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

контакте с газами атмосферы.

При увеличении толщины свариваемых металлов от 0,3 до 3,0 мм сварочный ток возрастает от 5 до 12 кА, длительность импульсов увеличивается от 0,08 до 0,28 с, усилие сжатия увеличивается от 0,98 до 8,8 кН, а скорость сварки уменьшается от 1 до 0,3 м/мин. При этом ширина шва возрастает от

2,5 до 9,5 мм.

Механические свойства соединений, полученных шовной сваркой, несколько ниже по сравнению с точечными соединениями вследствие более длительного пребывания металла при повышенных температурах. При механических испытаниях разрушение происходит по основному металлу.

Сварка трением. В некоторых случаях для получения соединения между заготовками с компактным сечением используют сварку трением. Оптимальный режим сварки заготовок диаметром 16 мм из сплава ОТ4 следующий: давление нагрева 59 МПа; деформация 2 мм; давление осадки 98 МПа; деформация 4 мм; длительность цикла сварки 5 с. Механические свойства сварного соединения при этом получаются на уровне свойств основного металла.

Диффузионная сварка. Одним из основных условий получения качественного соединений при диффузионной сварке титана и его сплавов является развитие физического контакта между поверхностями свободными от оксидных пленок.

Кинетика утончения оксидных пленок при нагреве за счет растворения кислорода в титане, описывается выражением, полученным аппроксимацией экспериментальных данных:

∆y2=4,8 1014 exp(-247000/RT)τ,

где ∆y – толщина растворимого слоя оксида, нм; T – темпера-

тура отжига, °K; R – газовая постоянная, Дж/моль K; τ - длительность отжига, с.

После механической (или любой другой) обработки, обеспечивающей удаление оксидов с поверхности титана, вновь образующаяся оксидная пленка на воздухе при комнат-

281

ной температуре достигает толщины около 1,7 нм через 2 ч. и 3,5 нм спустя 40-45 суток.

Очистка титана от естественных оксидных пленок за счет растворения кислорода в металлической основе при нагреве

протекает очень быстро. Так, уже при температуре 600°C для растворения оксидной пленки толщиной 3,5 нм требуется всего 16 с. Но на открытой поверхности за это же время даже при разряжении воздуха в вакуумной камере до 10-5 Па образуется мономолекулярный слой кислорода, который затем переходит в оксид.

При диффузионной сварке титана давление газа в контактном зазоре между свариваемыми поверхностями может существенно отличаться от давления газа в вакуумной камере. Это связано с тем, что при нагреве в зазоре между двумя пластинами из титана, помещенными друг на друга, развивается процесс автовакуумирования, заключающийся в следующем. В начальный момент давление кислорода в контактном зазоре в любой точке равно его давлению в вакуумной камере и определяется откачивающей способностью вакуумной системы. Титан при нагреве, окисляясь, поглощает кислород из окружающего объема. Поскольку объем газа между свариваемыми поверхностями во много раз меньше объема газа, окружающего соединяемые детали (газа, содержащегося в вакуумной камере), то окисление титана может сопровождаться значительным снижением давления кислорода в зоне контакта и, как следствие этого, появлением потока газа из объема вакуумной камеры в приконтактный зазор. Так как интенсивность взаимодействия металла с кислородом возрастает с повышением температуры, то это должно приводить к увеличению поступления газа в зону контакта. Глубина проникновения кислорода в зазор между свариваемыми поверхностями будет определяться соотношением количества кислорода, поступающего в зону контакта и прореагировавшего с титаном в процессе окисления. Результаты расчетов показали, что в контактном зазоре в

282

результате развития эффекта автовакуумирования могут создаться условия безокислительного нагрева и образования поверхностей с высокой реакционной способностью к схватыванию.

Такие условия, например, создаются при сечении заготовок с r ≥ 10 мм; чистоте обработки контактных поверхностей

чистовым точением, обеспечивающем h ≤ 10мкм и разряжении в сварочной камере до 10-1 Па. Следует отметить, что в этих условиях на внешних поверхностях будет происходить образование оксидов за счет взаимодействия титана с остаточными газами вакуумированного пространства.

Основные технологические параметры режима диффузионной сварки в порядке убывания их влияния на прочность соединения располагаются в последовательности: температура, давление, время сварки – при сварке в интервале температур

ниже конца полиморфного превращения − и давление, температура, время сварки - при сварке в области существования β- фазы.

Диффузионная сварка титановых α- и α+β- сплавов обычно выполняется в интервале температур полиморфного превращения, значения которых приведены в табл. 3.21.

Сварка β-сплавов осуществляется в β-области, что обусловлено низкими температурами α+β↔β-превращения этих материалов (~720-800°C) и высоким сопротивлением деформа-

ции легированных β-растворов в области нижеуказанных температур.

Величина удельных сварочных давлений и времени сварки взаимосвязаны и могут изменяться в широких пределах. При изготовлении, например, тонкостенных конструкций, величина удельных давлений ограничивается устойчивостью (или допустимой деформацией) свариваемых заготовок, а длительность сварки выбирается из условия получения требуемого качества соединения. Фактором, влияющим на эти параметры, является исходная микроструктура сплава. Чистота обработки контактных поверхностей должна быть максимально высокой и ограничивается экономическими соображениями.

Применительно к процессу диффузионной сварки для регламентирования исходного микроструктурного состояния свариваемых заготовок целесообразно выделение четырех основных типов структур: I - мелкозернистая, характеризуемая

диаметром α - зерен D (D≤15мкм), включающая в себя глобулярные, равноосные и с вытянутыми зернами α-фазы структуры; II – пластинчатая (мелкопластинчатая) без видимых границ исходных β-зерен, характеризуемая шириной α-пластин – b и величиной α-колоний – d (b≤1 мкм; α≤20 мкм); III – пластинчатая с видимыми границами исходных β-зерен, характеризуемая диаметром бывших β-зерен D (D= 230-500 мкм); IV – смешанная, характеризуемая объемным содержанием материала с пластинчатой структурой Vпл (10%<Vпл<50%). При Vпл<10% структуру сплава следует отнести к I типу, а при Vпл>50% - к III типу.

Ориентировочные режимы диффузионной сварки сплава ОТ4 с подготовкой контактных поверхностей точением приведены в табл. 3.22.

284

Применение диффузионной сварки (ДС) для соединения деталей и узлов летательных аппаратов из титановых сплавов позволяет получать принципиально новые типы изделий сложной конфигурации, например, конструкций канальноготипа, гофровых и ячеистых слоистых панелей, а также длинномерных заготовок переменного сечения путём стыковки отдельных профилированных элементов (см. табл. 3.23).

Типовой процесс получения конструкции методом ДС включает:

−сборку свариваемых элементов в технологической осна-

стке;

−нагрев собранной садки в вакууме или защитной среде до температуры сварки;

−приложение сварочного давления в течение заданного времени;

−охлаждение, разборку садки и извлечение сваренной де-

тали;

−контроль качества сваренной детали.

При ДС элементов тонкостенных конструкций из титановых сплавов различного типа применяются следующие методы создания сварочного давления.

285