей сталью, основной и плакирующий слои сваривают последовательно с применением соответствующих сварочных материалов. Сварка такой стали выполняется с обязательным сплавлением между собой сварных швов основного и плакирующего слоев.

Для стали, плакированной титаном, такой порядок сварки неприемлем, так как при сплавлении титана со сталью в сварном шве и на границе его образуется большое количество твердых и хрупких интерметаллидов, способствующих самопроизвольному разрушению сварных соединений. Поэтому соединения стали, плакированной титаном, должны свариваться так, чтобы не допустить сплавления швов обоих слоев, Выполнить это условие можно, применяя специальные разделки, у которых в районе сварного шва основного слоя удален плакирующий слой. В этой разделке можно выполнить сварной шов основного слоя и обеспечить сквозной провар путем подварки корня шва. Для коррозионной стойкости соединения со стороны плакирующего слоя приваривают внахлестку накладку на режимах, не допускающих сквозного проплавления слоя титана. При сварке плакированной титаном стали граничный слой в зоне термического влияния находится определенное время при повышенных температурах, которые могут вызвать его хрупкость Поэтому важно изучить свойства граничного слоя, подверженного нагреву, и изыскать способы устранения его охрупчивания. Такие исследования были выполнены в работе [53]. Опыты проводились на биметалле СтЗ (толщиной 32 мм) + ВТ1 (толщиной 4 мм), полученном сваркой взрывом без промежуточного слоя.

В основном слое вырезали канавки, представляющие собой V-образную разделку. Дно канавки располагали на расстоянии 2—4 мм от линии соединения титана со сталью. Канавку заплавляли электродами УОНИ— 13/45 диаметром 3 мм для первого прохода и диаметром 5 мм — для последующих проходов. Сварочный ток соответственно был равен 100—120 А и 220—240 А. Из проб вырезали образцы для испытания плакирующего слоя на срез и отрыв.

Механические свойства биметалла СтЗ + ВТ1

Состояние металла перед сваркой

Сопротивление срезу, 10—7 Н/м2

Сопротивление отрыву, 10—7 Н/м*

Результаты испытаний (табл. 19) показывают, что под действием тепла сварочной дуги в зоне термического влияния (з. т. в.) у стали в исходном состоянии происходит повышение сопротивления срезу и понижение сопротивления отрыву граничного слоя.

Отпуск, снижая механические свойства граничного слоя, делает его нечувствительным к термическому циклу сварки. При испытании на срез образцов, вырезанных от отпущенной пластины, на плакирующий слой которой были наплавлены аргонодуговой сваркой валики, было получено сопротивление срезу вне зоны термического влияния 19,2 X X 10_7Н/м2, а в зоне термического влияния—18,7 X X 10-7Н/м

Металлографическое исследование шлифов, вырезанных из сваренных проб, показало, что вдали от зоны термического влияния металл в исходном состоянии имеет структуру, свидетельствующую о деформации граничного слоя в процессе получения плакированной стали. Так, со стороны титана ясно видны линии скольжения, а со стороны стали —■ деформированные зерна перлита и феррита.

Микротвердость деформированных участков стали, примыкающих к граничному слою, равна (206—284) • 10~7Н/м2, в то время как более удаленные участки с равноосной структурой имеют микротвердость, не превышающую 215 • 10~7 Н/м2. У этого же металла после отпуска сохраняется структура, характерная для металла в исходном состоянии (после взрыва), но твердость участков стали, примыкающих к граничному слою, снижается до 220 х х 10~7 Н/м2, т. е. до уровня твердости металла в исходном состоянии с равноосной структурой.

На некоторых шлифах от образцов, сваренных в исходном состоянии (без отпуска), была выявлена непосредственно примыкающая к белой прослойке темная фаза, мик - зотвердость которой составляет (517—775) • 10~7 Н/м2. 3 образцах, сваренных в отпущенном состоянии, таких участков не обнаружено.

Появление в зоне термического влияния обезуглерожен - ной ферритной полосы у границы сплавления стали с титаном, белой прослойки по границе сплавления и продуктов распада титана у этой границы свидетельствует о протекании существенных диффузионных процессов между сталью и титаном в связи с нагревом граничного слоя при сварке, несмотря на кратковременность термического цикла.

