Пайка титана в домашних условиях - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Пайка титана в домашних условиях

Технологический процесс пайки металлов

Титан по совокупности физико-механических свойств является одним из важнейших современных конструкционных материалов. Он почти в 2 раза легче, чем углеродистые стали и многие цветные сплавы, его плотность равна 4,5 г/см 3 .

Титан высокопрочный (σв = 30 ÷ 60 кгс/мм 2 ) и пластичный металл (б = 25 ÷ 50%). Коррозионная стойкость титана в ряде агрессивных сред превосходит нержавеющие стали.

Титан довольно широко распространен в природе, его в 10 раз больше, чем Мп, Сr, Си, Zn, V, Ni, Со, Mn, W и Nb вместе взятых. Эти и ряд других ценных свойств открывают большие возможности широкого применения титана в промышленности.

На поверхности титана всегда имеется альфированный слой, насыщенный атмосферными газами. Перед пайкой этот слой необходимо удалить пескоструйной обработкой или травлением в растворе следующего состава: 20-30 мл H2N03, 30-40 мл.НCl на литр воды.

Время травления 5-10 мин при комнатной температуре. После такой обработки на поверхности титана все же остается тонкая окисная пленка, препятствующая смачиванию титана припоем.

Поэтому иногда пытаются паять титан с применением специальных флюсов, по составу и химизму действия аналогичных флюсам для пайки алюминия. Но соединения титана, паянные с применением таких флюсов, получаются недостаточно качественными.

Обычно пайку титана и его сплавов ведут в вакууме или в аргоне марки А, который тщательно очищен от примесей кислорода, азота и паров воды. Только в такой чистой атмосфере или в вакууме окисная и нитридная пленки на титане растворяются в металле при условии, что температура пайки выше 700°С.

Поэтому процесс пайки титана ведут обычно при температуре 800-900°С, что способствует быстрой очистке поверхности титана и хорошему смачиванию его припоями.

Пайку титановых сплавов при более высокой температуре производят довольно редко, особенно печную, так как при длительном нагреве при температуре выше 900° С он склонен к росту зерна и к некоторому снижению пластических свойств.

Поскольку предел прочности основного металла при этом практически не снижается, то в отдельных случаях соединение титановых сплавов пайкой производят даже при 1000° С

Водород, всегда находящийся в титане и снижающий его пластичность, удаляется при пайке (или нагреве) в вакууме 10- 4 мм рт. ст. при температуре около 900° С, поэтому пайка титана в вакууме предпочтительнее чем пайка в нейтральной атмосфере.

При выборе припоя, способа и режимов пайки необходимо иметь в виду, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве почти со всеми элементами, входящими в припои.

Поэтому в качестве основы припоя часто выбирают серебро, которое образует с титаном интерметаллиды, предположительно менее хрупкие, чем с другими металлами.

Иногда за основу припоев выбирают алюминий, который образует с титаном oграниченную область твердых растворов, что позволяет рассчитывать получение менее хрупких, паяных соединений.

Из указанных припоев практическое применение нашли серебряные припои, которые позволяют получить при пайке в печи при температуре 950-1000°С высокопрочные паяные соединения.

Так, например, при пайке титана ВТ1Д чистым серебром в атмосфере аргона предел прочности (σв) паяных соединений составляет 18- 20 кгс/мм 2 , а при пайке серебром, легированным марганцем (10-15%), предел прочности (σв) паяных соединений достигает 28 кгс/мм 2 .

При этом соединения, паянные чистым серебром, неустойчивы против коррозии и в течение года (в городской атмосфере) снижают свою прочность на 25-30%.

Еще более высокие значения предела прочности паяных соединений можно получить при высокотемпературной пайке титана припоями на основе никеля или меди (σв = 30 кгс/мм 2 ), но эти металлы очень быстро растворяют его, вызывая сильную эрозию и охрупчивание в зоне швов.

Для получения более пластичных и прочных соединений с успехом применяют диффузионную пайку титана, сущность которой заключается в том, что изделие, паянное минимально необходимым количеством припоя, например никелем, медью, железом, кобальтом и другими металлами, выдерживают при температуре пайки до тех пор, пока в паяном соединении не образуется пластичный твердый раствор. Прочность соединений, полученных таким способом, близка к прочности основного металла.

