Одним з найбільш ефективних металів, що використовуються при виробництві різної аерокосмічної техніки, вважається титан. Незважаючи на його достатню поширеність на Землі, у виробничій практиці використовують більше титанові сплави марок ВТ або ОТ. На відміну від досить інертного в хімічному сенсі титану ці сплави при нагріванні до високих температур виявляють високу хімічну активність. Тим часом складність металоконструкцій та вузлів із титанових сплавів часто вимагає застосування зварювальних операцій. Ось тут на допомогу виробничникам і приходить аргон.
Роль аргону в процесах зварювання титану та титанових сплавів
Взагалі аргон, як інертний газ, вперше застосували для зварювання алюмінію. І тільки потім було встановлено, що нероз’ємні з’єднання титанових сплавів у середовищі аргону не тільки відрізняються підвищеною міцністю (більше, ніж аналогічні показники, що вдвічі перевищують, для алюмінієвих сплавів), а й технологічними зручностями проведення процесу зварювання дуговим розрядом.
Чому не вдається використовувати для цих же цілей інший інертний газ, наприклад, значно дешевший азот? Причина – особливостях термохімічних реакцій, які у зоні зварного шва при плавленні титану. При температурах понад 5000С азот взаємодіє з титаном, утворюючи нітриди. Вони дуже сильно підвищують міцність, але одночасно надають металу та крихкості, що особливо небезпечно для конструкцій підвищеної відповідальності. Крім того, надмірна кількість нітридів різко обмежує можливості пластичного деформування титанових сплавів. Тому аргон, який не утворює хімічних сполук у процесі зварювання – ідеальний газ для утворення нероз’ємних сполук титану та його сплавів.
Технологія зварювання титанових сплавів за допомогою аргону
Внаслідок своєї рідинної плинності при високих температурах, титан може зварюватися різними технологіями, серед яких:
1. Зварювання під шаром флюсу;
2. Зварювання електродом, що плавиться і неплавиться, в середовищі інертних газів (тепер ми вже знаємо, чому для цих цілей використовується саме аргон).
3. Зварювання електронним променем.
4. Електрошлакове зварювання.
Практична застосовність всіх перерахованих вище способів різна. Наприклад, зварювання електронним променем застосовують лише для особливо точного з’єднання дрібних титанових деталей (мікрозварювання), оскільки необхідне технологічне обладнання дуже дороге, і вимагає високоякісного, тонкого налаштування. Електрошлакове зварювання, навпаки, залишає по собі грубі напливи, які доводиться видаляти переважно вручну. Тому виходить, що зварювання титану в аргоні – це оптимальний компроміс між точністю і складністю зварювального обладнання, що використовується.
Сам метал перед зварюванням проходить обробку фторидами натрію при підвищених до 50…600С температурах: цим виключається наявність сторонніх поверхневих з’єднань, які вплинуть на якість зварювання.
Найбільш поширеними варіантами практичної реалізації зварювання аргоном:
• Зварювання з локальним захистом поверхонь, що зварюються, за допомогою мідних пластин, які підкладаються з протилежного боку майбутнього стику. Пластини забезпечуються канавками, якими і проводиться подача аргону. Для підвищення продуктивності зварювання сопло пальника може мати ежекційне розширення;
• Зварювання із застосуванням жорсткої камери, в якій розміщуються електрод, пальник та інше оснащення для зварювання. Зварювана конструкція (як правило, що має складну форму), розташовується в камері, куди під контролем і подається аргон;
• Дугове зварювання за допомогою вольфрамового електрода. Матеріал електрода обраний невипадково: саме вольфрам перешкоджає утворенню про альфасодержащих шарів лежить на поверхні титану, які згодом активно реагують з киснем, знижуючи якість зварного шва. Процес відрізняється високою технологічною складністю підготовки. Зокрема дріт обов’язково проходить попередній вакуумний відпал. Зате можливе зварювання металу будь-якої товщини, причому за один прохід. Цікаво, що при реалізації аналізованого варіант аргон, як досить важкий газ, дуже ефективно стискає дугу, внаслідок чого поверхнева щільність теплової потужності розряду стає дуже високою. Як наслідок, трудомісткість зварювання знижується;
• Зварювання електродом із застосуванням, що не плавиться, крім аргону (іноді в суміші з гелієм), ще й фторвмісних флюсів. Процес відрізняється компактністю технологічного оснащення. Однак, зважаючи на малу концентрацію теплової енергії, спосіб реалізується при отриманні переважно вузьких швів.
Складності використання аргону при зварюванні титану та його сплавів
Для якісного зварювання необхідний аргон підвищеної чистоти. Крім того, потрібний активний захист зони зварювання від проникнення кисню повітря. За відсутності гарантій доводиться використовувати дорогі електроди, що містять лантан та ітрій, що не додає процесу ефективності.
Належна якість аргону забезпечується такими прийомами:
1. Введенням у конструкцію зварювальної установки дрібносітчастих фільтрів із матеріалів високої пористості, які, розбиваючи монолітний потік інертного газу від джерела, забезпечують його ламінарність. При цьому аргон повністю ізолює зону зварювання від зовнішніх об’ємів, забезпечуючи цим бажану однорідність характеристик зварного шва.
2. Попереднім сушінням аргону. За наявності парів води навіть у незначних концентраціях (близько 0,0002%) процес перенесення металу з струминного перетворюється на краплинний, що, по-перше, знижує і без того не дуже високу продуктивність зварювання, а по-друге, сприяє нерівномірності механічних показників зварного шва.
Цікаві факти застосування аргону:
• При зварюванні великих конструкцій використовуються герметизовані камери об’ємами до 350 дм3 і більше; зварювальники, що працюють у таких камерах, нагадують космонавтів, оскільки одягнені у спеціальні скафандри, та забезпечені шоломами зі світлозахисними стеклами;
• Ступінь вологості аргону можна легко перевірити, пропускаючи газ із балона через шар фосфорного ангідриду: при перезволоженому газі білий порошок швидко темніє;
• Аргон застосовується не тільки для зварювання, але й для лазерного різання металів: як інертний газ, він перешкоджає оплавленню кромок, забезпечуючи чистий та точний різ;
• При зварюванні труб аргон пропускають через їх внутрішній діаметр. В результаті газ збільшує поверхневий натяг титану та збільшує рівномірність розподілу металу по поверхні. Зварювання можна вести у положенні “на вазі”.
Компанія DP «Air Gas» забезпечує виробництво, зберігання та транспортування рідкого аргону особливої чистоти ДСТУ ГОСТ 10157-79, використовуючи для цього спеціально обладнані цистерни та ємності. Перелік продукції вказано тут.