элементы сварных соединений из стали,

Рис. 31. Конструктивные плакированной титаном:

а — односторонний шов; б — двухсторонний шов.

Можно ожидать большего развития процессов диффузии в граничном слое под действием тепла дуги для стали в исходном состоянии (в частности, обогащение его углеродом) по сравнению со сталью в состоянии отпуска. По-видимому, с этим обстоятельством и может быть связан факт некоторого увеличения сопротивления срезу плакирующего слоя в зоне термического влияния для стали в исходном состоянии.

Изучение граничного слоя показало, что под действием тепла дуги его свойства для стали после отпуска изменяются незначительно и практически не могут ухудшать качества сварного соединения. Поэтому разработанные конструкции и элементы разделок соединения (рис, 31) основаны только
на технологической возможности их выполнения и обеспечивают отсутствие сплавления сварных швов основного и плакирующего слоев. Как обычно, в таких соединениях требуемая механическая прочность достигается за счет сварного шва основного слоя. Накладка, привариваемая к плакирующему слою, предназначена только для создания антикоррозионной стойкости соединения.

Рис. 32. Схема сварки биметалла сталь—титан:

1 —- сталь; 2 — титан; вольфрамовый электрод; 4 — горелка; б — присадочная' проволока; 6 — прокладка из ниобия.

На рис. 31 между накладкой и сварным швом основного слоя показан заполнитель, предназначенный для увеличения коррозионной стойкости соединения в случае проникновения агрессивной среды под накладку.

В качестве заполнителя в некоторых случаях рекомендуют использовать серебро, которое хорошо сплавляется с титаном, или легкоплавкие припои, Для этой цели, очевидно, можно использовать также полимеры типа эпоксидных смол, выбирая их состав в зависимости от характера агрессивной среды.

Прочность сварных стыковых соединений плакированной титаном стали с накладками была определена при испытании на растяжение плоских образцов. Предел прочности этих образцов равен (40,0 - г- 44,5) • 10~7 Н/м2, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к стали СтЗ. В процессе испытания образцов на растяжение сначала (при напряжении не менее 38 • 10~7 Н/ма) разрушались швы, приваривающие накладку, а затем основной слой. Такой характер разрушения объясняется тем, что титан не менее пластичен по сравнению со сталью марки СтЗ.

В работе [53] предложен способ сварки биметалла сталь + титан, исключающий применение накладок. По этому способу биметалл с подслоем из ванадия сваривают
следующим образом (рис. 32). Со стороны титана удаляется плакирующий слой. Со стороны стали кромки подготавливаются под сварку встык. После сварки стали в паз плакирующего слоя укладывается тонкая прокладка из ниобия, а на нее ■— присадочная проволока из титана, диаметр которой зависит от толщины слоя. Затем плакирующий слой сваривается вольфрамовым электродом в среде аргона. При этом дуга направляется по оси уложенной проволоки, при расплавлении которой образуется шов. Так как температура плавления ниобия выше точки плавления титана и поскольку отсутствует прямое воздействие дуги на прокладку, последняя проплавляется лишь частично и тем самым препятствует сплавлению титана со сталью и образованию хрупких фаз. Для биметалла общей толщиной 10 мм при толщине плакирующего слоя из титана ВТ1, равного 2 мм, принимают: V-образную разделку кромок со стороны стали с углом раскрытия 60°, толщину прокладки из ниобия 0,1 мм, диаметр присадочной проволоки из титана 4 мм.

Исследования показали, что сварные соединения, выполненные по описанному способу, обладают высокой коррозионной стойкостью в растворах серной и соляной кислот и других агрессивных средах. Скорость коррозии металла и соединений одинакова и практически не отличается от соответствующего показателя для титана ВТ1.

СВАРКА ТИТАНА СО СТАЛЬЮ

Применение сварных конструкций из титана и стали обеспечивает снижение веса изделий, что в ряде случаев имеет решающее значение. В последние годы проводились многочисленные исследования по сварке титана со сталью

разного класса. В работе [23] имеются данные о положительном решении вопросов точечной сварки тонколистого титана со сталью. Однако задача сварки плавлением титана со сталью, в частности со сталью аустенитного класса, до сих пор не решена.

Как видно из диаграммы состояния системы титан — железо (рис. 27), растворимость железа в а-титане крайне

10 20 ЗО 40 50 60

Рис. 27. Диаграмма состояния системы титан—железо.

