Титан отличается высокой прочностью (267–337 МПа) при плотности 4,5 г/см3 и температуре до 450–500°С, высокой устойчивостью к коррозии во многих агрессивных средах. Сплавы титана с примесями легирующих элементов (алюминия, хрома, марганца, ванадия, олова и др.) обладают еще большей прочностью (до 1000–1400 МПа) при достаточной пластичности и широко применяются в качестве конструкционного материала для судо- и машиностроения, авиационной и ракетной техники, приборостроения, химического машиностроения, а также в других отраслях промышленности.
Титан имеет одну из двух основных стабильных фаз (аллотропических модификаций), характеризующихся строением кристаллической решетки:
- α-титан с гексагональной кристаллической решеткой (мелкозернистой структурой) при температуре до 882°С;
- β-титан с объемно центрированной кристаллической решеткой (крупнозернистой структурой) при температуре выше 882°С.
При температуре 882°С у титана изменяется структура кристаллической решетки с одной на другую (происходит полиморфное превращение).
Ряд легирующих элементов и примесей, называемых α-стабилизаторами (алюминий, азот, олово, кислород и др.), увеличивают температуру полиморфного превращения титана и, таким образом, стабилизируют α-фазу и расширяют область α-титана. Легирующие элементы, называемые β-стабилизаторами (хром, молибден, ванадий, марганец), способствуют сохранению β-титана при уменьшении температуры. В зависимости от состава легирующих компонентов сплавы титана условно разделяют на α-сплавы, β-сплавы и α+β-сплавы (см. рисунок ниже).
Рисунок. Зависимость структуры сплава титана от температуры и содержания легирующих элементов
К α-сплавам относятся технический титан ВТ1, а также сплавы ВТ5 и ВТ5-1. Они пластичны, термообработкой не упрочняются и обладают хорошей свариваемостью.
К двухфазным α+β-сплавам относятся сплавы ОТ4, ВТ3, ВТ4, ВТ6, ВТ8, ВТ14. Двухфазные сплавы с малым количеством β-стабилизаторов (например, сплавы ОТ4) термически не упрочняются и хорошо свариваются, а сплавы, где β-структура может сохраняться при охлаждении до комнатной температуры (например, сплавы ВТ6 и ВТ14), термически упрочняются и свариваются хуже. За счет термической обработки (закалки и искусственного старения) их прочность может быть доведена до 1400 МПа при удовлетворительной пластичности.
Сплавы с β-фазой, например, ВТ15, упрочняются термической обработкой и свариваются хуже. Они склонны к росту зерен и возникновению холодных трещин.
Трудности при сварке титана и способы решения
Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.
При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом, стабилизирующим α-фазу, по реакции Ti+O2 = TiO2 с образованием поверхностного слоя с большой твердостью – альфинированного слоя, – который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы (от Ti6O до TiO2) с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.
При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины. Допустимое содержание азота в титане составляет до 0,05%, кислорода – до 0,15%.
Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200–400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана TiH2 способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана – возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки. Допустимое содержание водорода в титане составляет до 0,01%.
Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите – желто-голубая окраска, серые налеты.
Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.
Титан обладает низкой теплопроводностью, в связи с чем стыковые швы, получаемые при сварке плавящимся электродом в среде аргона, имеют характерную конусовидную форму с глубоким проплавлением. Поэтому для некоторых конструкций требуется наложение дополнительных швов по краям основного шва (галтельных швов) или сварка в среде гелия для получения более широкого шва.
Рисунок. Сварные швы при сварке титана плавящимся электродом (проволокой) в аргоне и гелии
Основные способы сварки титана и его сплавов:
- дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом;
- дуговая сварка под флюсом;
- электрошлаковая сварка;
- электронно-лучевая сварка;
- контактная сварка.
Дуговая сварка титана в среде инертных газов
Дуговая сварка титана в среде инертных газов может выполняться неплавящимся иттрированным или лантанированным вольфрамовым электродом (ручная или механизированная сварка) и плавящимся электродом (полуавтоматическая или автоматическая сварка). В качестве инертных газов применяют аргон высшего сорта, гелий высокой чистоты или смеси аргона с гелием.
Защита металла в процессе сварки может осуществляться следующими способами:
- на воздухе с подачей инертного газа из сопел со специальными удлиненными насадками (до 50 см) для увеличения зоны защиты и подачей газа с обратной стороны сварного шва через специальные подкладки;
- на воздухе с помощью местных камер-насадок, защищающих зону сварки и часть свариваемого узла; при этом обратная сторона шва может быть защищена за счет подачи газа через подкладки;
- путем помещения всего свариваемого узла в герметичную камеру с контролируемой атмосферой.
В герметичную камеру с контролируемой атмосферой также помещают сварочную оснастку, горелку и наполняют инертным газом. Она может иметь иллюминаторы или прозрачную оболочку и встроенные рукавицы для сварщика. Для крупных ответственных изделий используют камеры большого размера, оборудованные необходимыми устройствами и предназначенные для работы внутри них сварщиков в скафандрах.
