Полное руководство по сварке титановых труб

Титан и его сплавы жизненно важны в аэрокосмической, химической, морской и медицинской областях, но процесс их сварки остается очень сложным. В этом руководстве рассматриваются основные проблемы сварки титановых труб и представлен полный рабочий процесс от подготовки до проверки, чтобы помочь вам добиться безупречных результатов.

Проблемы при сварке титановых труб

• Дефекты пористости: Водород имеет очень низкую растворимость в титане при низких температурах. При охлаждении он выпадает в осадок в виде гидрида титана и расширяется, образуя поры в сварном шве, которые значительно снижают усталостную прочность.
• Замедленное холодное крекинг: Трещины могут появиться через несколько часов или даже дольше после сварки, обычно в зоне термического влияния, вызванные диффузией водорода, осаждением TiH₂ и остаточными напряжениями.
• Высокотемпературное окисление и обесцвечивание: При температурах сварки выше 500–700 °C титан легко поглощает кислород и азот, что приводит к обесцвечиванию сварного шва (серебристые, золотые, синие, серые) и снижению пластичности и ударной вязкости.
• Подача тепла и контроль деформации: Тонкостенные титановые трубы могут деформироваться или прогорать из-за чрезмерного нагрева, в то время как толстостенные трубы могут накапливать тепло и создавать большие остаточные напряжения.
• Комплексность защиты тыльной стороны: Корневая часть сварного шва обладает высокой реакционной способностью при повышенных температурах. Недостаточная продувка аргоном внутри трубки приводит к окислению корней, что ставит под угрозу герметичность и прочность.
• Строгие требования к чистоте: Основной металл, канавки, присадочная проволока и приспособления должны быть очищены от масла, оксидной накипи и пыли, так как даже незначительное загрязнение может привести к хрупким включениям при высокой температуре.

Анализ распространенных механизмов дефектов

Пористость

Главным виновником образования пористости в титановых сварных швах является водород. Источниками могут быть остаточная влага или масло на поверхностях материалов и даже нечистый защитный газ. Водород растворяется в высокотемпературной сварочной ванне; По мере охлаждения сварного шва его растворимость резко падает. Перенасыщенный водород не может вовремя урваться и попадает в ловушку металла, образуя поры.

Замедленное растрескивание

Еще более коварным, чем пористость, является замедленное растрескивание. Через несколько часов или даже дольше после сварки атомы водорода диффундируют из сварного шва в зону термического влияния, где концентрируются напряжения. Там они выпадают в осадок в виде гидридов титана, вызывая объемное расширение и высокие внутренние напряжения, которые могут привести к самопроизвольному растрескиванию без внешней нагрузки.

Распространенные процессы сварки титановых труб

• Сварка TIG (сварка вольфрамом в инертном газе): Наиболее распространенный метод, с использованием аргонового экранирования высокой чистоты. Он обеспечивает высокое качество сварных швов и идеально подходит для тонкостенных титановых труб, требующих точности и чистоты.
• Сварочная сварка PAW (плазменно-дуговая сварка): Обеспечивает высокую плотность энергии, более высокую скорость сварки и хороший контроль проплавления, подходит для применений, требующих эффективности и стабильности.
• Сварка MIG (сварка металла в инертном газе): Подходит для более толстых профилей и массового производства. Он позволяет выполнять высокоскоростную сварку, но требует более строгого контроля защитного газа и сложнее в управлении.
• Электронно-лучевая сварка (ЭПВ): Отличается очень высокой плотностью энергии, высокой скоростью сварки и небольшой зоной термического влияния. Обычно используется в аэрокосмической и других областях, требующих предельной точности и прочности.
• Лазерная сварка: Обеспечивает автоматизацию, точное управление процессом, привлекательный внешний вид сварных швов и высокую скорость. Идеально подходит для сложных форм или высокоточных титановых труб.
• Наплавочная сварка (наплавка): Включает в себя распыление титанового порошка или других металлов на поверхность трубки и его плавление для сплавления с основным материалом. В основном используется для локального армирования или ремонта.

Сравнение процессов сварки титановых труб

Подготовка перед сваркой титановых труб

Предсварочная очистка (основной металл, присадочная проволока, окружающая среда)

Абсолютная чистота имеет важное значение. Основной материал, присадочная проволока и сварочная среда должны быть очищены от масла, пыли, смазочно-охлаждающих жидкостей или человеческой смазки...

Удаление оксидов (для предотвращения включений)

Оксидный слой на титане имеет более высокую температуру плавления, чем основной металл...

Подгонка суставов (соблюдайте выравнивание, избегайте зазоров)

Сборка швов должна быть высокоточной...

Подготовка экранирования (аргон высокой чистоты, замыкающий защитный экран, продувка)

Титан легко поглощает кислород и азот при высоких температурах...

Настройка подачи газа (пластиковые трубки, регулирование потока)

Защитный газ должен подаваться через чистые, непористые пластиковые шланги...

Выбор присадочного металла (сочетается с основным металлом)

Для титановых труб с толщиной стенки более 0,010 дюйма требуется присадочный металл. Его химический состав и механические свойства должны точно соответствовать основному металлу, чтобы обеспечить прочность соединения и коррозионную стойкость. В некоторых случаях для улучшения пластичности выбирают наполнитель с несколько меньшим пределом текучести, чем основной металл, но только после строгой валидации.