мала и при нормальной температуре лежит в пределах 0,05—0,1%. При концентрациях более 0,1% Fe в сплаве образуются интерметаллические соединения типов TiFe и TiFe2.

Наличие интерметаллидов в сплаве титана с железом значительно повышает прочность соединения и резко снижает его пластичность: сплав титана с 0,14% Fe имеет твер
дость Hv 199, с 2,2% Fe превышает Hv 450; пластичность сплава снижается соответственно с 18,5% до 2,5%.

При дуговой сварке титана со сталью невозможно получить сварной шов с содержанием железа в пределах растворимости его в титане. Поэтому при непосредственном соединении титана со сталью методом сварки плавлением швы чрезвычайно хрупки, в них образуются трещины. Задача еще больше усложняется при сварке титана с хромо-никелевыми сталями аустенитного класса. В этом случае образуются сложные интерметаллические соединения титана с железом, хромом и никелем, которые еще в большей степени, чем при сварке титана с углеродистой сталью, делают шов хрупким.

В микроструктуре металла шва сварного соединения титана со сталью видны темные включения на светлом поле. Измерение микротвердости дает основание полагать, что эти включения представляют собой интерметаллические соединения титана с железом, хромом и никелем (микротвердость до 600 • 10~7 Н/м2). Светлое поле имеет микротвердость не более 370 • 10-7 Н/м2 и вероятнее всего является твердым раствором железа, хрома и никеля в титане. Наблюдаются трещины в шве, связанные с высокой хрупкостью металла из-за наличия интерметаллидов.

Выделение интерметаллидов есть также и по линии сплавления металла шва с титаном. Чтобы избежать образования интерметаллидов и получить достаточно пластичные сварные соединения титана со сталью, необходимо устранить перемешивание расплавленных металлов при сварке.

Избежать перемешивания свариваемых металлов можно двумя путями: сваркой — пайкой, когда один из металлов (более легкоплавкий) растекается по соответствующему покрытию, нанесенному на другой металл (при этом непосредственное сплавление металлов не происходит, а образуется сварно-паянное соединение); ступенчатым методом с применением промежуточных металлов-вставок. Опыты по

О 20 40 60 80 100 у

О 20 40 ' 60 80 100 uuufa

соединению титана со сталью методом сварки — панки не дали положительных результатов.

Перспективным оказалось применение промежуточных вставок. Металл вставки должен обладать хорошей свариваемостью как с титаном, так и со сталью. При этом необходимо учитывать коррозионную стойкость соединения из разнородных металлов, включая вставку, если сварная

Рис. 28. Диаграммы состояний:

а — система титан—ванадий, б — система железо—ванадий.

конструкция предназначается для работы в агрессивных средах.

Титан удовлетворительно сваривается с очень ограниченным количеством металлов: цирконием, ниобием, танталом, ванадием, молибденом, гафнием. Наиболее пластичные соединения удается получить при сварке титана с цирконием, ниобием и танталом.

Сталь не сваривается непосредственно ни с одним из перечисленных выше металлов, за исключением ванадия.

Таким образом, единственным металлом, который можно было бы применить в виде вставки при сварке титана со сталью, является ванадий [12]. Возможность сварки этого металла с титаном и сталью подтверждается также типом диаграмм состояния (рис. 28): как с титаном, так и с железом ванадий образует непрерывный ряд твердых растворов. В системе ванадий — железо ниже 1234° в определен

ном интервале концентрации возможно выпадение в-фазы, изоморфной ст-фазы.

Рис. 29. Структура сварного соединения ванадиевого сплава со сталью ХІ8НЮТ при аргонодуговой сварке (Х200).

С. М. Гуревич и В. Н. Замков нашли способ создания комбинированной вставки из двух сваривающихся между собой металлов — тантала или ниобия и бронзы [12]. Так как тантал хорошо сваривается с титаном, а бронза со сталями различных классов, то такая комбинированная вставка является надежным связывающим звеном при соединении этих разнородных металлов.

