Обидва класи добре зварюються TIG, але зварювання титану 2-го та 5-го класів не є однаковим за зусиллями. Комерційно чистий титан 2-го класу зварюється легко, з широким технологічним вікном та високою стійкістю до забруднення. Зварювання 5-го класу (Ti-6Al-4V) здійснюється лише за умови суворого контролю підведення тепла, ретельного інертного захисту та, зазвичай, післятермічної обробки після зварювання.
Керівник технічного обслуговування хімічного заводу зрозумів цю різницю на власному гіркому досвіді. Він оцінив колектор для морської води 5-го класу, оскільки в аркуші матеріалу було зазначено «міцніший сплав», а потім спостерігав, як його зварювальна бригада боролася з контролем кольору, переробкою та тріснутим купоном, який не пройшов випробування на вигин. Коли інженери переосмислили специфікацію лінії 2-го класу з використанням наповнювача ERTi-2, зварні шви вийшли сріблястими з першого проходу, і колектор працює без збоїв уже три роки.
У цьому посібнику ми повністю розглянемо зварювання титану 2-го та 5-го класів : який клас зварюється легше і чому, який присадний метал вибрати, як захистити та зварювати кожен клас, як зварювати їх один з одним і як перевірити готовий зварний шов. Ви точно знатимете, що має включати ваша процедура зварювання.
Ключові винесення
- Титан 2-го класу зварюється набагато легше, ніж 5-го. Це однофазний альфа-титан із ширшим вікном зварювання, подовженням приблизно на 20% та приблизно в 2-3 рази більшою теплопровідністю, тому він переносить більше коливань температури та екранування.
- Сплав 5-го класу (Ti-6Al-4V) зварюється добре, але вимогливий до обробки. Він потребує ретельного газового захисту, контрольованого підведення тепла, міжшарових температур близько 150-200°C та, як правило, післязварювальної термічної обробки для відновлення пластичності.
- Підберіть присадку до основного металу: ERTi-2 для 2-го класу та ERTi-5 для 5-го класу. Щоб зварювати сталь з 2-го до 5-го класу, використовуйте ERTi-2 зі слабкішої сторони.
- Титан реагує з повітрям за температури вище приблизно 426°C (800°F), тому кожен зварний шов потребує захисту пальника, заднього екрану та зворотної продувки аргоном високої чистоти (99.995% або вище).
- Колір зварного шва є перевіркою якості. Від яскраво-сріблястого до світло-солом'яного означає належне екранування; синій, фіолетовий, сірий або білий означають забруднення та необхідність повторної обробки.
Чи можна зварювати титан 2-го та 5-го класів?
Так. Титан 2-го та 5-го класів зварюваний, і їх можна зварювати один з одним як різні марки. Різниця полягає в складності та контролі процесу, а не в тому, чи можна з'єднувати матеріал.
- Легко зварюється 2-го класу. Комерційно чистий (CP) титан є найбезпечнішим сортом у родині, тому він домінує у виробництві зварних хімічних виробів, морських виробів та теплообмінників.
- Зварні шви 5-го класу з більш суворим контролем. Ti-6Al-4V створює міцні зварні шви, але лише за умови щільного дотримання процедури.
- Перевірено наявність різнорідних суглобів 2-5 ступеня. Виробники аерокосмічної промисловості з'єднують обшивку 2-го класу зі стрингерами 5-го класу у вигляді зварних заготовок за допомогою електронно-променевого, лазерного та контактного точкового зварювання, а цю комбінацію також можна зварювати методом TIG з присадним матеріалом ERTi-2.
Поширений міф стверджує, що «титан не можна зварювати». Правда навпаки. Титан зварюється дуже чисто, коли він захищений від повітря. Поломки виникають через забруднення, а не через дугу. Як тільки ви контролюєте екранування, обидва марки поводяться передбачувано.
Чому зварювання титану вимагає екранування
Титан — надзвичайно активний метал за температури вище приблизно 426°C (800°F). Він реагує з киснем, азотом та воднем з атмосфери, і ці реакції руйнують зварний шов.
Найбільш шкідливим продуктом є альфа-капсула. Кисень є потужним альфа-стабілізатором, і коли гарячий титан поглинає його, утворюється твердий, крихкий поверхневий шар, який називається альфа-капсула. Альфа-капсула має низьку пластичність і низьку в'язкість до руйнування, і вона може призвести до появи втомних тріщин у зварному шві, який в іншому виглядає добре. Кисень може поглинатися за температури вище приблизно 250°C, водень - вище приблизно 400°C, а азот - вище приблизно 600°C, тому забруднення починається значно нижче температури зварювання.
