Prečo je titán ťažké zvárať
Zliatiny titánu, kvôli ich vysokej pevnosti, odolnosti proti korózii a ľahkých vlastností, majú nenahraditeľnú polohu v oblastiach, ako je letectvo, morské inžinierstvo a biomedicín. Tento materiál, ktorý sa však považuje za „kov budúcnosti“, sa však vo zváraní už dlho považuje za „technické no - zónu“. Jeho zvárané kĺby sú náchylné na krehkosť, sú vysoko crack - citlivé a dokonca si vyžadujú vákuové prostredie pre vysoké - zváranie kvality. Ťažkosti pri zváraní titánu vychádzajú z jeho jedinečných fyzikálnych a chemických vlastností a charakteristík metalurgickej reakcie, ktoré sa vzájomne prelínajú a vytvárajú zložitú sieť procesných problémov.
„Chemická búrka“ pri vysokých teplotách
Hustý oxidový film (Tio₂), ktorý sa tvorí na povrchu titánu pri teplote miestnosti, prepožičiava vynikajúci odolnosť proti korózii, ale stáva sa zdrojom nebezpečenstva pri vysokých teplotách zvárania. Keď teploty presahujú 600 stupňov, dramaticky sa zvyšuje chemická aktivita titánu a prudko reaguje s kyslíkom, dusíkom a vodíkom vo vzduchu:
Oxidačná kontaminácia:Rozpustnosť kyslíka v titáne nad 800 stupňov sa exponenciálne zvyšuje a vytvára krehkú oxidovú vrstvu niekoľko mikrónov hrubého. Táto vrstva oxidu významne znižuje húževnatosť zvaru. Ak obsah kyslíka presahuje kritickú hodnotu, húževnatosť nárazu môže klesnúť o viac ako 50%, čo vedie k nepredvídateľnej zlomenine kĺbu počas služby.
Riziko stúpača vodíka:Vlhkosť vo vzduchu a oleji na povrchu zváracieho drôtu sa rozkladá pri vysokých teplotách, aby sa vytvoril vodík. Atómy vodíka prenikajú do titánovej mriežky, tvoriace ihlu - v tvare hydridov (tih₂). Tieto hydridy môžu spôsobiť „oneskorenú krehkosť“, čo znamená, že pri nízkych teplotách sa kĺb môže náhle zlomiť v dôsledku minimálneho napätia. Vodíkové stĺpce je absolútne tabu, najmä v aplikáciách, ktoré si vyžadujú extrémne vysokú spoľahlivosť, ako sú biomedicínske implantáty.
Nitriding Mlemittlement:Keď teploty presahujú 700 stupňov, titán reaguje s dusíkom za vzniku nitridu titánu (CIN). Táto tvrdá a krehká fáza významne znižuje ťažnosť zvaru. Pri odlišnom zváraní zliatin titánu a ocele je nitriding primárnym faktorom prispievajúcim k kĺbovému spojeniu, dokonca presahujúci závažnosť kontaminácie oxidácie.
Na boj proti tejto chemickej búrke musí titánové zváranie využívať „plne uzavretú“ ochrannú stratégiu: pomocou vysokého - čistiaceho inertného plynu (napríklad argónu) ako tieniaceho média. Počas zvárania musia byť obe strany zvaru chránené plynovým štítom. Vypnutie plynu - vypnuté je po zváraní oneskorené, aby sa zabránilo sekundárnej oxidácii vysokého - teplotného zvaru. Pri vysokej - koncovej výrobe sa dokonca používa zváranie vákuového elektrónového lúča, ktorý dokončí zváranie vo vákuu 10 ° PA, aby sa zvar úplne izoloval z kontaminácie plynu.
„Vrodené defekty“ v termofyzikálnych vlastnostiach
Termofyzikálne vlastnosti titánu sú v ostrom konflikte so zvárateľnosťou:
Nízka tepelná vodivosť:Tepelná vodivosť titánu je iba jedna - šiesty v oceliarsku. Koncentrácia tepla počas zvárania sťažuje rozptyľovanie, čo vedie k lokalizovanému prehriatiu a rozširovaniu tepla - v postihnutej zóne (HAZ). Táto tepelná koncentrácia významne hrubá zrná v HAZ, čím znižuje plasticitu a húževnatosť kĺbu. Nevhodné miery chladenia môžu tiež viesť k vytvoreniu hrubej štruktúry Widmanstätten, čo je ďalší zhoršujúci sa spoločný výkon.
Vysoký elastický modul:Elastický modul titánu je iba polovica modelu ocele, čo vedie k dvojnásobnej deformácii ocele pod rovnakým zváracím napätím. Táto „mäkká, ale tvrdá“ vlastnosť spôsobuje, že počas zvárania je náchylná na titán k zvlnenej deformácii, najmä pri zváraní tenkých dosiek. Na kontrolu deformácie sú potrebné pomocné opatrenia, ako je pevné fixovanie a nútené chladenie.
Citlivosť na transformáciu fázy:Titanium existuje v dvoch alotropoch: (hexagonálne zatvorené - balené) a (Body - centrované kubické), s teplotou fázovej transformácie 882 stupňov. Počas zvárania HAZ prechádza fázovej transformácie - do -. Nadmerne rýchle alebo pomalé ochladenie môže viesť k štrukturálnym abnormalitám, ako je tvorba acikulárneho martenzitu alebo hrubého widmanstattenitu, čo významne znižuje húževnatosť kĺbov.
Na riešenie týchto problémov inžinieri vyvinuli technológiu „Pulsed Tig Welding“. Táto technológia využíva vysoký - frekvenčný impulzný prúd na reguláciu tepelného vstupu, čo vedie k jemnej, rovnovážnej štruktúre zŕn vo zvaru. Ďalej sa používa proces „dvojitého -, ktorý sa používa simultánny argónový tiening“, s ťahovým štítom umiestneným na zadnej strane zvaru, aby sa zabezpečilo, že oblasti nad 400 stupňov sú vždy chránené inertným plynom, čo bráni oxidácii a nitridácii.
„Zakázané zóny“ odlišného materiálneho zvárania
Zváranie titánu s inými kovmi (ako je oceľ, hliník a meď) predstavuje ešte zložitejšie výzvy:
Titán - oceľové zváranie:Pevná rozpustnosť železa v titáne je extrémne nízka, čo vedie k tvorbe veľkého množstva tvrdých a krehkých intermetalických zlúčenín FETI a februára na rozhraní počas zvárania. Tieto zlúčeniny môžu dosiahnuť tvrdosť HV800-1000, čo je ďaleko presahujúca titánovú matricu (HV200-300), čo vedie k krehkému zlomeninám v kĺbe. Ďalej sa koeficienty tepelnej expanzie titánu a ocele líšia faktorom troch, ktoré vytvárajú významný stres počas zvárania a ďalej zvyšujú riziko zlyhania kĺbu.
Titán - zváranie hliníka:Pri vysokých teplotách tvoria titán a hliník intermetalické zlúčeniny, ako sú Tial a Tial₃. Tieto zlúčeniny sú mimoriadne krehké a tepelná vodivosť titánu a hliníka sa líši faktorom 16, čo vedie k nerovnomernému rozloženiu tepla počas zvárania a náchylnosti k praskaniu. Okrem toho je rozpustnosť vodíka v kvapalnom hliníku 1000 -krát vyššia ako v pevnom hliníku. Počas tuhnutia unikne plynný vodík, tvoria póry a zhoršujúci sa výkon kĺbu.
Titán - zváranie medi:Meď a titán tvoria intermetalické zlúčeniny, ako sú Ti₂CU a TICU pri vysokých teplotách. Ďalej má meď nižší bod topenia ako titán, čo môže ľahko viesť k nedostatočnému topeniu na titánovej strane alebo prehrievaniu na strane medi počas zvárania. Ďalej môže rozdiel v rozpustnosti vodíka v kvapalnej medi spôsobiť póry vodíka, čím sa znižuje tesnosť kĺbu.
Na prekonanie obmedzení odlišného zvárania inžinieri vyvinuli technológiu „prechodnej vrstvy“. To predstavuje strednú vrstvu vanadia alebo niklu medzi titánom a odlišnými kovmi, aby sa inhibovala tvorba intermetalických zlúčenín. Ďalej, tuhé techniky zvárania s pevným -, ako je zváranie difúzie vákua a zváranie trenia, dosahujú spojenie prostredníctvom atómovej difúzie, čím sa zabráni metalurgickým problémom spojeným s topením.
„Precízny tanec“ kontroly procesu
Zváranie titánu je mimoriadne citlivé na parametre procesu:
Aktuálne ovládanie:Zvárací prúd musí byť presne upravený podľa hrúbky dosky. Nadmerný prúd bude mať za následok hrubé zrozumitie, zatiaľ čo príliš nízky prúd bude mať za následok nedostatočnú penetráciu. Pri pulznom zváraní TIG musí byť zodpovednosť základného prúdu a špičkového prúdu optimalizovaná na reguláciu tepelného vstupu a morfológie zvarovej fondu {. 2. rýchlosť zvárania: rýchlosť zvárania sa musí riadiť v spojení s prúdovým a tieniacim prietokom plynu. Nadmerná rýchlosť môže ľahko spôsobiť pórovitosť, zatiaľ čo príliš pomalé rýchlosti môžu rozšíriť teplo -. Pri laserovom zváraní musí byť vstup tepla regulovaný nastavením bodového priemeru a frekvencie impulzov.
Dizajn drážky:Zváranie titánu vyžaduje ostrú drážku tvaru v -. Otupné okraje musia byť striktne ovládané a čistené pomocou drôtenej kefy z nehrdzavejúcej ocele, kým nie je lesklý kov. Akákoľvek oxidová vrstva alebo škvrny od oleja spôsobia kontamináciu zvaru, takže pred zváraním sa vyžaduje konečné čistenie acetónom alebo bezvodým alkoholom.
Environmentálna kontrola:Zváranie titánu sa musí vykonávať v prostredí s nízkym - s relatívnou vlhkosťou udržiavanou pod 60%, aby sa zabránilo tvorbe vodíkových pórov. Automatizované zváranie vyžaduje utesnenú komoru a prietok suchého inertného plynu, aby sa zabezpečilo úplne čisté prostredie zvárania.
Výzvy v titánovom zváraní už dlho bránili jeho uplatňovaniu. Avšak s pokrokom v technológii vedy o materiáloch a zváraní inžinieri vyvinuli celý rad roztokov: pokročilé procesy, ako je zváranie vákuových elektrónových lúčov, laserové zváranie a pulzné zváranie TIG. V kombinácii s inteligentnými kontrolnými systémami tieto procesy presunuli titánové zváranie od spoliehania sa výlučne na skúsenosti skúsených zváračov na presnú parametrickú kontrolu.