В результате проведенных опытов была установлена принципиальная возможность сварки технического ванадия с титаном и сталью, в том числе аусте - нитного класса. При сварке неплавящимся электродом в среде аргона швы формировались хорошо, не имели дефектов. Структура сварного соединения ванадиевого сплава со сталью Х18Н10Т приведена на рис. 29. Однако во многих случаях, вследствие неизбежного образования е-фазы в швах в широком интервале концентраций ванадия сварные соединения ванадий — сталь обладают низкой пластичностью. Так, например, угол загиба сварного соединения ванадия со сталью 20 не превосходит 30—35°. Это приводит к снижению пластических свойств и соединения титан — ванадий — сталь.

Хорошие результаты удалось получить при использовании комбинированной вставки, включающей бронзу.

При разработке технологии следовало прежде всего исходить из необходимости получения соединения, равнопрочного свариваемому металлу. С этой целью был применен технический тантал, имеющий предел прочности до 70 х X10-7 Н/м2, опробованы высокопрочные бронзы Бр. ОФб, 5— •—0,15 (ств до 65 • 10~7 Н/м2), Бр. КМцЗ—1 (ов до 75 X X 10-7 Н/м2), Бр. Б2 (ав до Н 66 • 10“7Н/м2), Бр. ОЦС4— —4—2,5 (ав до 52 • 10~7 Н/м2) и др.

Наилучшие свойства сварных соединений технического титана и некоторых низколегированных титановых сплавов с углеродистой и аустенитной сталью были получены при применении бронзы с пределом прочности до 70 • 10~7 Н/м2, воспринимающей нагартовку и термическую обработку.

Автоматическая сварка образцов толщиной 1—1,5 мм на медной подкладке производилась неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона в камере с контролируемой атмосферой. Швы формируются удовлетворительно, дефекты в швах не наблюдались.

Механические свойства сварных соединений титанового сплава ОТ4 со сталью X18HI0T

Результаты испытаний плоских образцов на разрыв

Угол загиба, град

Бр. Б2 + + X18H10T

Вставка из тантала и нагартованной бронзы

Вставка из тантала и закаленной бронзы

по стали и шву сталь— бронза

* Для сравнения приводим пределы прочности ав 10”*7 Н/м2, свариваемых

металлов: титановый сплав—76, сталь -^62,7, нагартованная бронза-^66, закаленная бронза —* 57, тантал -» 69.

Механические свойства соединений титанового сплава ОТ4 со сталью Х18Н10Т толщиной 1,5 мм приведены в табл. 17. Применение нагартованной бронзы не обеспечивает равнопрочности сварного соединения стали Х18Н10Т. В этом случае под воздействием термического цикла сварки происходит разупрочнение бронзы, что подтверждает изменение твердости бронзовой вставки в состоянии поставки (твердая бронза) и после сварки.

Предварительная закалка бронзы (в воду от температуры 800°) заметно повышает прочность сварного соединения благодаря частичному состариванию вставки в процессе сварки. Это приводит к увеличению твердости бронзы. Структура швов и характер их границ у сварного соединения сплава ОТ4 со сталью Х18Н10Т показывают, что металлы удовлетворительно сплавляются, образуя прочноплотные соединения.

При диффузионной сварке титана со сталью как и при сварке плавлением, приходится применять промежуточные прослойки, исключающие образование хрупких слоев в зоне контакта. В качестве прослоек могут быть использованы ниобий — медь, тантал — медь, ванадий — медь и

Некоторые данные, характеризующие механические свойства соединений низколегированных титановых сплавов со сталью, приведены в табл. 18.

Механические свойства титановых сплавов со сталью

Предел прочности соедине-

Из таблицы видно, что прочность сварного соединения высокая и может превосходить прочность наиболее мягкой прослойки — меди в несколько раз. Такая прочность соединения обеспечивается в результате так называемого контактного упрочнения мягких прослоек.

о / 23 4 5671234 5 678

Я Расстояние, мкц О

Рис. 30. Характер распределения микротвердости граничной зоны биметалла титан—стал_:

а без подслоя; б — с подслоем ванадия.

Изменение предела прочности сварного соединения с мягкой прослойкой подчиняется зависимости

огв = — kbMy • 102,

где о в — предел прочности основного менее прочного металла; 6м—относительное удлинение материала слоя;

о в — предел прочности материала прослойки; От —1 предел текучести материала прослойки; k —■ коэффициент, зависящий от параметра наклепываемости прослойки;

и = - т— относительная толщина прослойки; —толщина

прослойки; Ь'— толщина свариваемого металла.