Пайка титановых сплавов оловянно-свинцовыми и другими низкотемпературными припоями применяется редко. В этом случае перед пайкой титан покрывают никелем химическим или гальваническим способом. Для увеличения сцепления никеля с титаном его подвергают нагреву до 250° С в течение 1 ч. После этого пайку производят теми же припоями и флюсами, которые применяют для чистого никеля.

Паять титан и его сплавы легкоплавкими припоями возможно также после предварительного покрытия деталей оловом, серебром или медью. Для покрытия оловом подготовленное под пайку изделие быстро опускают на 10-20 мин в нагретое до 700° С олово.

Покрыть титан оловом можно и при помощи флюса, в состав которого входит хлористое олово. Компоненты флюса просушивают и применяют в мелкоразмолотом виде. Деталь покрывают флюсом толщиной до 3 мм и нагревают в печи с нейтральной средой до 350-400°С.

Медное покрытие может быть получено погружением изделия на несколько секунд в расплавленную хлористую медь или ее смесь с другими хлоридами меди при температуре 650-700°С.

Серебром титан покрывают методом погружения изделия в расплавленное серебро. После охлаждения деталь очищают от остатков флюса и шлака паром или кипячением в воде с последующей зачисткой наждачной бумагой или щеткой. Луженое изделие паяют легкоплавкими припоями с температурой плавления не более 200°С с применением канифольных флюсов.

Перед нанесением покрытия детали обрабатывают в соответствии с технологией, применяемой в гальванотехнике.

Технология пайки титана в домашних условиях

Титан по физико-механическим характеристикам выступает в качестве наиболее важного современного конструкционного материала. Его довольно широко используют в промышленности и быту, поэтому в некоторых случаях производится его пайка. Его вес практически в 2 раза меньше, если производить сравнение с углеродистыми сталями и рядом цветных сплавов. Показатель его плотности эквивалентен 4,5 г/см 3 . Титан – очень прочный (минимальный показатель σв равен 300 МПа), пластичный (δ эквивалентен пределу от 25 до 50 %) металл; показатель его коррозионной устойчивости в некоторых агрессивных средах превышает данную характеристику, свойственную коррозионно-стойким сталям.

Аргоно-дуговая сварка титана.

Особенности пайки титана

На поверхности титана есть альфированный налет, который предполагает наличие атмосферных газов. Перед процессом пайки упомянутый слой следует устранять, применяя для этого пескоструйную обработку, заменить которую можно методом травления в смеси с определенным составом: 20-30 мл H2NO3, 30-40 мл НСl и 1 л воды. Период травления должен быть ограничен 5-10 мин. тогда как температурный показатель должен быть равен 20° С. После подобной обработки на поверхности материала все же будет присутствовать оксидный налет незначительной толщины, он станет препятствовать смачиванию основания припоем. По этой причине в домашних условиях мастера пытаются паять материал с использованием специальных флюсов, состав которых походит на тот, что имеют флюсы, предназначенные для работы с алюминием. Однако стоит быть готовым к тому, что сопряжения, получаемые посредством подобных флюсов, не обладают значительной прочностью и качеством.

Схема лазерной пайки расклинивающих пластин.

Как правило, титан и его сплавы претерпевают пайку в условиях вакуума или аргона, последний должен быть освобожден от частиц кислорода, водных паров и азота. Исключительно в идеальных условиях оксидный и нитридный налеты на поверхности материала нейтрализуются в металле, что верно, если температурный режим во время работ превышает показатель в 700° С. Это обуславливает работу с титаном при температурном режиме в пределах от 800 до 900° С, что гарантирует скорую очистку основания материала и интенсивное смачивание его припоями.

Пайку титановых сплавов при значительных температурах осуществляют не столь часто, что особенно касается печной плавки. Это объясняется тем, что при длительном нагреве, когда температура превышает 900° С, проявляется склонность к увеличению зерна и ухудшению пластических характеристик. Так как уровень прочности главного металла при этом почти не изменяется, в некоторых случаях сопряжение титановых сплавов методом пайки осуществляется и при отметке в 1000° С.

Водород, присутствующий в титане и понижающий его пластичность, устраняется в процессе пайки или во время нагрева при отметке в 900° С. Поэтому работа с титаном должна производиться в пространстве, лишенном воздуха, это предпочтительнее по сравнению с работами в условиях нейтральной атмосферы.

Титан хоть и предполагает обеспечение сложных условий, но все же поддается плавке, тогда как чугун относится к трудносвариваемым металлам.

