Оба сплава хорошо свариваются методом TIG, но сварка титана 2-го и 5-го классов требует разного усилия. Титан 2-го класса, полученный из промышленных источников, легко сваривается, имеет широкий технологический диапазон и высокую устойчивость к загрязнениям. Сварка титана 5-го класса (Ti-6Al-4V) возможна только при строгом контроле подводимой температуры, тщательной инертной защите и, как правило, последующей термообработке.
Руководитель отдела технического обслуживания химического завода на собственном горьком опыте убедился в этой разнице. Он запросил коллектор для морской воды 5-го класса прочности, потому что в спецификации материала было указано «более прочный сплав», а затем наблюдал, как его сварочная бригада мучилась с контролем цвета, доработками и треснувшим образцом, не прошедшим испытание на изгиб. Когда инженеры переназначили коллектор на 2-й класс прочности с присадочным материалом ERTi-2, сварные швы получились серебристыми с первого прохода, и коллектор работает уже три года без сбоев.
В этом руководстве мы подробно разберем сварку титана марок 2 и 5 : какая марка сваривается легче и почему, какой присадочный металл следует использовать, как защищать и сваривать каждую марку, как сваривать их друг с другом и как проверять готовый шов. После завершения работы вы будете точно знать, что должно включать в себя ваша процедура сварки.
Основные выводы
- Сварка стали марки Grade 2 намного проще, чем сварка стали марки Grade 5. Это однофазный альфа-титан с более широким сварочным окном, удлинением примерно на 20% и примерно в 2-3 раза большей теплопроводностью, поэтому он выдерживает большие колебания температуры и воздействия защитных веществ.
- Сплав марки 5 (Ti-6Al-4V) свариваем, но требует тщательной защиты от газов, контролируемого подвода тепла, температуры между проходами сварки около 150-200°C и, как правило, последующей термообработки для восстановления пластичности.
- Подберите присадочный материал в соответствии с основным металлом: ERTi-2 для стали марки 2 и ERTi-5 для стали марки 5. Для сварки стали марки 2 с металлом марки 5 используйте присадочный материал ERTi-2, начиная с менее прочной стороны.
- Титан реагирует с воздухом при температуре выше примерно 426°C (800°F), поэтому для каждой сварки необходима защита горелки, дополнительный защитный экран и продувка обратной стороны высокочистым аргоном (99.995% или выше).
- Цвет сварного шва — это показатель качества. Ярко-серебристый или светло-соломенный означает надлежащую защиту; синий, фиолетовый, серый или белый — загрязнение и необходимость доработки.
Вы умеете сваривать титан марок 2 и 5?
Да. Титан марок 2 и 5 свариваем, и их можно сваривать друг с другом как разнородные металлы. Различия заключаются в сложности и контроле процесса, а не в возможности соединения материалов.
- Сварные швы класса 2 легко поддаются сварке. Коммерчески чистый (CP) титан — наиболее неприхотливый сорт в этом семействе, поэтому он доминирует в сварке изделий химической, морской и теплообменной промышленности.
- Сварные швы 5-го класса с более строгим контролем. Сплав Ti-6Al-4V позволяет получать прочные сварные швы, но только при строгом соблюдении технологической процедуры.
- Доказано наличие разнородных соединений 2-5 степени тяжести. Производители аэрокосмической техники соединяют обшивку класса 2 со стрингерами класса 5 в виде заготовок, изготовленных по индивидуальному заказу, с использованием электронно-лучевой, лазерной и контактной точечной сварки, а также сваривают эту комбинацию методом TIG с присадочным материалом ERTi-2.
Распространенное заблуждение гласит: «Титан нельзя сваривать». На самом деле все наоборот. Титан сваривается очень чисто, если защищен от воздуха. Неисправности возникают из-за загрязнения, а не из-за сварочной дуги. При правильном контроле защиты оба металла ведут себя предсказуемо.
