СВАРКА В УЗКИЙ ЗАЗОР ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ТОЛЩИНОЙ ДО 110 мм
В последние годы наблюдается значительный рост объема применения титановых сплавов в различных отраслях промышленности. Помимо традиционного использования в аэрокосмической технике и кораблестроении, титановые сплавы стали широко применять в химическом машиностроении. Существует тенденция более широкого использования высокопрочных титановых сплавов, например ВТ6, ВТ20, ВТ23 (σв = 835…1400 МПа). Значительное количество сварных соединений толщиной 20…110 мм получено многослойной аргонодуговой сваркой в U-образную или V-образную разделку. Существенным недостатком этого способа сварки является большой объем наплавляемого металла, при этом стоимость используемой титановой проволоки значительно превышает стоимость титанового проката. Для соединения конструкций толщиной 20…110 мм в ряде случаев наиболее эффективной является технология аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом в щелевую разделку (узкий зазор), для успешной реализации которой необходимо обеспечить следующие условия: надежную защиту зоны сварки и вольфрамового электрода от окисления воздухом; качественное формирование металла шва и гарантированное оплавление вертикальных стенок щелевой разделки; обзор зоны сварки для контроля за процессом; контроль за положением вольфрамового электрода в центральной плоскости разделки в ходе сварки. Сварку титана в щелевую разделку рекомендуется выполнять по двум схемам: с защитным соплом, которое опущено в зазор [1]; с защитным соплом, расположенным над поверхностью свариваемых деталей [2]. При использовании второй схемы сварки в зазор помещают только один вольфрамовый электрод. Можно выполнять сварку в узкий зазор шириной 8…12 мм, что позволяет в 1,5…2,0 раза сократить расход дорогостоящего
присадочного материала по сравнению со сваркой в узкий зазор по первой схеме, а также снизить сварочные деформации. Однако при использовании второй схемы возникает проблема защиты зоны сварки и наплавленного металла от поглощения кислорода и азота из воздуха. Исследования, проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона, показали перспективность процесса сварки титана в узкий зазор по второй схеме. Была создана установка АД238 консольного типа для сварки листового титана толщиной до 100 мм и длиной до 2000 мм [2].
Основной задачей при выполнении сварки в узкий зазор является обеспечение надежного и равномерного сплавления вертикальных стенок щелевой разделки с наплавляемым валиком, а также валиков между собой. При сварке в узкий зазор вольфрамовым электродом без отклонения сварочной дуги значительная доля ее тепла расходуется на повторное проплавление предыдущего прохода.
При этом могут возникать непровары вертикальных стенок разделки. Особенно часто непровары образуются в месте пересечения вертикальных стенок разделки с поверхностью предыдущего прохода, что связано с интенсивным теплоотводом на этом участке сварного соединения.
Для гарантированного проплавления боковых стенок применяют, как правило, поперечное перемещение сварочной дуги, которое может осуществляться как механически (поперечным перемещением или вращением вольфрамового электрода) [3], так и посредством наложения внешнего магнитного поля, в результате чего происходит отклонение сварочной дуги [2] и смещение ее анодного пятна. Поскольку титан и сплавы на его основе являются немагнитными материалами, то наиболее эффективный способ обеспечения надежного и равномерного расплавления боковых стенок зазора — это электромагнитное управление отклонением сварочной дугой.
Для реализации управления сварочной дугой применен источник питания катушки электромагнита «БУМП-2» (ООО «Росток-СПАРКС»), формирующий импульсы трапецеидальной формы с амплитудой до 6 А. При сварке сердечник электромагнита выполняет функции магнитопровода и помещается в узкий зазор (рис. 1). При протекании тока через катушку электромагнита в зоне горения дуги создается магнитное поле, силовые линии которого в зоне дуги расположены преимущественно вдоль направления сварки. Такое магнитное поле является поперечным по отношению к дуге. Поочередное отклонение сварочной дуги к боковым стенкам разделки и соответственно смещение анодного пятна дуги на боковые стенки осуществляется сменой полярности тока, протекающего через катушку электромагнита. Максимальная индукция управляющего магнитного поля в зоне дуги может составлять 8 мТл.
При этом продольная составляющая индукции управляющего магнитного поля не превышает 20 %.
Рис. 1. Схема процесса сварки в узкий зазор с управляющим магнитным полем: 1 — сердечник электромагнита; 2 — ка- тушка электромагнита; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — защитное сопло; 5 — силовые линии управляющего магнит- ного поля; 6 — присадочная проволока
Частоту реверсирования магнитного поля при использовании разработанной системы формирования управляющего магнитного поля «БУМП-2» можно регулировать в диапазоне от 1 до 80 Гц, магнитную индукцию — от 0 до 8 мТл.