Вот чистый английский заголовок для вашего раздела:

Сварочные операции и основные параметры

Начало и начало дуги

При сварке титановых труб TIG следует использовать высокочастотное бесконтактное инициирование дуги, чтобы избежать загрязнения вольфрама и включений в зоне запуска. Перед ударом необходимо предварительно подать аргон, чтобы обеспечить полную защиту области сварного шва инертным газом.

Подача тепла и регулирование скорости движения

Поступление тепла должно поддерживаться в разумном диапазоне, чтобы обеспечить полное проникновение без чрезмерного нагрева, которое может привести к прогоранию или охрупчиванию. Скорость движения должна оставаться постоянной и равномерной — слишком низкая скорость может привести к окислению, а слишком высокая — к отсутствию плавления.

Технология толкающей сварки и подачи погружением

Метод сварки толканием рекомендуется для того, чтобы защитный газ полностью покрывал сварочную ванну. Используйте метод прерывистой «подачи погружения», добавляя присадочную проволоку через короткие промежутки времени во время движения, чтобы избежать длительного погружения проволоки в сварочную ванну, которое может привести к загрязнению.

Время выдержки в расплавленной ванне и высвобождение пузырьков

Следует поддерживать немного более длительное время выдержки, чтобы пузырьки водорода могли выйти и уменьшить пористость. Однако чрезмерное пребывание может привести к перегреву бассейна и увеличению поглощения газа.

Экранирование и поточный поток

После сварки поддерживайте последующий поток аргона в течение ≥20–25 секунд, чтобы сохранить сварной шов защищенным до тех пор, пока он не остынет ниже 400 °C. Обратная продувка не менее важна — убедитесь, что перед зажиганием дуги необходимо провести не менее 10 полных продувок, чтобы предотвратить окисление корня.

Послесварочная обработка и контроль качества

Управление поточным газом

После сварки последующий поток аргона следует поддерживать в течение 20–25 секунд до тех пор, пока сварной шов не остынет примерно до 400 °C (800 °F), после чего титан больше не вступает в реакцию с кислородом. Некоторые технические характеристики требуют постоянной защиты до температуры ниже 150 °C (500 °F); Точное время должно соответствовать требованиям процесса.

Маринование, промывка и сушка

Легкая оксидная накипь может остаться на поверхности после сварки. Его следует удалить путем травления раствором фтористоводородной кислоты + азотной кислоты, затем тщательно промыть чистой водой и полностью высушить, чтобы избежать остатков коррозионных веществ.

Оценка цвета и качества сварного шва

Одним из заметных преимуществ титановых сплавов является то, что цвет сварного шва после сварки напрямую отражает эффективность защитного покрытия. Цвет сварного шва не только указывает на то, была ли достаточная газозащита, но и показывает толщину оксидной пленки, что делает его важным критерием для оценки качества сварного шва.

Дополнительные примечания

• Все изменения цвета должны быть удалены перед продолжением сварки.
• Зона съема должна охватывать сварной шов и до 0,03 дюйма (≈0,76 мм) в зоне термического влияния (ЗТВ).
• Изменение цвета фиолетового, синего и зеленого цветов приведет к отбраковке сварного шва, если требуется дополнительная сварка.
• Сине-зеленое обесцвечивание может быть допустимым на завершенных сварных швах, но должно быть удалено перед дальнейшей обработкой.

Неразрушающий контроль (PT/RT/UT)

В дополнение к визуальной оценке цвета, для комплексной оценки качества сварных швов требуется неразрушающий контроль и лабораторный контроль:

• PT (капиллярный контроль): Обнаруживает поверхностные микротрещины и пористость.
• Определение твердости: Оценивает, затвердела ли область сварного шва в результате окисления или водородного охрупчивания.
• РТ (радиографический контроль) и УЗ (ультразвуковой контроль): Выявление внутренних дефектов.
• Разрушающий контроль: Используется в критических условиях для проверки прочности и ударной вязкости сварного шва.

Испытание под давлением и на герметичность

Для титановых труб, несущих давление, после сварки следует проводить гидростатические или пневматические испытания для проверки герметичности сварного шва. При необходимости также следует выполнить обнаружение утечек с помощью гелиевой масс-спектрометрии, чтобы убедиться в отсутствии скрытых утечек.

Часто задаваемые вопросы о сварке титановых труб

Какой метод сварки титановых труб лучше всего подходит?

Дуговая сварка вольфрамовым электродом в газовой среде (TIG/GTAW) широко признана лучшим методом, обеспечивающим непревзойденную точность и контроль чистоты.

Как предотвратить обесцвечивание титановых сварных швов?

Ключевым моментом является идеальная защита от инертного газа. Обеспечьте высокую чистоту аргона и используйте одновременно первичное экранирование, замыкающий экран и внутреннюю продувку аргоном.

Почему возникает пористость в титановых сварных швах?

Основная причина – водородное загрязнение. Основной металл, присадочная проволока и рабочая среда должны быть абсолютно чистыми и сухими, с использованием высокочистого аргона.

Требуется ли предварительный нагрев для сварки титановых труб?

Для тонкостенных трубок толщиной менее 3 мм предварительный нагрев обычно не требуется. Для толстостенных труб умеренный предварительный нагрев помогает снизить сварочное напряжение.

Предложение титановой продукции Chalco

Мы не только обладаем глубокими знаниями в сложностях сварки титановых труб, но и поставляем высококачественные титановые сварные трубы и бесшовные трубы, полностью соответствующие стандартам ASTM B338 и ASTM B862.

Если вы столкнулись с проблемами при обработке титановых труб или сварке или вам необходимо приобрести высококачественные титановые трубы, свяжитесь с нашими техническими экспертами сегодня для получения профессиональных решений.