Увеличение температуры при сварке и последующее охлаждение способствуют изменениям структуры характеристик чугуна в областях расплавления и шва, что указывает на то, что получить соединения, лишенные дефектов, с требуемым уровнем свойств, очень сложно.

  • необходимость использования специальных флюсов;
  • необходимость вакуума;
  • рекомендуется использовать в качестве основы припоя серебро.

Рекомендации по проведению пайки

Схема установки пайки волной.

Пред тем как произвести пайку титана дома, нужно правильно подобрать припой, метод и особенности проведения работ. Следует учесть, что титан способствует возникновению хрупких интерметаллидов в паяном шве практически со всеми элементами, которые находятся в припое. По этой причине в роли основы припоя, как правило, предпочитают серебро, образующее с титаном не столь хрупкие интерметаллиды по сравнению с остальными металлами.

Произвести качественную пайку чугуна самостоятельно весьма проблематично, что касается и пайки титана в вакууме посредством бездобавочного алюминия. Это объясняется тем, что в шве возникают интерметаллидные фазы, а сопряжение не обладает никакой прочностью.

Толщину прослойки можно минимизировать, если в роли припоя использовать алюминий, легированный Ni. Этот и некоторые иные элементы по 1% сказываются на вытеснении интерметаллидной прослойки.

Пайку сплавов описываемого металла посредством оловянно-свинцовых или иных низкотемпературных припоев используют нечасто. В данном случае перед началом работ титан нужно покрыть никелем, применив химический или гальванический метод. А вот если необходимо использовать чугун в процессе пайки, то предпочтительнее доверить дело профессионалам.

Читайте также:  Температура пайки smd компонентов

Особенности сварки титана и титановых сплавов. Технология сварки и необходимое оборудование

Титан и его сплавы нашли широкое применение в самых ответственных отраслях современного машиностроения, благодаря их низкой массе, высокой прочности и стойкости к агрессивным химическим средам.

Особенности сварки титана и его сплавов

В то же время сварка этих материалов сильно затруднена, что объясняется рядом их свойств:

  • высокая температура плавления (1470-1825℃);
  • склонность к увеличению размеров кристаллов и появлению пор при температурах более 880℃;
  • окисление металла атмосферным воздухом, высокая химическая активность всех зон, температура которых превышает 400℃;
  • сплавы, содержащие железо, хром, марганец, молибден, вольфрам или ванадий, склонны к закалке и обладают низкой пластичностью, в ряде случаев после сварки требуется их отжиг.

Эти факторы обусловили необходимость сварки титана и его сплавов в защитных газовых средах, в первую очередь, аргоновой и гелиевой. Кроме того, одной из главных задач сварочного оборудования, задействованного в работе с данными металлами, является минимизация времени и площади термического воздействия как на шов, так и на прилежащие к нему зоны.

Вне зависимости от использованного вида сварки и технологического процесса прочность шва по отношению к прочности основного металла не превышает 80%, что нужно учитывать при проектировании титановых конструкций.

В настоящее время ведется поиск более эффективных методов соединения материала.

Подготовка титана и его сплавов под сварку

Процесс изготовления любых полуфабрикатов и заготовок из титана и его сплавов связан с термической обработкой металла. Это значит, что на поверхности изделий содержится плотная оксидно-нитридная пленка, без разрушения которой сварочные работы будут невозможны или неэффективны. Поэтому процесс подготовки к сварке имеет такую последовательность:

  1. Подгонка заготовок, кромкование в случае необходимости.
  2. Механическая обработка (шлифование) подготовленных кромок, а также прилегающих к ним поверхностей.
  3. Химическая обработка стыка. Для растворения остаточных пленок используется смесь дистиллированной воды, соляной кислоты и фторида натрия в пропорции 13:7:1. Время воздействия на металл составляет 5-10 минут, необходимая температура – около 60℃.
  4. Окончательная обработка. Непосредственно перед сваркой стык и прилегающие к нему зоны (шириной до 25 мм) зачищают металлической щеткой до характерного блеска, после чего обезжиривают спиртосодержащими составами.

Правильно проведенные подготовительные операции сводят к минимуму вероятность появления полостей в сварочном шве, его растрескивание или разрушение под нагрузкой, позволяют сформировать однородную устойчивую сварочную ванну.