Ці поглинені проміжні частинки спотворюють кристалічну решітку титану. Вони підвищують твердість і міцність, водночас руйнуючи пластичність і в'язкість. Водень також може утворювати крихкі пластинки гідриду титану. З цих причин титанові зварні шви виконують у повністю інертній атмосфері, і зварний шов повинен залишатися захищеним, поки не охолоне нижче приблизно 425°C.
Титан також потребує менше тепла, ніж сталь. Ви зварюєте його «якомога холодніше», що робить роботу з екранування ще важливішою, оскільки є невеликий запас на похибку. Щоб отримати ширший огляд поведінки титану в усьому сімействі марок, перегляньте нашу таблицю марок титану та посібники з властивостей титану.
Титан 2-го та 5-го класів: порівняння зварюваності
У таблиці нижче підсумовано порівняння цих двох марок металу для зварювання. Фізичні відмінності визначають всю іншу інформацію в цій статті.
| Коефіцієнт зварювання | 2-й клас (CP Ti, R50400) | 5-й клас (Ti-6Al-4V, R56400) |
|---|---|---|
| Тип оцінки | Комерційно чистий (альфа) | Альфа-бета сплав (6% Al, 4% V) |
| Відносна зварюваність | Чудове, широке вікно | Хороший, суворий контроль процесу |
| Типовий наповнювач (AWS A5.16) | ERTi-2 (UNS R50120) | ERTi-5 (UNS R56400) |
| Подовження | ~ 20% | ~10-14% |
| Теплопровідність | 15-22 Вт/м·К | 6.5-7.2 Вт/м·К |
| Концентрація тепла в зоні зварювання | Низький (швидко поширюється) | Високий (концентрати) |
| Толерантність до забруднення | Вищий | Опустіть |
| Термообробка після зварювання | Зазвичай не потрібно | Зазвичай потрібно для критичних або навантажених втомою зварних швів |
| Типові зварні застосування | Хімічна обробка, морська вода, теплообмінники | Аерокосмічні, несучі та циклічні компоненти |
Чому 2-й клас легший для зварювання
Титан 2-го класу — це комерційно чистий титан, по суті однофазний альфа-титан з приблизно 99% вмістом титану. Його міцність визначається проміжним киснем, а не легуючими елементами, тому при охолодженні в зварному шві не утворюються продукти бета-фазового перетворення.
Така простота дає сплаву Grade 2 дві практичні переваги. По-перше, його вища пластичність, видовження близько 20%, поглинає усадочні напруження від охолодження зварного шва без розтріскування. По-друге, його теплопровідність, близько 15-22 Вт/м·K, відводить тепло від з'єднання, тому розплавлена ванна та зона термічного впливу залишаються меншими та менш концентрованими.
Результатом є широкий діапазон зварювання. Невеликі коливання сили струму, швидкості руху або екранування допускаються. Саме тому трубопроводи та трубопроводи 2-го класу зварювання здійснюють у польових умовах на хімічних та опріснювальних об'єктах, часто за допомогою портативного обладнання TIG. Наш посібник з титану 2-го класу охоплює повну картину властивостей та застосування матеріалу.
Чому 5-й клас (Ti-6Al-4V) вимагає суворішого контролю
5-й клас – це альфа-бета-сплав, зміцнений приблизно 6% алюмінію та 4% ванадію. Цей хімічний склад забезпечує приблизно втричі більшу міцність, ніж 2-й клас, але призводить до іншої поведінки зварного шва.
При охолодженні зона зварювання альфа-бета-сплаву може утворювати твердіші, менш пластичні мікроструктури. 5-й клас також проводить тепло лише близько 6.5-7.2 Вт/м·K, що становить третину від значення 2-го класу, тому тепло залишається зосередженим у з'єднанні. Така концентрація підвищує ризик перегріву, росту зерен та забруднення саме в тій ділянці, яку найважче захистити.
З цих причин зварювання 5-го класу вимагає ретельного контролю процесу: чисті поверхні, високочисте екранування, дисциплінований підвід тепла, міжпрохідні температури близько 150-200°C і часто післязварювальна термічна обробка. Сам метал шва має нижчу пластичність, ніж основний метал, тому зазвичай рекомендується PWHT (термообробка після зварювання). Якщо ваша конструкція обмежена міцністю або втомою, посібник з титану 5-го класу та наше порівняння міцності 5-го та 2-го класів пояснюють, коли додаткові складнощі того варті.