Исследования особенностей формирования сварных швов титановых сплавов при сварке в узкий зазор с управляющим магнитным полем показали, что проплавление боковых стенок возрастает с увеличением поперечной составляющей индукции магнитного поля и уменьшением частоты его реверсирования. При частоте реверсирования управляющего магнитного поля более 20 Гц наибольшая глубина проплавления поверхности предыдущего слоя зафиксирована в центре шва. В сварных швах, выполненных на оптимальных режимах, непровары и несплавления полностью отсутствуют.
Электрическая дуга при сварке в узкий зазор горит в стесненных условиях, при этом, помимо вольфрамового электрода, в щелевой разделке размещены направляющая для присадочной проволоки и магнитопровод электромагнита, что затрудняет возможность оператору непосредственно контролировать процесс сварки. Для визуального наблюдения за процессом сварки и контроля состояния вольфрамового электрода и положения присадочной проволоки в разделке разработана малогабаритная видеокамера ВК-27, оснащенная насадкой прямого угла. Она предназначена для телевизионного наблюдения за процессом сварки ТИГ конструкций из титана и титановых сплавов на токе до 500 А. В состав видеокамеры входят светофильтр, объектив, матрица фотоприемника и микропроцессорный контроллер на базе цифрового сигнального процессора. Камера формирует выходной видеосигнал формата PAL. С помощью телевизионного наблюдения за процессом сварки в узкий зазор можно решить еще одну проблему — обеспечить контроль за положением вольфрамового электрода в центральной плоскости разделки в процессе сварки (см. рис. 2).
Рис. 2. Видеоизображение процесса аргонодуговой сварки титана вольфрамовым электродом в узкий зазор с внешним управляющим магнитным полем при отклонении дуги к левой (а) и правой (б) стенкам разделки
На основании результатов исследований отработаны две схемы сборки деталей под сварку в узкий зазор и подобраны соответствующие режимы. Первая предусматривает применение подкладки, которая приваривается с обратной стороны свариваемых деталей. Существенным недостатком такой схемы применительно к титановым сплавам является то, что приваренную подкладку, как правило, необходимо удалять, при этом на поверхности деталей остаются дефекты. Для предотвращения этого предложена вторая схема сборки и сварки с формирующей водоохлаждаемой подкладкой [4], которая служит кристаллизатором для валика первого прохода, защищает обратную сторону детали от окисления воздухом и выполняет функции токоподвода.
Макрошлифы сварных соединений, полученных по указанным схемам, представлены на рис. 3. Результаты определения содержания газов в металле шва (табл. 1) показали, что оно не превышает содержание газов в основном металле и зависит от их содержания в присадочной проволоке. Это подтверждает высокое качество газовой защиты при сварке.
Рис. 3. Макрошлифы сварных соединений, полученных сваркой ТИГ в узкий зазор с управляющим магнитным полем на остающейся (а) и фор- мирующей (б) подкладке
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что прочность сварных швов, выполненных на титановом сплаве ВТ6 аргонодуговой сваркой в узкий зазор с применением присадочной проволоки СПТ2, в состоянии после сварки по своим свойствам находятся на уровне 95 % прочности основного металла (табл. 2), что соответствует требованиям, предъявляемым к швам первой категории.
В металле сварных швов, выполненных с магнитной индукцией более 6 мТл, формируется однородная структура, при этом как в центральной, так и в периферийной зоне швов грубые мартенситные иглы отсутствуют. Увеличение частоты реверсирования свыше 20 Гц практически не влияет на длину мартенситных игл. Анализ микроструктуры сварных швов титанового сплава ВТ23 с присадочной проволокой СП15, выполненных сваркой в узкий зазор, показал, что средняя длина мартенситных игл без магнитного поля составляет 0,10…0,05 мм. При сварке с частотой реверсирования магнитного поля 10 Гц и магнитной индукцией 6 и 12 мТл средняя длина мартенситных игл уменьшается соответственно до 0,06…0,08 и 0,04…0,05 мм. При магнитной индукции 8 мТл и увеличении частоты реверсирования магнитного поля от 2,5 до 20,0 Гц средняя длина мартенситных игл уменьшается от 0,10…0,15 до 0,03…0,04 мм.
Дальнейшее увеличение частоты реверсирования магнитного поля заметно не сказывается на длине мартенситных игл в металле швов.На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что применение магнитного управления сварочной дугой при сварке позволяет почти в 4 раза уменьшить среднюю длину мартенситных игл и получить более однородную и мелкоигольчатую структуру металла шва (рис. 4).
Рис. 4. Микроструктуры (‡400) металла сварных швов, выполненных без магнитного поля (а) и с управляющим магнитным полем с индукцией 6 (б) и 8 мТл (в)
По мнению авторов, улучшение вторичной структуры металла шва двухфазных титановых сплавов связано с возникновением поперечных колебаний сварочной ванны. Поперечные колебания расплава в хвостовой части сварочной ванны фиксируются на видеозаписи процесса сварки в узкий зазор, а также проявляются в изменении чешуйчатости поверхности шва: с увеличением частоты реверсирования управляющего магнитного поля расстояние между чешуйками уменьшается. В результате поперечных колебаний сварочной ванны происходит периодическое подплавление металла на фронте кристаллизации, а в сварных швах двухфазных титановых сплавов формируется мелкодисперсная структура, в которой средний размер мартенситных игл уменьшается от 160 до 40 мкм.
Решение перечисленных выше задач позволило разработать сварочную установку для получения соединений высокопрочных титановых сплавов толщиной до 110 мм сваркой ТИГ в узкий зазор с магнитным управлением дугой (рис.5). На установке сварка выполняется по второй схеме. Для решения проблемы защиты зоны сварки разработана сварочная горелка с цилиндрическим защитным соплом, расположенным над поверхностью свариваемых деталей (рис. 6), внутренняя поверхность которого имеет образующую по форме, близкую к кривой Витошинского [5].
Рис. 5. Установка портального типа для сварки в узкий зазор соединений титана и сплавов на его основе толщиной 20…110 мм
Применение такой сварочной горелки позволило гарантировать надежную защиту зоны сварки при получении сварных соединений титана и сплавов на его основе толщиной до 110 мм.
Сварочная установка состоит из следующих основных узлов: неподвижного портала для расположения сварочной головки над местом сварки; тележки с механизмом перемещения сварочной головки вдоль шва; сварочной горелки с защитным сапогом; механизма вертикального перемещения сварочной головки с системой автоматической
регулировки напряжения дуги; механизма поперечного перемещения сварочной головки; механизма подачи присадочной проволоки; системы магнитного управления дугой; системы телевизионного наблюдения за процессом сварки; стола для сварочных образцов; источника питания ВДУ-511 с возбудителем дуги ВСД-02; шкафа управления с сенсорным дисплеем; пульта местного управления.
Рис. 6. Схема защитного сопла для сварки в узкий зазор титана и сплавов на его основе
Система управления установкой предназначена для осуществления технологического процесса аргонодуговой сварки титановых сплавов и обеспечения функционирования оборудования на следующих режимах: «Наладка» — для проверки работы всех механизмов установки и выполнения установочных перемещений перед сваркой; «Автомат» — для автоматического управления технологическим процессом сварки по заданной программе. С помощью системы управления осуществляются как визуальное наблюдение за процессом сварки, так и регистрация его параметров — напряжения, тока дуги, скорости сварки, скорости подачи проволоки, частоты и индукции магнитного поля.
Сварочная установка выполняет многопроходную сварку в автоматическом режиме соединений технического титана и сплавов на его основе толщиной 20…110 мм и протяженностью до 4000 мм в узкий зазор прямолинейными швами, толщина наплавляемого слоя за один проход составляет 5…7 мм.
Разработанные технология сварки и установка обеспечивают получение сварных соединений высокого качества.
Выводы
1. На основании проведенных исследований разработана технология сварки высокопрочных титановых сплавов в узкий зазор с внешним управляющим магнитным полем, обеспечивающая высокое качество сварных соединений и их механические свойства на уровне не менее 90 % показателей основного металла.
2. При сварке в узкий зазор с управляющим магнитным полем в металле швов, выполненных на сварных двухфазных титановых сплавах, формируется мелкодисперсная структура, причем средний размер мартенситных игл уменьшается в 4…5 раз (от 160 до 40 мкм) по сравнению с металлом швов, выполненных без управляющего магнитного поля.
3. Разработана установка портального типа для многопроходной сварки соединений титана и высокопрочных сплавов на его основе толщиной 20…110 мм и протяженностью до 4000 мм в автоматическом режиме в узкий зазор прямолинейными швами, которая обеспечивает высокое качество полученных сварных соединений.
1. Михайлов В. И., Сахаров И. Ю. Сварка конструкций из титановых сплавов больших толщин (проблемы технологии) // Тi–2006 в СНГ: Сб. тр. междунар. конф., Россия, г. Суздаль, 21–24 мая 2006 г. — Киев: Наук. думка,2006. — С. 109–111.
2. Paton B. E., Zamkov V. N., Prilutsky V. P. Narrow-groove welding proves its worth on thick titanium // Welding J. —1996. — № 4. — P. 37–41.
3. Гринин В. С., Штрикман М. М. Высокопроизводительная автоматическая сварка в узкощелевую разделку //Свароч. пр-во. — 1982. — № 7. — С. 21–23.
4. Белоус В. Ю. Сварка толстолистового титана с применением формирующей подкладки // Автомат. сварка. —2009. — № 10. — С. 40–42.
5. Ардентов В. В., Федоренко Г. А. О влиянии конструкций проточной части горелок на характеристики газовой защиты // Свароч. пр-во. — 1973. — № 10. — С. 24–26