Основные способы сварки материала

Из-за необходимости защиты шва от вредоносного воздействия окружающего воздуха, а также в связи со склонностью титана и титановых сплавов терять прочность при длительном термическом воздействии широкое распространение получили лишь такие виды сварки материала:

  • электродуговая в защитной газовой среде – предполагает быструю проварку шва неплавящимся или плавящимся электродом в камере, заполненной аргоном, гелием или другими инертными газами;
  • электрошлаковая сварка – обеспечивает защиту шва тугоплавкими фтористыми флюсами, плавление которых осуществляется низковольтным переменным током;
  • электронно-лучевая и лазерная технологии – позволяют проводить сварку в полностью изолированной безвоздушной среде при отсутствии прямого контакта с заготовками, высокая концентрация тепловой энергии гарантирует быструю проплавку и малую ширину шва;
  • альтернативные виды – включают сварку титана и его сплавов давлением, трением, взрывом и прочими способами, предполагающими взаимопроникновение стыкуемых поверхностей под действием механических сил.

Ограниченно применяются дуговая сварка под флюсом и контактная точечная сварка титана. Среди их преимуществ – относительная простота, дешевизна и низкая трудоемкость технологий, но качество шва значительно уступает рассмотренным выше методам.

В машиностроении распространена практика сварки изделий из титана или титановых сплавов со сталью. Она осложнена вероятностью возникновения хрупких химических соединений – титанидов железа (FeTi и Fe2Ti). Проблема решается выбором особых режимов проварки шва в среде аргона вольфрамовым электродом, а также методом комбинированных вставок, когда между заготовкой из титана и заготовкой из стали помещается прослойка из бронзы или тантала. Особо сложные соединения требуют совместного использования бронзы и ниобия, которые соединяют в камере с контролируемой атмосферой.

Технология сварки титана аргоном

Аргонодуговая сварка титана и его сплавов приобрела наибольшую популярность ввиду оптимального соотношения доступности технологического процесса и качества получаемых швов. Она широко используется как в массовом производстве деталей из титановых заготовок, так и в частных случаях.

Необходимое оборудование

Технология допускает использование любого электродугового сварочного аппарата, способного обеспечить жесткую вольт-амперную характеристику (обычно сила тока составляет не менее 140 А). Используются вольфрамовые электроды, особенности которых рассмотрены ниже. Поскольку свойства металла требуют непрерывной защиты стыка инертными газами, особую сложность представляет именно равномерная подача газа с необходимой интенсивностью.

Распространены три способа газовой защиты:

  • струйная – аргон подается в зону сварки направленной струей через специализированные сопла и отражатели, вытесняя атмосферный воздух;
  • местная – предполагает использование небольших герметичных камер, заполненных газом, работать в которых можно через гибкие рукава-манипуляторы;
  • полная – промышленный способ, при котором заготовки размещаются в камере с контролируемой атмосферой (например, УБС-1, ВКС-1, ВУАС-1), требует использования сварочного костюма-скафандра.

Важно помнить, что защите должна подвергаться не только сварочная ванна, но и обратная стороны стыка, а также все прилегающие к ним зоны, которые нагреваются до высоких температур в процессе сварки.

Выбор электродов

Для аргонодуговой сварки титана и титановых сплавов используют вольфрамовые электроды малого диаметра.

Если толщина стыка не превышает 3 мм, применяются электроды диаметром 1,5-2,0 мм без присадочного материала. Во всех остальных случаях толщина электрода соответствует толщине стыка, использование присадочной проволоки обязательно.

При первых же признаках износа или повреждения электрод заменяют. Работа неисправным электродом не только отрицательно сказывается на технических характеристиках сварочных швов, чувствительных к режиму проведения работ, но и может быть небезопасной для сварщика.

Присадочная проволока

Выбор присадочного материала зависит от марки титана или сплава, толщины заготовок, толщины электрода, параметров сварки, эффективности принятого метода защиты стыка от атмосферного воздуха. В большинстве случаев можно руководствоваться этой таблицей:

Марка материалаМарка присадочной проволоки
ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1ВТ1-00св, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св
ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20ВТ15, СПТ-2, СП-15
ВТ22 (с пост-термообработкой)ВТ20-1св, ВТ20-2св, СПТ-2
ПТ-7М, ПТ-3В, ПТ-1MВТ1-00св, СПТ-2, СП-15

Следует учитывать, что металлы марок ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 требуют использования щадящих режимов сварки, в том числе с минимальной погонной энергией. Для большинства других материалов требуются режимы с быстрым охлаждением.

Процесс сварки

Наличие и метод разделки кромок, а также параметры сварки зависят от толщины стыка. Обычно эта зависимость имеет такой вид:

Толщина металла, ммРазделка кромокСила сварочного тока, АНапряжение дуги, ВДиаметр присадочной проволоки, ммКоличество проходов, шт.
1-3Отсутствует40-9010-141,2-2,01
3-10Односторонняя прямая фаска под углом 35-45°120-20010-151,5-2,52-12
10-20Радиальная ванна с бортами, наклоненными на 15°180-28012-162,5-3,012-26
Более 20Двухсторонние прямые фаски под углом 30-35°230-28013-162,5-3,0Не менее 24

Электродуговую сварку титана и сплавов проводят в нижнем положении. Техника мало чем отличается от классической дуговой сварки, общий алгоритм действий включает следующее:

  1. Закрепление очищенных и обезжиренных заготовок на опорной поверхности с зазором, соответствующим конфигурации детали и режиму сварки (для листов толщиной 2,0-3,0 мм зазор составляет 0,5-1,5 мм).
  2. Подача аргона к месту стыка или в защитную камеру. При струйном методе защиты общий расход газа на обдув рабочей и обратной стороны шва составляет 12-16 л/мин для листов толщиной 2,0-3,0 мм.
  3. Поджигание дуги в начале шва. Происходит не раньше, чем через 15 секунд после начала струйной подачи аргона или сразу после вытеснения атмосферного воздуха из защитной камеры.
  4. Последовательная проварка шва. Осуществляется путем плавного и достаточно быстрого осевого перемещения, поперечное смещение следует свести к минимуму. Обычно электрод ведется углом вперед, а присадочную проволоку подают перпендикулярно ему.
  5. Повторная проварка шва в случае необходимости. Может проводиться до 40 последовательных проходов.
  6. Обрыв дуги и завершение работ. При этом подача аргона продолжается, пока металл в зоне стыка не остынет до 250-300℃ (для изделий небольшой толщины – около 45-60 секунд).

ТОП (нов) / Пайка-титан

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Титан и конструкционные сплавы на его основе нашли широкое применение в ряде отраслей промышленности благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, в частности, высокой удельной прочности, превосходящей сталь, алюминий и магниевые сплавы, высокой коррозионной стойкости.

Основной отличительной особенностью титана является его способность поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования. Наиболее активно идет взаимодействие с водородом – при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре. С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 500. 600°С с образованием оксида TiO2, называемого рутилом. С азотом титан реагирует при температуре выше 700°С, при этом образуются нитриды типа TiN в виде тонкого порошка или проволоки.

Особенности пайки титана

Паяемость титана и его сплавов определяется его высоким химическим сродством к другим элементам, в том числе кислороду, азоту, водороду. Это обусловливает, в частности, высокую химическую и термическую стойкость его оксидов. Взаимодействие с компонентами атмосферы приводит к образованию на поверхности титана хрупкого слоя твердого раствора кислорода и азота в титане (альфированный слой). Этот слой перед пайкой должен быть тщательно удален с поверхности паяемых деталей механическим или химическим способом (травлением, как правило, в растворах кислот).

Образование оксидов на очищенной поверхности титана при температуре 20˚С происходит сравнительно медленно, и пайка может быть проведена в течении первых суток после травления. При нагреве, особенно до температур выше 650-700˚С, скорость роста оксидной пленки резко возрастает.

Механизм окисления титана при нагреве в газовых средах можно представить как результат действия гетерогенных процессов: на границе «оксид-газ» происходит адсорбция кислорода, его ионизация и образование оксида, а также частичная диффузия атомов кислорода в глубину оксидной фазы; на границе «оксид-металл» осуществляется переход атомов кислорода из оксида в металлическую фазу с образованием твердого раствора внедрения и атомов титана в оксидную фазу. Движущей силой этих процессов является разность концентраций компонентов на границе раздела взаимодействующих фаз – С.

Читайте также:  Как спаять медные провода паяльником

Рис.…. Модель окисления, охватывающая растворение кислорода в металле и образование оксидной пленки: y – толщина оксидной пленки, h – глубина газонасыщенного слоя,  – глубина охрупченного слоя.

Из схемы окисления следует, что изменение толщины оксидной пленки на поверхности титана в общем случае можно представить как разность скоростей процессов образования оксидной пленки (VО) и ее утонения (VР) за счет растворения кислорода в титане

,

где y – толщина пленки оксида,  – время.

