Материал: Технологические основы современных способов сварки. учебное пособие. Пешков В.В., Коломенский А.Б

сидов, нитридов), но также и к растворению газов в металле.

При температурах выше 450°С происходит заметное растворение кислорода в титане.

Механизм окисления титана можно представить схематически как результат действия гетерогенных процессов (рис. 3.2): на границе 1 «оксид-газ» происходит адсорбция кислорода, его ионизация и воспроизводство катионного окружения за счёт извлечения катионов, а также частичная диффузия атомов кислорода в глубину оксидной фазы; на границе 2 «оксидметалл» осуществляется переход атомов кислорода в металлическую фазу с образованием твёрдого раствора внедрения и атомов титана в оксидную фазу.

Рис. 3.2. Схема окисления титана: VО – вектор скорости перемещения границы «оксид-газ»; VР – вектор скорости перемещения границы «оксид-металл»

Так как высокотемпературное окисление титана включает растворение кислорода в металлической основе и образование оксида, то общая скорость окисления V, мерой которой может быть количество кислорода, расходуемого в единицу времени, равна сумме скоростей его расхода на растворение (Vр) и на образование оксида (Vо). При Vр<Vо будет наблюдаться утолщение плёнки оксида, а при VР>Vо – её утонение.

Скорость роста плёнки на границе «оксид-газ» зависит от парциального давления кислорода, температуры, толщины плёнки, а скорость её растворения в основном зависит от температуры и градиента концентрации кислорода по глубине металла.

256

Снижение давления кислорода при вакуумировании приводит к уменьшению скорости реакции на границе «оксид-газ» и перемещению границы 1. При понижении давления кислорода и повышении температуры на поверхности титана на будет происходить образование оксидов (кислород, адсорбированный поверхностью, будет весь растворяться в металлической основе), то есть будет происходить окисление титана без образования оксидной фазы.

Поскольку Vр с течением времени уменьшается (так как снижается градиент концентрации кислорода по глубине металла), то при достижении некоторого времени t=t0, обеспечивающего реализацию неравенства Vр<Vо, на поверхности будет происходить формирование оксидов. При t<t0 поверхность будет свободна от оксидов.

При сварке в инертных газах (Ar,He), которые сами не взаимодействуют с металлами, в зоне дуги могут протекать реакции взаимодействия нагретого и расплавленного металла с примесями, содержащимися в инертных газах (O2, N2, H2, H2O и др.).

Попадание кислорода на поверхность сварочной ванны может сопровождаться реакциями:

Tiж+0,5O2=TiOж,

Tiж+0,5O2=TiOгаз.

Возможность образования оксидов другого состава в условиях незначительного парциального давления свободного кислорода в дуге, высоких температур и непрерывного перемешивания металла в сварочной ванне крайне мала.

На процесс перераспределения кислорода между атмосферой дуги и металлом сварочной ванны влияют пары титана. Расчёты процесса их взаимодействия с кислородом показали, что в газовой фазе титан не вступает в реакции с молекулярным и атомарным кислородом, и даже в периферийных участках плазмы столба дуги не должно происходить окисление паров титана. Этим можно объяснить часто наблюдаемый на не-

257

котором расстоянии от шва налет темного цвета. Он представляет собой дисперсный титан, который конденсировался из газовой фазы в процессе сварки и частично окислен (уже при контакте с воздухом).

В зоне дуги может находиться влага либо в виде паров воды, либо в виде продуктов их диссоциации

2Н2О ↔= 2Н2 + О2,

При температуре выше 4300°С возможны реакции

Н2О ↔Н + ОН,

Н2О ↔ 2Н + О, которые наиболее вероятны в центральной части дуги. Таким

образом, в результате диссоциации паров воды атмосфера дуги обогащается кислородом и водородом. Кислород затем реагирует с титаном. Возможно и прямое окисление титана парами воды.

При относительно низких температурах в ЗТВ или на поверхности закристаллизовавшегося шва образуется оксид ТiО2.

Азот так же, как и кислород, характеризуется высоким сродством с титаном, но меньшей склонностью к хемосорбции. В результате взаимодействия азота c титаном образуется нитрид титана по реакции

Tiж + 0,5N2г = TiNтв.