Вибір наповнювача: ERTi-2 проти ERTi-5
Вибір наповнювача спочатку дотримується одного правила: наповнювач має відповідати основному металу, щоб хімічний склад зварного шва залишався незмінним. Стандартні комбінації згідно з AWS A5.16 прості.
| Основний метал | Відповідний наповнювач (AWS A5.16) | Типовий сервіс |
|---|---|---|
| 2-й клас (титан CP) | ERTi-2 (UNS R50120) | Послуги з антикорозійного захисту, хімічне та морське виробництво |
| 5 клас (Ti-6Al-4V) | ERTi-5 (UNS R56400) | Високоміцні конструкційні та аерокосмічні зварні шви |
| Від 2 до 5 класу (різні) | ERTi-2 (правило слабшої сторони) | Зварні та перехідні з'єднання |
ERTi-2 – це високочистий наповнювач CP з вузькими межами проміжків. Він пропонує добру зварюваність, корозійну стійкість та вартість, що робить його робочим наповнювачем для зварного антикорозійного обладнання.
ERTi-5 має той самий хімічний склад сплаву, де алюміній містить близько 5.5-6.75% та ванадій приблизно 3.5-4.5%. Він є стандартом для високоміцних конструкційних зварних швів і трохи чутливіший під час зварювання, тому вимагає такої ж дисципліни процесу, як і основний метал.
Правило слабкішої сторони для різнорідних зварних швів
Під час зварювання з 2-го по 5-й клас міцність з'єднання залежить від міцності слабшого матеріалу, тобто 2-го класу. Практична рекомендація полягає в тому, щоб використовувати слабший матеріал та наповнювач ERTi-2, а не ERTi-5. Використання міцнішого наповнювача не робить з'єднання, обмежене міцністю 2-го класу, але збільшує вартість та чутливість.
Це не теорія. Виробники аерокосмічної галузі поєднують обшивку 2-го класу зі стрингерами 5-го класу для виготовлення зварних заготовок на замовлення, поєднуючи формуваність 2-го класу з міцністю 5-го класу. Для цих з'єднань кваліфіковано як електронно-променеве, так і волоконно-лазерне зварювання. Якщо ви з'єднуєте два класи, узгодьте процедуру з виробником матеріалу та кваліфікуйте її відповідно до AWS D17.1 або ISO 15614-5 перед початком виробництва.
TIG-зварювання титану: параметри та налаштування екранування
Газове дугове зварювання вольфрамовим електродом, або TIG, є стандартним процесом для титану. Більшість зварювання титану використовує електрод постійного струму з негативною полярністю (DCEN) з високочастотним запуском, газову лінзу для плавного потоку газу та більший чашечний елемент, ніж той, який використовується для сталі.
Екранування: пальник, плавуче випромінювання та зворотне продування
Титан потребує тришарової стратегії екранування, оскільки метал залишається реактивним, поки не охолоне нижче приблизно 425°C.
- Захист факела. Високочистий аргон з щільністю не менше 99.995% (аргон 4.6) та щільністю 99.999% (аргон 5.0), що ідеально підходить для критично важливих робіт. Типовий потік пальника становить 15-20 кубічних футів на годину.
- Задній щит. Зварний шов позаду пальника залишається гарячим і вразливим. Задній екран розширює покриття аргоном на кілька дюймів позаду пальника, захищаючи метал, що охолоджується.
- Зворотне продування. Корінь зварного шва окислюється знизу, якщо його не захистити. Для труб та трубопроводів продуйте внутрішню частину аргоном, а для критичних застосувань підтримуйте рівень кисню нижче 20 ppm, доки з'єднання не охолоне.
Після зупинки дуги продовжуйте подачу газу ще щонайменше 10 секунд, щоб гарячий метал ніколи не піддавався контакту з повітрям. Забруднення легко спричинити, але важко помітити. Масло, відбитки пальців, брудний присадний дріт, гумові газові шланги, що поглинали вологу, та інструменти, які коли-небудь торкалися вуглецевої сталі, можуть призвести до дефектів. Використовуйте спеціальні, знежирені інструменти та дріт лише для титану.
Сила струму та міжпрохідна температура
Титан зварюється холодним способом. Як початковий посібник для ручного TIG-зварювання тонких листів:
| Товщина матеріалу | Приблизна сила струму |
|---|---|
| 1.5 мм | 40-70 |
| 3.0 мм | 90-130 |
| 6.0 мм | 160-220 |
Підтримуйте міжпрохідну температуру на рівні 150-200°C або нижче, щоб контролювати ріст зерен у зоні термічного впливу. Якщо ви виготовляєте зварне титанове обладнання для корозійних умов і хочете порівняти його з нержавіючою сталлю, яку ми обробляємо, наша команда з обробки на замовлення може допомогти вам оцінити альтернативи.