Почему при сварке титана необходима защита
Титан — чрезвычайно активный металл при температуре выше примерно 426°C (800°F). Он реагирует с кислородом, азотом и водородом из атмосферы, и эти реакции разрушают сварной шов.
Наиболее разрушительным продуктом является альфа-коррозия. Кислород является мощным альфа-стабилизатором, и когда горячий титан поглощает его, образуется твердый, хрупкий поверхностный слой, называемый альфа-коррозией. Альфа-коррозия обладает низкой пластичностью и низкой вязкостью разрушения, и она может стать причиной образования усталостных трещин в сварном шве, который в остальном выглядит исправным. Кислород может поглощаться при температуре выше примерно 250°C, водород — выше 400°C, а азот — выше 600°C, поэтому загрязнение начинается значительно ниже температуры сварки.
Эти поглощенные междоузлия искажают кристаллическую решетку титана. Они повышают твердость и прочность, но разрушают пластичность и ударную вязкость. Водород также может образовывать хрупкие пластинки гидрида титана. По этим причинам сварку титана выполняют в полностью инертной атмосфере, и сварной шов должен оставаться защищенным до тех пор, пока температура не опустится ниже примерно 425°C.
Кроме того, титану требуется меньше тепла, чем стали. Сварка производится «при максимально низкой температуре», что делает защитную сварку еще более важной, поскольку погрешность минимальна. Для более подробного ознакомления с поведением титана в различных марках, см. нашу таблицу марок титана и руководства по свойствам титана .
Сравнение свариваемости титана 2-го и 5-го классов
В таблице ниже приведено сравнение двух марок стали при сварке. Все остальное в этой статье определяется физическими различиями.
| Фактор сварки | Марка 2 (CP Ti, R50400) | Марка 5 (Ti-6Al-4V, R56400) |
|---|---|---|
| Тип класса | Коммерчески чистый (альфа) | Альфа-бета сплав (6% Al, 4% V) |
| Относительная свариваемость | Отличное, широкое окно | Надлежащий, строгий контроль производственных процессов. |
| Типичный наполнитель (AWS A5.16) | ERTi-2 (UNS R50120) | ERTi-5 (UNS R56400) |
| относительное удлинение | ~ 20% | ~10-14% |
| Теплопроводность | 15-22 Вт/м·К | 6.5-7.2 Вт/м·К |
| Концентрация тепла в зоне сварного шва | Низкий уровень (быстро распространяется) | Высокая концентрация |
| Устойчивость к загрязнению | Высокая | Низкая |
| Термическая обработка после сварки | Обычно не требуется | Обычно требуется для ответственных или подверженных усталостным нагрузкам сварных швов. |
| Типичные области применения сварных соединений | Химическая обработка, морская вода, теплообменники | Аэрокосмические, несущие и циклические компоненты |
Почему сварка стали 2-го класса проще?
Титан марки 2 — это коммерчески чистый титан, по сути, однофазный альфа-диоксид с содержанием титана около 99%. Его прочность определяется интерстициальным кислородом, а не легирующими элементами, поэтому при охлаждении в сварном шве не образуются продукты превращения в бета-фазу.
Эта простота наделяет сталь марки Grade 2 двумя практическими преимуществами. Во-первых, её более высокая пластичность, около 20% удлинения, позволяет ей поглощать усадочные напряжения охлаждающего сварного шва без образования трещин. Во-вторых, её теплопроводность, около 15-22 Вт/м·К, отводит тепло от шва, благодаря чему расплавленная ванна и зона термического воздействия остаются меньше и менее концентрированными.
В результате получается широкий диапазон параметров сварки. Небольшие колебания силы тока, скорости перемещения или защитного покрытия недопустимы. Именно поэтому трубы и трубопроводы класса 2 свариваются непосредственно на объектах химической промышленности и опреснения воды, часто с использованием портативного оборудования для TIG-сварки. Наше руководство по титану класса 2 охватывает все свойства материала и области его применения.