Так как нитрид титана в газовой фазе не существует, то образование газообразного TiN не происходит.

Хемосорбция азота (как и кислорода) происходит, в основном, в более холодной хвостовой части сварочной ванны. Поскольку скорость растворения кислорода в титане больше скорости растворения азота, то при нагреве титана в атмосфере воздуха основную роль во взаимодействии играет кислород.

Кислород и азот стабилизирует α-фазу, поэтому при повышенной концентрации этих элементов в поверхностном слое формируется так называемый альфированный слой, характеризующийся повышенной твердостью и низкой пластичностью.

В зависимости от парциального давления водорода в ат-

258

мосфере дуги и его содержания в свариваемом металле может наблюдаться либо насыщение шва водородом, либо его выделение из сварочной ванны. Последнее имеет место при сварке в условиях надежной защиты аргоном достаточной чистоты или при сварке в вакууме. Повышение парциального давления водорода в защитной атмосфере в результате диссоциации паров влаги и ее прямого взаимодействия с титаном приводит к насыщению водородом металла шва и зоны термического влияния.

Дополнительное по сравнению с основным металлом насыщение швов кислородом, азотом и водородом недопустимо. Как и для титановых сплавов в целом, примеси внедрения - газы - вызывают хрупкое разрушение сварных соединений, увеличивают их склонность к образованию холодных трещин, замедленному разрушению, пористости.

Взаимодействие титана с флюсом. Основное требова-

ние, которому должен отвечать флюс для сварки титана, это полное отсутствие оксидов. Наличие во флюсе даже таких стойких оксидов, как Al2O3, ZrO2 , TiO2, не исключает окисления металла шва, только полное удаление из флюса оксидов обеспечивает в наплавленном металле содержание кислорода менее 0,1 %.

При сварке титана под флюсом возможны реакции двух типов: реакция титана с компонентами флюса и реакция оксидов титана с флюсом.

Так, для трёхкомпонентного флюса системы CaF2- BaCl2- NaF реакции взаимодействия жидкого титана с отдельными компонентами данной системы можно записать в следующем виде:

Ti + nMeG ↔ TiGn + nMe, Ti + 0,5nMeG2 ↔ TiGn + 0,5nMe.

Продуктами этих реакций в условиях сварочной ванны являются газообразные щелочные или щелочноземельные элементы и галогениды, не растворимые в жидком металле. Эти

259

реакции не приводят к загрязнению металла сварочной ванны неметаллическими включениями, но могут сопровождаться переходом в сварочную ванну элементов из флюса.

Реакции взаимодействия оксидов титана с флюсом можно записать в следующем виде:

TiO2тв + 2CaF2 ↔ 2CaOтв + TiF4г;

TiO2тв + 4NaFж ↔ 2Na2Oтв + TiF4г;

TiO2тв + 2BaCl2ж ↔ 2BaOтв + TiCl4г.

При температурах выше 1000-1100°С последняя реакция не развивается, поэтому можно сделать вывод, что в качестве компонентов флюса больше всего подходят фториды, обладающие способностью реагировать с оксидами титана. Однако экспериментальные исследования показали, что флюс, полностью состоящий из фторидов, обладает пониженными технологическими свойствами. Лучше результаты получаются при частичной замене фторидов хлоридами.

Поскольку титан имеет сравнительно высокую температуру плавления, то сварочные флюсы для него должны обладать повышенной тугоплавкостью. Поэтому фториды и хлориды титана, имеющие низкую температуру плавления и кипения (так, TiF4 кипит при 284°С; TiCl4 плавится при 150°С, а кипит при 360°С), не могут быть использованы в качестве компонентов флюса.

Хорошие результаты получены при использовании в качестве основы флюса CаF2, который способен интенсивно взаимодействовать с водяным паром с образованием фтористого водорода. Эта реакция приводит к удалению влаги из зоны сварки и защите металла шва от насыщения водородом и кислородом.

Выбор оптимальных составов флюсов усложняется тем, что в системах CаF2 с более легкоплавкими хлоридами образуются многочисленные эвтектики, а области концентраций расплавов, обладающих достаточно высокой температурой плавления, весьма ограничены. Так, в системе CаF2- BaCl2-

260