Перевірка кольору зварного шва: що вам говорить ваш зварний шов
Колір зварного шва – це найшвидший спосіб перевірки якості титану. Колір з'являється там, де метал піддавався впливу температури вище приблизно 450°C, тому він показує, чи захистив шов захисний шар протягом повного циклу охолодження.
| Колір зварного шва | Сенс | дію |
|---|---|---|
| Яскраве срібло | Правильне екранування | Прийняти |
| Світло-солом'яний / світло-золотистий | Незначне забруднення | Зазвичай прийнятно |
| Блакитний | Деяке забруднення | Оцінити; часто прийнятно для некритичного обслуговування |
| Темно-синій / фіолетовий | Забруднення киснем або азотом | Переробити або видалити |
| Сірий / білий порошкоподібний | Сильне забруднення, альфа-випадок | Зняти та зварити знову |
Якщо зварний шов має темно-синій, фіолетовий, сірий або білий колір, це означає, що захист не пройшов належним чином, і метал став крихким. Відшліфуйте або обробіть уражену ділянку та зваріть повторно з правильним газовим покриттям. Сріблясто-солом'яний колір на контрольному проході підтверджує правильність налаштувань захисту перед початком виробничих зварювальних робіт.
Термічна обробка після зварювання: коли вона потрібна для 5-го класу
Післязварювальна термічна обробка (PWHT) – це те, де 2-й та 5-й класи на практиці найбільше розходяться.
Для матеріалів класу 2 зазвичай не потрібна термообробка після зварювання (PWHT) для стійкості до корозії. Зварний шов охолоджується до пластичної альфа-структури, а стійкість матеріалу до впливу корозії означає, що більшість виробів після зварювання проходять одразу до експлуатації або гідровипробувань.
5-й клас відрізняється. Зварна зона Ti-6Al-4V охолоджується до твердішої, менш пластичної структури, ніж основний метал, а залишкові напруження від зварювання можуть зробити критичні або навантажені втомою з'єднання вразливими до розтріскування. Зняття напружень або відпал після зварювання відновлює пластичність, знімає залишкові напруження та покращує стійкість до втоми. З цієї причини процедури зварювання 5-го класу для несучих компонентів майже завжди включають післяваріальну обробку за допомогою термообробки (PWHT).
Один з наших знайомих нам виробничий цех зрозумів це, коли партія кронштейнів з Ti-6Al-4V тріснула в місці зварювання під час контрольних випробувань. Зварні шви виглядали чистими та сріблястими, але цех пропустив термообробку після загартування, щоб заощадити день графіка. Цикл повторного відпалу зняв залишкові напруження та відновив пластичність, і повторно випробувані кронштейни пройшли випробування. Урок запам'ятався: для 5-го ступеня додаткові кроки не є необов'язковими.
Зварювальні застосування: де кожен клас перемагає
Клас сталі, який ви обираєте для зварного вузла, повинен відповідати режиму руйнування, на який ви розраховуєте витрати.
- Оберіть 2-й клас для захисту від корозії зварних швів. Хімічна обробка, опріснення, морські трубопроводи та теплообмінники виготовляються зі сталі 2-го класу, оскільки вона легко зварюється, стійка до корозії та може бути ремонтована в польових умовах. Її зварюваність забезпечує низьку вартість виготовлення.
- Оберіть 5-й клас міцності зварювання та стійкості до втоми. Аерокосмічні конструкції, кронштейни з високими навантаженнями та циклічні компоненти виправдовують суворіше зварювання 5-го класу, оскільки сплав має приблизно втричі більшу міцність при аналогічній щільності.
Перш ніж вирішувати зварювати конструкцію, подивіться, як ці два класи порівнюються за вартістю , оскільки ціна матеріалу та легкість виготовлення часто разом визначають клас.
Якщо ваше застосування пов'язане з корозією, і ви зважуєте титан у порівнянні з більш економічними зварними матеріалами, нержавіюча сталь 316L є поширеною альтернативою. DAPU постачає вироби з нержавіючої сталі 316 та труби з нержавіючої сталі , які покривають більшість послуг зварювання рідин за ціною, що значно нижчою, ніж вартість титану.
Не впевнені, чи потрібен взагалі титан для вашої зварної конструкції? Наша команда технічних консультантів допомагає інженерам порівнювати марки та матеріали з фактичними умовами експлуатації, а не лише з каталогом.
Поширені запитання
Чи можна зварювати титан з 2-го по 5-й клас?