Наибольшей популярностью пользуется сварка титана вольфрамовым электродом на воздухе. Ее выполняют на обычных установках для автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности. На сварочной горелке закрепляется специальная насадка для защиты инертным газом от воздуха участков металла с температурой 250–300°С и выше. Размеры этих участков, как правило, определяются расчетами по формулам распространения тепла в металлах при сварке. Наилучшая защита достигается при помещении в насадку сетчато-пористого материала для обеспечения ламинарного потока инертного газа. Обратную сторону шва защищают с применением специальных насадок и подкладок.
Рисунок. Сварка титана неплавящимся электродом на воздухе (с применением специальных подкладок для подачи инертного газа с обратной стороны шва)
Аргонная сварка вольфрамовым электродом титановых деталей толщиной 0,5–1,5 мм выполняется встык без зазора и без подачи присадочного прутка, а толщиной более 1,5 мм – с подачей присадочного материала. Проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу в течение 4 ч при температуре 900–1000°С. При зачистке поверхностей кромок свариваемых деталей и прилегающего металла, а также проволоки необходимо снять альфированный слой, насыщенный кислородом.
Таблица. Рекомендуемые режимы аргонной сварки титановых листов вольфрамовым электродом (скорость подачи аргона через горелку 13–18 л/мин, с обратной стороны сварного шва – 2–2,5 л/мин)
| Толщина металла (мм) |
Диаметр (мм) |
Сила тока (А) |
Скорость сварки (м/ч) |
| вольфрамового электрода |
присадочной проволоки |
| 0,3–0,7 |
1,6 |
– |
40 |
55 |
| 0,8–1,2 |
1,6 |
– |
60–80 |
40–50 |
| 1,5–2,0 |
2,0 |
2,0–2,5 |
80–120 |
35–40 |
| 2,5–3,5 |
3,0 |
2,0–2,5 |
150–200 |
35–40 |
Ручная аргонная сварка вольфрамовым электродом выполняется «углом вперед» на короткой дуге без колебательных движений сварочной горелки. Между электродом и присадочным материалом поддерживается угол в 90°. При обрыве дуги, а также после окончания сварки необходимо подавать аргон до тех пор, пока температура металла не станет ниже 400°С.
При аргонодуговой сварке титана толщиной свыше 4 мм обычно используется V-образная, X-образная или рюмкообразная разделка кромок. Для повышения производительности сварки вольфрамовым электродом применяются следующие способы:
- сварка погруженной дугой;
- сварка сквозным проплавлением;
- импульсно-дуговая сварка;
- сварка по флюсу;
- сварка присадочной порошковой проволокой;
- сварка в щелевую разделку;
- сварка с магнитным перемешиванием сварочной ванны
- и др.
Сварка погруженной дугой (когда конец электрода размещен ниже поверхности свариваемого металла) на больших токах позволяет сваривать за один проход без разделки кромок титан и его сплавы толщиной до 15 мм. При сварке сквозным проплавлением возможно сваривать за один проход титан и его сплавы толщиной 12 мм.
С помощью импульсно-дуговой сварки (когда подача тока в зону дуги осуществляется кратковременными импульсами) можно в более широком диапазоне изменять размеры шва, уменьшать уровень остаточных напряжений, снижать деформации сварных конструкций, уменьшать зону термического влияния, а также уменьшать размеры кристаллитов и пористость в сварном шве.
При сварке по флюсу-пасте типа АН-ТА, наносимому тонким слоем на поверхность кромок свариваемых деталей, на меньших токах можно сваривать без разделки кромок металл толщиной до 12 мм. Данная технология позволяет увеличить глубину проплавления, снизить деформации сварных конструкций, изменять форму провара, уменьшить зону термического влияния, снизить вероятность образования пор и прожогов. Такими же преимуществами обладает и сварка порошковой проволокой с флюсом в качестве наполнителя.
При сварке с магнитным перемешиванием металла сварочной ванны с помощью внешнего магнитного поля уменьшаются химическая неоднородность и пористость металла шва. При сварке в щелевую разделку (по узкому зазору) снижается расход дорогих и дефицитных материалов и увеличивается производительность.
Сварка плавящимся электродом (проволокой) выполнятся при толщине титана и его сплавов свыше 3 мм в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности на режимах, которые обеспечивают мелкокапельный перенос электродного металла.