Почему для стали марки 5 (Ti-6Al-4V) требуется более строгий контроль?
Сплав марки 5 представляет собой альфа-бета-сплав, упрочненный примерно 6% алюминия и 4% ванадия. Такой химический состав обеспечивает примерно в три раза большую прочность, чем у сплава марки 2, но при этом изменяет свойства сварного шва.
При охлаждении в зоне сварки альфа-бета-сплава могут образовываться более твердые, менее пластичные микроструктуры. Кроме того, сплав марки 5 проводит тепло лишь на уровне 6.5-7.2 Вт/м·К, что составляет треть от показателя сплава марки 2, поэтому тепло концентрируется в шве. Такая концентрация повышает риск перегрева, роста зерен и загрязнения именно в той области, которую труднее всего защитить.
По этим причинам сварка стали марки 5 требует тщательного контроля процесса: чистые поверхности, высокочистая защитная пленка, дисциплинированный подвод тепла, температура между проходами около 150-200°C и часто термообработка после сварки. Сам сварочный металл имеет меньшую пластичность, чем основной металл, поэтому термообработка после сварки часто применяется. Если ваша конструкция ограничена прочностью или усталостью, руководство по титану марки 5 и наше сравнение прочности стали марки 5 и марки 2 объяснят, когда дополнительные сложности оправданы.
Выбор присадочного металла: ERTi-2 против ERTi-5
Выбор присадочного материала начинается с одного правила: подберите присадочный материал, соответствующий основному металлу, чтобы химический состав сварного шва оставался неизменным. Стандартные комбинации в соответствии с AWS A5.16 просты.
| Основной металл | Соответствующий наполнитель (AWS A5.16) | Типичное обслуживание |
|---|---|---|
| Титан марки 2 (CP) | ERTi-2 (UNS R50120) | Изделия, предназначенные для работы в условиях коррозии, химической промышленности и судостроения. |
| 5 класс (Ти-6Ал-4В) | ERTi-5 (UNS R56400) | Высокопрочные конструкционные и аэрокосмические сварные швы |
| 2-5 классы (различаются) | ERTi-2 (правило более слабой стороны) | Сварные и переходные соединения, выполненные по индивидуальному заказу. |
ERTi-2 — это высокочистый присадочный материал для катодной защиты с жесткими межкристаллитными границами. Он обладает хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью и доступной ценой, что делает его основным присадочным материалом для сварных соединений коррозионно-стойкого оборудования.
Сплав ERTi-5 имеет химический состав, включающий около 5.5-6.75% алюминия и около 3.5-4.5% ванадия. Он является стандартом для высокопрочных конструкционных сварных швов и несколько более чувствителен к процессу сварки, поэтому требует такой же дисциплины в технологическом процессе, как и основной металл.
Правило «слабой стороны» для сварных швов из разнородных материалов
При сварке стали марки 2 с сталью марки 5 прочность соединения определяется прочностью более слабого материала, то есть стали марки 2. На практике рекомендуется использовать присадочный материал ERTi-2 вместо ERTi-5, ориентируясь на более слабую сторону. Использование более прочного присадочного материала не делает соединение, ограниченное прочностью стали марки 2, а также увеличивает стоимость и повышает чувствительность сварки.
Это не теория. Производители аэрокосмической техники соединяют обшивку из стали класса 2 со стрингерами из стали класса 5 для получения сварных заготовок, сочетающих формуемость стали класса 2 с прочностью стали класса 5. Для таких соединений были сертифицированы как электронно-лучевая, так и волоконно-лазерная сварка. Если вы соединяете два класса стали, уточните процедуру у производителя материала и сертифицируйте ее в соответствии со стандартами AWS D17.1 или ISO 15614-5 до начала производства.
TIG-сварка титана: параметры и настройка защиты.