Так. Титан 2-го та 5-го класів можна зварювати разом як різні марки. Для TIG-зварювання використовуйте присадку ERTi-2 та тримайтеся слабшої сторони, оскільки з'єднання не міцніше, ніж у 2-го класу. Виробники аерокосмічної продукції також з'єднують два марки за допомогою електронно-променевого та лазерного зварювання для зварювання заготовок на замовлення.
Яку марку титану найлегше зварювати?
2-й клас є найлегшим. Це однофазний промислово чистий титан з ширшим вікном зварювання, вищою пластичністю та приблизно в 2-3 рази більшою теплопровідністю, ніж 5-й клас. Він переносить більші коливання теплового навантаження та екранування, ніж сплав.
Чи важко зварювати титан?
Титан не так важко зварювати, як сталь. Він реагує з киснем, азотом та воднем за температури вище 426°C, тому вимагає повного інертного захисту за допомогою екрану пальника, заднього екрану та зворотного продувування. Коли екранування правильне, титан зварюється чисто.
Який присадний метал використовується для зварювання титану?
Використовуйте наповнювач, який відповідає основному металу: ERTi-2 (AWS A5.16) для 2-го класу та ERTi-5 для 5-го класу. Для з'єднання різного класу міцності від 2-го до 5-го класу використовуйте ERTi-2 та виконуйте зварювання зі слабкішої сторони, оскільки міцність зварного шва дорівнює міцності основного металу 2-го класу.
Чи послаблює зварювання титан 5-го класу?
Зварювання знижує пластичність у зоні зварювання 5-го класу, а зварена структура твердіша та менш міцна, ніж основний метал. Післязварювальна термічна обробка відновлює пластичність, знімає залишкові напруження та покращує стійкість до втоми, тому вона призначена для критичних зварних швів 5-го класу.
Чи потрібна титан 5-го класу термічної обробки після зварювання?
Для 5-го класу зварювання після занурення (PWHT) зазвичай потрібна обробка після занурення (PWHT) для зварних швів, що несуть навантаження або навантажені втомою, оскільки зона зварювання охолоджується до твердішої, менш пластичної структури із залишковими напруженнями. Для 2-го класу зварювання після занурення (PWHT) зазвичай не потрібна для стійкості до корозії.
Який захисний газ потрібен для TIG-зварювання титану?
Використовуйте аргон високої чистоти, щонайменше 99.995%, а в ідеалі 99.999%. Для титану потрібен захист пальника, задній екран за зварним швом та зворотна продувка кореня шва, при цьому потік газу продовжується, доки метал не охолоне нижче приблизно 425°C.
Чому титановий зварний шов синіє?
Синій, фіолетовий або сірий зварний шов означає, що екранування не пройшло, і гарячий метал поглинув кисень або азот. Яскраво-сріблястий або світло-солом'яний колір свідчить про належне екранування. Темно-синє, фіолетове, сіре або біле забруднення необхідно видалити, а зварний шов повторити.
Чи зварюєте ви сталь 2-го класу інакше, ніж сталь 5-го класу?
Налаштування екранування таке ж саме, але керування іншим. 2-й клас забезпечує ширший діапазон з більшою толерантністю до коливань температури та екранування. 5-й клас потребує нижчого міжпрохідного контролю температури, суворішого екранування та, зазвичай, післязварювальної термічної обробки.
Чи може нержавіюча сталь замінити зварний титан в умовах корозійної дії?
Часто так. Для хлоридних та хімічних систем, де важко виправдати високу цінність титану, нержавіюча сталь 316L зварюється набагато легше та коштує набагато менше. Там, де титан обирають через вагу, втому або стійкість до певних середовищ, жодна марка нержавіючої сталі не замінює його повністю.
Висновок
Зварювання титану 2-го та 5-го класів залежить від контролю, а не від можливостей. Обидва класи зварювання забезпечують хорошу міцність, але 2-й клас є більш щадним та зручним для використання в польових умовах, тоді як 5-й клас забезпечує високу міцність лише за умови суворого екранування, дисциплінованої підводки тепла та, як правило, післязварювальної термічної обробки.
Практичний висновок простий. Використовуйте сталь 2-го класу з наповнювачем ERTi-2, коли конструкція вимагає корозійної стійкості, формуваності та простоти виготовлення. Використовуйте сталь 5-го класу з наповнювачем ERTi-5 та кваліфіковану процедуру PWHT, коли міцність та довговічність виправдовують додаткові зусилля. Під час зварювання обох матеріалів використовуйте сталь слабшого класу та ERTi-2.
Щоб отримати допомогу у виборі правильного матеріалу та процедури зварювання для вашого проекту, зверніться до LIANYUNGANG DAPU METAL для отримання рекомендацій щодо вибору матеріалу або запиту цінової пропозиції.