Таблица. Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) в инертных газах
| Диаметр электрода (мм) |
Сварочный ток (А) |
Напряжение дуги (В) |
Толщина стыковых соединений, свариваемых без разделки кромок (мм) |
Скорость сварки (м/ч) |
Вылет электрода (мм) |
Расход газа (л/мин) |
| в аргоне |
| 0,6–0,8 |
150–250 |
22–24 |
4–8 |
30–40 |
10–14 |
20–30 |
| 1,0–1,2 |
280–320 |
24–28 |
5–10 |
30–40 |
17–20 |
25–35 |
| 1,6–2,0 |
340–520 |
30–34 |
8–12 |
20–25 |
20–25 |
35–45 |
| 3,0 |
480–750 |
32–34 |
14–34 |
18–22 |
30–35 |
40–50 |
| 4,0 |
680–980 |
32–36 |
16–36 |
16–18 |
35–40 |
50–60 |
| 5,0 |
780–1200 |
34–38 |
16–36 |
14–16 |
40–45 |
50–60 |
| в гелии |
| 0,6–0,8 |
150–250 |
28–32 |
4–6 |
30–40 |
10–14 |
30–40 |
| 1,0–1,2 |
280–320 |
32–36 |
4–8 |
30–40 |
17–20 |
35–45 |
| 1,6–2,0 |
340–520 |
38–40 |
5–10 |
20–25 |
20–25 |
70–90 |
| 3,0 |
480–750 |
42–48 |
10–28 |
18–22 |
30–35 |
80–100 |
| 4,0 |
680–980 |
46–50 |
12–32 |
16–18 |
40–50 |
100–120 |
| 5,0 |
780–1200 |
46–52 |
12–32 |
14–16 |
45–55 |
100–120 |
Для уменьшения пористости и увеличения ширины сварного шва применяют смесь аргона с гелием (обычно 20% аргона и 80% гелия) или чистый гелий.
Для повышения производительности сварки титана и его сплавов плавящимся электродом в среде инертных газов используют предварительный подогрев проволоки проходящим током и импульсно-дуговую сварку (позволяющую, например, в полуавтоматическом режиме при уменьшении погонной энергии сварки в 2–2,5 раза увеличить производительность в 2–3 раза), а также сварку в щелевую разделку (позволяющую сократить расход дорогих материалов).
Дуговая сварка титана под флюсом
Титан и его сплавы можно сваривать под бескислородными флюсами АНТ-1, АНТ-3 при толщине металла 2,5–8 мм и АНТ-7 для металла большей толщины. Перед сваркой флюс прокаливается при температуре 200–400 °С, чтобы содержание влаги в нем не превышало 0,05% по массе. Сварка выполняется на стандартном оборудовании на постоянном токе обратной полярности.
Получаемые сварные соединения не уступают по прочности и пластичности основному металлу и имеют более мелкозернистую структуру, чем при сварке в инертных газах. Данный способ экономически эффективен для металла толщиной более 6–8 мм.
Таблица. Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) под флюсом АНТ-1 (скорость сварки составляет 50 м/ч)
| Толщина металла (мм) |
Диаметр электродной проволоки (мм) |
Сила тока (А) |
Напряжение (В) |
Скорость подачи сварочной проволоки (м/ч) |
| односторонняя сварка на остающейся подкладке |
| 2–2,5 |
2 |
190–220 |
34–36 |
167–175 |
| 4–4,5 |
2 |
300–320 |
34–38 |
221–239 |
| 4–5 |
3 |
310–340 |
30–32 |
95–111 |
| двусторонняя сварка |
| 8 |
3 |
310–370 |
30–32 |
135–140 |
| 10 |
3 |
340–360 |
30–32 |
150–155 |
| 12 |
3 |
350–400 |
30–32 |
160–165 |
| 15 |
3 |
390–420 |
30–32 |
175–180 |
Электрошлаковая сварка титана
При электрошлаковой сварке титана и его сплавов применяют пластинчатые электроды того же состава, что и свариваемый металл, толщиной 8–12 мм и шириной, равной толщине свариваемой детали. Используются тугоплавкие флюсы АНТ-2, АНТ-4, АНТ-6, которые необходимо предварительно прокалить при температуре 200–400 °С, чтобы содержание влаги во флюсе не превышало 0,05% по массе. Для защиты остывающего металла и шлаковой ванны от воздуха в зазор между водоохлаждаемыми ползунами и деталью подается аргон из расчета 5–12 л/мин при толщине металла 30–120 мм.
Получаемые сварные соединения по свойствам близки к основному металлу и имеют крупнокристаллическую структуру. Электрошлаковая сварка эффективна для титановых деталей толщиной свыше 40 мм.
Таблица. Режимы электрошлаковой сварки титановых поковок пластинчатым электродом с применением флюса АНТ-2 (напряжение составляет 16–18 В)
| Толщина металла (мм) |
Толщина пластинчатого электрода (мм) |
Зазор (мм) |
Сила тока (А) |
| 30–50 |
8–10 |
23–25 |
1200–1600 |
| 50–80 |
8–10 |
23–25 |
1600–2000 |
| 80–100 |
10–12 |
24–26 |
2000–2400 |
| 100–120 |
10–12 |
24–26 |
2400–2800 |
Электронно-лучевая сварка титана
Электронно-лучевая сварка титана и его сплавов обеспечивает мелкозернистую структуру сварного шва и надежную защиту металла от газов. Она используется для толщин до 160 мм. В ряде случаев для предотвращения появления пор и несплошностей применяется сварка с горизонтальным размещением луча.