Газодуговая сварка вольфрамовым электродом (TIG) — это стандартный процесс для сварки титана. В большинстве случаев при сварке титана используется постоянный ток с отрицательной полярностью электрода (DCEN) и высокочастотным зажиганием, газовая линза для обеспечения плавного потока газа, а также чашка большего диаметра, чем та, которая используется для сварки стали.
Защита: факел, проводящая продувка и задняя продувка.
Для защиты титана необходима трехслойная стратегия экранирования, поскольку металл остается реактивным до тех пор, пока его температура не опустится ниже примерно 425°C.
- Защита от пламени горелки. Высокочистый аргон с чистотой не менее 99.995% (аргон 4.6), при этом 99.999% (аргон 5.0) идеально подходит для ответственных работ. Типичный расход газа в горелке составляет 15-20 кубических футов в час.
- Задний щит. Сварочный шов за горелкой остается горячим и уязвимым. Защитный экран, расположенный сзади горелки, обеспечивает аргоновое покрытие на несколько сантиметров позади горелки, защищая остывающий металл.
- Обратная продувка. Корень сварного шва окисляется снизу, если его не защитить. Для труб и трубопроводов следует продуть внутреннюю поверхность аргоном, а в ответственных областях применения поддерживать содержание кислорода ниже 20 ppm до полного охлаждения соединения.
После остановки дуги продолжайте подачу газа не менее 10 секунд, чтобы горячий металл никогда не соприкасался с воздухом. Загрязнение легко вызвать и трудно обнаружить. Масло, отпечатки пальцев, грязная присадочная проволока, резиновые газовые шланги, впитавшие влагу, и инструменты, которые когда-либо соприкасались с углеродистой сталью, — все это может привести к дефектам. Используйте только специальные обезжиренные инструменты и проволоку для работы с титаном.
Сила тока и межступенчатая температура
Сварка титана происходит при низкой температуре. В качестве вводного руководства по ручной TIG-сварке тонкого листа:
| Толщина материала | Приблизительная сила тока |
|---|---|
| 1.5 мм | 40-70 |
| 3.0 мм | 90-130 |
| 6.0 мм | 160-220 |
Для контроля роста зерен в зоне термического воздействия поддерживайте температуру между проходами на уровне 150-200°C или ниже. Если вы изготавливаете сварное титановое оборудование для работы в условиях коррозии и хотите сравнить его с обрабатываемыми нами марками нержавеющей стали, наша команда специалистов по обработке может помочь вам оценить альтернативные варианты.
Контроль цвета сварного шва: что говорит вам ваш сварной шов?
Цвет сварного шва — это самый быстрый способ проверки качества титана. Цвет проявляется в тех местах, где металл подвергался воздействию температуры выше примерно 450°C, поэтому он показывает, защитное покрытие предотвратило повреждение сварного шва в течение всего цикла охлаждения.
| Цвет сварного шва | Смысл | Экшн |
|---|---|---|
| Яркий | Надлежащее экранирование | Принять |
| Светло-соломенный / светло-золотистый | Незначительное загрязнение | Обычно приемлемо |
| Светло-синий | Некоторое загрязнение | Проведите оценку; часто это приемлемо в некритических условиях обслуживания. |
| Темно-синий/фиолетовый | Загрязнение кислородом или азотом | Переделать или удалить |
| Серый/белый порошкообразный | Сильное заражение, случай альфа-инфекции | Снять и приварить заново. |
Если на сварном шве виден темно-синий, фиолетовый, серый или белый цвет, значит, защитная среда нарушена, и металл стал хрупким. Зачистите или обработайте поврежденный участок и выполните повторную сварку с правильным газовым покрытием. Серебристый или соломенный цвет на контрольном проходе подтверждает правильность настройки защитной среды перед началом серийной сварки.
Термообработка после сварки: когда это необходимо для стали 5-го класса прочности.
Термическая обработка после сварки (PWHT) – это то, где на практике наиболее существенные различия между марками стали 2 и 5.