Если в зоне контакта имеются две прослойки, то расчет ведут для наименее прочной.

Исследования показали, что при х С 0,1 для меди и 0,25 для ванадия прочность соединения низколегированных титановых сплавов с нержавеющей сталью близка к прочности стали.

Одним из путей решения проблемы соединения титана со сталью является применение при сварке переходников, изготовленных из биметаллических полос с соотношением толщин слоев 1:1. Технология прокатки таких полос разработана в УкрНИИМЕТ [47] и других организациях.

Наиболее перспективным способом получения биметалла титан — сталь является способ горячей прокатки в вакууме при соответствующем подборе величин обжатий и температур, если заготовки под прокатку обладают прочным соединением слоев по всей площади соединения. Такая однородность заготовок достигается с помощью сварки взрывом, а в ряде случаев —• использованием металла промежуточных слоев, например, ванадия. Биметалл с подслоем ванадия имеет более стабильные свойства в исходном состоянии, чем биметалл без подслоя; кроме того ванадий способствует получению более вязкой граничной зоны.

Характер распределения микротвердости граничной зоны биметалла без подслоя и с подслоем ванадия приведены на рис. 30.

В биметалле без подслоя наблюдается повышение микротвердости до (600—700) • 10~7 Н/м2 в граничной зоне на очень узком участке шириной менее 0,01 мм. В биметалле с подслоем ванадий предотвращает образование твердой и хрупкой прослойки. Структура и твердость остальных участков биметалла без подслоя и с подслоем ванадия одинаковы. В граничной зоне наблюдается обезуглероживание стали на глубину 0,02—0,05 мм. Изменений в структуре титана не обнаружено,

При оценке возможности использования биметаллических вставок в качестве переходников в соединении титана со сталью весьма важно знать влияние термического цикла сварочной дуги на граничные зоны биметалла.

Такие исследования показали, что наблюдается большая нестабильность прочности сцепления слоев биметалла без подслоя. После наплавки валика на титан, т, е. при термическом воздействии дуги, в граничной зоне образуется новая фаза — эвтектика Fe—TiFe2. Она приводит к резкому снижению прочности сцепления слоев биметалла,

Исследования влияния термического цикла сварки на свойства граничной зоны на биметалле с подслоем ванадия показали, что кратковременный нагрев до 900° С не вызывает никаких изменений в структуре и твердости граничной зоны. Повышение температуры от 900° до 1200° С приводит к образованию диффузионного слоя ванадия в железе с микротвердостью порядка 300 • 10~7 Н/м2, Ширина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева и времени выдержки при температуре выше температуры аллотропического превращения. Чем меньше скорость нагрева и выше температура, тем шире диффузионная зона. Приближенно можно считать, что увеличение времени пребывания биметалла при такой температуре в два раза вызывает увеличение ширины диффузионной прослойки также вдвое, Твердость прослойки при этом не изменяется.

Нагрев граничной зоны биметалла выше температуры 1185—1200° С вызывает образование новой фазы на границе ванадия и железа. Эта фаза характеризуется высокой микротвердостью (до 900 • 10~7 Н/м2) и хрупкостью. Таким образом, нагрев граничной зоны биметалла свыше 1200° С недопустим, так как при этом образуется твердая и хрупкая фаза с трещинами, что может привести к расслоению биметалла.

Исследованиями установлено, что при сварке биметалла

титан—сталь с полным проплавлением основного слоя температура граничной зоны свыше 1200° С, когда возможно

образование хрупкой и твердой фаз, распространяется на ширину до 3 мм от центра шва. Поэтому для получения качественного сварного соединения необходимо при подготовке кромок удалять плакирующий слой на ширину не менее 6 мм.

В литературе имеется мало сведений о коррозионной стойкости сварных соединений титана с другими металлами, в частности, титана со сталью. Некоторые результаты исследований показывают, что в растворах соляной, серной и щавелевой кислот при комнатной температуре титан имеет потенциал более отрицательный, чем потенциал нержавеющей стали. Поэтому в паре с нержавеющей сталью скорость коррозии титана значительно снижается. При этом скорость коррозии нержавеющей стали остается без изменений. Это явление анодной защиты наблюдается также в кипящих растворах указанных кислот,

Читайте также: