Титан или аргон, что сильнее?!

Одним из наиболее эффективных металлов, используемых при производстве различной аэрокосмической техники, считается титан. Несмотря на его достаточную распространённость на Земле, в производственной практике используют больше титановые сплавы марок ВТ или ОТ. В отличие от довольно инертного в химическом смысле титана, эти сплавы при нагреве до высоких температур обнаруживают высокую химическую активность. Между тем сложность металлоконструкций и узлов из титановых сплавов часто требует применения сварочных операций. Вот тут-то на помощь производственникам и приходит аргон.

Роль аргона в процессах сварки титана и титановых сплавов

Вообще-то аргон, как инертный газ, впервые применили для сварки алюминия. И только потом было установлено, что неразъёмные соединения титановых сплавав в среде аргона не только отличаются повышенной прочностью (более, чем вдвое превышающей аналогичные показатели для алюминиевых сплавов), но и технологическими удобствами проведения процесса сварки дуговым разрядом.
Почему не удаётся использовать для этих же целей другой инертный газ, например, значительно более дешёвый азот? Причина – в особенностях термохимических реакций, протекающих в зоне сварного шва при плавлении титана. При температурах более 5000С азот взаимодействует с титаном, образуя нитриды. Они весьма сильно повышают прочность, но одновременно придают металлу и хрупкость, что особенно опасно для конструкций повышенной ответственности. Кроме того, избыточное количество нитридов резко ограничивает возможности пластического деформирования титановых сплавов. Поэтому аргон, не образующий химических соединений в процессе сварки – идеальный газ для образования неразъёмных соединений титана и его сплавов.

Технология сварки титановых сплавов с использованием аргона

Вследствие своей жидкотекучести при высоких температурах, титан может свариваться различными технологиями, среди которых:
1. Сварка под слоем флюса;
2. Сварка плавящимся и неплавящимся электродом в среде инертных газов (теперь мы уже знаем, почему для этих целей используется именно аргон).
3. Сварка электронным лучом.
4. Электрошлаковая сварка.

Практическая применимость всех вышеперечисленных способов различна. Например, сварку электронным лучом применяют лишь для особо точного соединения мелких титановых деталей (микросварка), поскольку необходимое технологическое оборудование весьма дорого, и требует высококачественной, тонкой настройки. Электрошлаковая сварка, наоборот, оставляет после себя грубые наплывы, которые приходится удалять преимущественно вручную. Поэтому получается, что сварка титана в аргоне – это оптимальный компромисс между точностью и сложностью используемого сварочного оборудования.

Сам металл перед сваркой проходит обработку фторидами натрия при повышенных до 50…600С температурах: этим исключается наличие посторонних поверхностных соединений, которые впоследствии повлияют на качество сварки.

Наиболее распространенными вариантами практической реализации сварки аргоном являются:
• Сварка с локальной защитой свариваемых поверхностей с помощью медных пластин, которые подкладываются с противоположной стороны будущего стыка. Пластины снабжаются канавками, по которым и производится подача аргона. Дл повышения производительности сварки сопло горелки может иметь эжекционное расширение;
• Сварка с применением жёсткой камеры, в которой размещаются электрод, горелка и прочая оснастка для сварки. Свариваемая конструкция (как правило, имеющая сложную форму), располагается в камере, куда под контролем и подаётся аргон;
• Дуговая сварка с использованием вольфрамового электрода. Материал электрода выбран не случайно: именно вольфрам препятствует образованию так называемых альфасодержащих слоёв на поверхности титана, которые впоследствии активно реагируют с кислородом, понижая качество сварного шва. Процесс отличается высокой технологической сложностью подготовки. В частности, проволока обязательно проходит предварительный вакуумный отжиг. Зато возможна сварка металла любой толщины, причём за один проход. Интересно, что при реализации рассматриваемого вариант аргон, как достаточно тяжёлый газ, весьма эффективно сжимает дугу, в результате чего поверхностная плотность тепловой мощности разряда становится очень высокой. Как следствие, трудоёмкость сварки снижается;
• Сварка неплавящимся электродом с применением, кроме аргона (иногда в смеси с гелием), ещё и фторсодержащих флюсов. Процесс отличается компактностью технологической оснастки. Однако, ввиду малой концентрации тепловой энергии, способ реализуется при получении преимущественно узких швов.

Сложности использования аргона при сварке титана и его сплавов

Для качественной сварки необходим аргон повышенной чистоты. Кроме того, потребуется активная защита зоны сварки от проникновения кислорода воздуха. При отсутствии гарантий приходится использовать дорогостоящие электроды, содержащие лантан и иттрий, что не добавляет процессу эффективности.

Надлежащее качество аргона обеспечивается следующими приёмами:
1. Введением в конструкцию сварочной установки мелкосетчатых фильтров из материалов высокой пористости, которые, разбивая монолитный поток инертного газа от источника, обеспечивают его ламинарность. При этом аргон полностью изолирует зону сваривания от внешних объёмов, обеспечивая тем самым желаемую однородность характеристик сварного шва.
2. Предварительной сушкой аргона. При наличии паров воды даже в незначительных концентрациях (около 0,0002%) процесс переноса металла из струйного превращается в капельный, что, во-первых, снижает и без того не очень высокую производительность сварки, а, во-вторых, способствует неравномерности механических показателей сварного шва.

Интересные факты применения аргона:

• При сварке больших конструкций используются герметизированные камеры объёмами до 350 дм3 и даже более; сварщики, работающие в таких камерах, напоминают космонавтов, поскольку одеты в специальные скафандры, и снабжены шлемами со светозащитными стёклами;
• Степень влажности аргона можно легко проверить, пропуская газ из баллона через слой фосфорного ангидрида: при переувлажнённом газе белый порошок быстро темнеет;
Аргон применяется не только для сварки, но и для лазерной резки металлов: как инертный газ, он препятствует оплавлению кромок, обеспечивая чистый и точный рез;
• При сварке труб аргон пропускают через их внутренний диаметр. В результате газ увеличивает поверхностное натяжение титана и увеличивает равномерность распределения металла по поверхности. Сварку можно вести в положении «на весу».

Компания DP «Air Gas» обеспечивает производство, хранение и транспортировку жидкого аргона особой чистоты по ДСТУ ГОСТ 10157-79, используя для этого специально оборудованные цистерны и ёмкости. Перечень продукции указан здесь.