Для коррозионной стойкости стали марки 2 обычно не требуется термическая обработка после сварки. Сварной шов охлаждается до пластичной альфа-структуры, а благодаря своей неприхотливости, большинство изделий после сварки сразу отправляются в эксплуатацию или на гидроиспытания.
Сплав 5-го класса отличается. Зона сварки Ti-6Al-4V охлаждается до более твердой и менее пластичной структуры, чем основной металл, а остаточные напряжения от сварки могут сделать критически важные или подверженные усталостным нагрузкам соединения уязвимыми для растрескивания. Снятие напряжений или отжиг после сварки восстанавливают пластичность, снимают остаточные напряжения и улучшают усталостную прочность. По этой причине процедуры сварки сплавов 5-го класса для несущих компонентов почти всегда включают термическую обработку после сварки.
Один знакомый нам цех убедился в этом на собственном опыте, когда во время испытаний на прочность у партии кронштейнов из сплава Ti-6Al-4V образовались трещины в сварном шве. Сварные швы выглядели чистыми и серебристыми, но цех пропустил термическую обработку после сварки, чтобы сэкономить день. Повторный отжиг снял остаточные напряжения и восстановил пластичность, и повторно испытанные кронштейны прошли проверку. Урок усвоен: при использовании стали класса 5 дополнительные этапы не являются необязательными.
Сварные конструкции: преимущества каждого класса
Марка стали, которую вы выбираете для сварного соединения, должна соответствовать типу разрушения, на который вы ориентируетесь при проектировании.
- Для защиты сварных швов от коррозии выбирайте марку 2. Для изготовления изделий из стали класса 2 используются трубы для химической обработки, опреснения воды, судовые трубопроводы и теплообменники, поскольку они легко свариваются, устойчивы к коррозии и могут быть отремонтированы на месте. Благодаря свариваемости, их изготовление обходится недорого.
- Для обеспечения прочности сварных швов и устойчивости к усталости выбирайте марку 5. Для аэрокосмических конструкций, кронштейнов, работающих в условиях высоких нагрузок, и компонентов, подвергающихся циклической нагрузке, более строгие требования к сварке сплавом Grade 5 оправданы, поскольку этот сплав обладает примерно в три раза большей прочностью при аналогичной плотности.
Прежде чем принимать решение о сварке, сравните стоимость двух марок материалов , поскольку цена материала и простота изготовления часто определяют выбор марки одновременно.
Если ваша область применения подвержена коррозии, и вы рассматриваете титан в сравнении с более экономичными сварными материалами, распространенной альтернативой является нержавеющая сталь 316L. Компания DAPU поставляет изделия и трубы из нержавеющей стали 316 , которые подходят для большинства задач по транспортировке жидкостей с использованием сварных конструкций, при этом стоимость таких изделий значительно ниже, чем у титана.
Не уверены, нужен ли вашему сварному соединению титан? Наша команда технических консультантов поможет инженерам сравнить марки и материалы с учетом реальных условий эксплуатации, а не только с каталогом.
Часто задаваемые вопросы
Вы умеете сваривать титан марок от 2 до 5?
Да. Титан марок 2 и 5 можно сваривать вместе как разнородные металлы. Для TIG-сварки используйте присадочный материал ERTi-2 и следуйте по более слабой стороне, поскольку прочность соединения не превышает прочность титана марки 2. Производители аэрокосмической техники также соединяют два типа титана методом электронно-лучевой и лазерной сварки для получения заготовок, изготовленных по индивидуальным требованиям.
Какой сорт титана легче всего сваривать?
Титан марки 2 — самый простой в сварке. Это однофазный коммерчески чистый титан с более широким сварочным окном, более высокой пластичностью и примерно в 2-3 раза большей теплопроводностью, чем титан марки 5. Он выдерживает большие колебания подводимой температуры и защиты, чем сплав.
Трудно ли сваривать титан?
Сварка титана не представляет такой сложности, как сварка стали. Он реагирует с кислородом, азотом и водородом при температуре выше примерно 426°C, поэтому требует полной инертной защиты с использованием защитного экрана горелки, дополнительного защитного экрана и обратной продувки. При правильной защите титан сваривается чисто.
Какой присадочный металл вы используете для сварки титана?
Используйте присадочный материал, соответствующий основному металлу: ERTi-2 (AWS A5.16) для стали класса 2 и ERTi-5 для стали класса 5. Для соединения разнородных сталей класса 2 и 5 используйте ERTi-2 и следуйте по более слабой стороне, поскольку прочность сварного шва зависит от прочности основного металла стали класса 2.
Ослабляет ли сварка титан марки 5?
Сварка снижает пластичность в зоне сварного шва класса 5, а структура после сварки становится тверже и менее прочной, чем основной металл. Послесварочная термообработка восстанавливает пластичность, снимает остаточные напряжения и улучшает усталостную прочность, поэтому она рекомендуется для ответственных сварных швов класса 5.
Требуется ли термообработка титана марки Grade 5 после сварки?
Для сварных швов класса 5 обычно требуется термическая обработка после сварки (PWHT), поскольку зона сварки охлаждается до более твердой, менее пластичной структуры с остаточными напряжениями. Для сварных швов класса 2, как правило, термическая обработка после сварки не требуется, поскольку они подвержены коррозии.
Какой защитный газ необходим для TIG-сварки титана?
Используйте аргон высокой чистоты, не менее 99.995%, а в идеале 99.999%. Для сварки титана необходима защита горелки, дополнительный защитный экран за сварным швом и обратная продувка корня шва, при этом подача газа должна продолжаться до тех пор, пока металл не остынет примерно до 425°C.
Почему титановый сварной шов приобретает синий цвет?
Синий, фиолетовый или серый цвет сварного шва означает, что защитное покрытие не сработало, и раскаленный металл поглотил кислород или азот. Яркий серебристый или светло-соломенный цвет указывает на надлежащее защитное покрытие. Темно-синие, фиолетовые, серые или белые загрязнения необходимо удалить, и сварной шов следует переделать.
Сварка стали 2-го класса отличается от сварки стали 5-го класса?
Схема защиты одинакова, но контроль отличается. Класс 2 обеспечивает более широкий диапазон температур с большей устойчивостью к колебаниям температуры и защиты. Класс 5 требует более низкого контроля температуры между проходами, более строгой защиты и, как правило, термообработки после сварки.
Может ли нержавеющая сталь заменить сварной титан в условиях воздействия коррозионных сред?
Часто да. В условиях воздействия хлора и химических веществ, где высокая стоимость титана трудно оправдать, нержавеющая сталь 316L сваривается гораздо легче и стоит намного дешевле. Там, где титан выбирается из-за веса, усталостной прочности или устойчивости к определенным средам, ни один сорт нержавеющей стали не может полностью его заменить.
Заключение
Разница между сваркой титана марок 2 и 5 сводится к контролю, а не к навыкам. Обе марки свариваются, но сталь марки 2 более щадящая и удобна в полевых условиях, в то время как сталь марки 5 обеспечивает высокую прочность только при строгой защите, дисциплинированном подводе тепла и, как правило, последующей термообработке.
Практический вывод прост. Используйте сталь марки 2 с присадочным материалом ERTi-2, когда коррозионная стойкость, формуемость и простота изготовления определяют конструкцию. Используйте сталь марки 5 с присадочным материалом ERTi-5 и квалифицированной процедурой термической обработки после сварки, когда прочность и усталостная долговечность оправдывают дополнительные усилия. При сварке двух материалов следует использовать более слабую сторону и присадочный материал ERTi-2.
Для получения помощи в выборе подходящего материала и метода сварки для вашего проекта, обратитесь в компанию LIANYUNGANG DAPU METAL за консультацией по выбору материалов или запросите ценовое предложение.