Следовательно, при пайке можно создать условия, при которых рост оксидной пленки сменится ее растворением. На возможность реализации процесса пайки существенное влияние оказывают как парциальное давление кислорода, так и температура нагрева. Однако, повышение температуры приводит к увеличению скорости взаимодействия кислорода с титаном. При этом кислород, растворяясь в титане приводит к увеличению толщины альфированного слоя на его поверхности, что особенно актуально для деталей малой толщины, поскольку в этом случае толщина альфированного слоя соизмерима с толщиной самой детали. В этом случае, после длительного нагрева, даже в условиях вакуума, возможно существенное охрупчивание материала, вплоть до полной потери работоспособности.

Кроме того, нагрев и выдержка при повышенных температурах, при которых происходит активное растворение кислорода в титане, приводит к значительному увеличению скорости роста его зерна, что снижает механические характеристики титана и его сплавов, а также приводит к интенсификации процессов образования и роста интерметаллидных прослоек.

Образование оксидной пленки на поверхности паяемого изделия и рост толщины альфированного слоя при пайке могут быть предотвращены, если изделие нагревать в атмосфере с низким парциальным давлением кислорода, например, чистом проточном аргоне или вакууме. Несмотря на то, что оксид титана TiO2 не восстанавливается в вакууме с остаточным давлением более 1,33∙10 -3 …1,33∙10 -5 Па, относительно большая растворимость кислорода в α-титане (до 20%) и низкое парциальное давление кислорода оказываются достаточными для предотвращения образования оксида на предварительно очищенной поверхности титана при нагреве, и способствуют очистке поверхности от оксида за счет его растворения в основном металле.

Традиционно титан и его сплавы паяют при температуре выше 700–860˚С, те есть выше температуры перехода α-титна в β-титан, в котором особенно высока растворимость кислорода. При этой температуре, при нагреве в среде с низким парциальным давлением окислительных компонентов, скорость образования оксидной пленки значительно меньше скорости ее восстановления за счет растворения кислорода в титане, что способствует «самоочищению» поверхности нагреваемых деталей.

При выборе припоя, способов и режима пайки необходимо иметь в виду, что в паяном шве титан образует хрупкие интерметаллиды почти со всеми элементами, входящими в припой. Поэтому в качестве основы припоя часто выбирают серебро, которое образует с титаном интерметаллиды, менее хрупкие, чем с другими металлами.

Для пайки титановых сплавов в вакууме и инертных газах применяют также серебряные припои, легированные палладием и галлием. Температура пайки этими припоями лежит в диапазоне 650…1000˚С. Получаемые при этом паяные соединения имеют высокие механические свойства, однофазны по структуре и бездефектны. Припои обладают низкой эрозионной способностью по отношению к титановым сплавам.

Высокие прочностные характеристики паяных соединений можно получить при высокотемпературной пайке титана припоями на основе никеля или меди (σв≈30 МПа), но эти металлы очень активно взаимодействуют с титаном, растворяют его, вызывая сильную эрозию и охрупчивание в зоне шва.

Наибольшую прочность паяных соединений можно обеспечить при пайке припоями на той же основе, что и основной паяемый металл, а также на основе металлов, образующих с ним неограниченные твердые растворы. Такой основой припоев при пайке титана могут быть цирконий и ванадий, образующие с титаном непрерывные твердые растворы с минимумом на диаграмме состояния. Важнейшими депрессантами титановых припоев кроме меди, никеля являются кобальт, кремний, германий, бериллий.

Наиболее часто применяемым припоем на основе титана является припой ВПр 16, содержащий 8…18% Ni, 11…14% Zr, 21…24% Сг, Ti – остальное. Известны также, разработанные в МИФИ-АМЕТО аморфные ленточные припои на основе титана СТИМЕТ 1201 аналогичного состава, и на основе циркония СТИМЕТ 1403 (9…11% Ti, 9…11% Ni+Cu+Fe+Be+Al+Ge, Тпл=680С). Применение аморфных припоев позволяет увеличить механические свойства паяных соединений на 10-40%, повысить пластичность в 1,5-1,8 раза, снизить массу паяных узлов.

Пайка титановых сплавов оловянно-свинцовыми и другими низкотемпературными припоями применяется редко. В этом случае перед пайкой титан покрывают слоем никеля, олова, серебра или меди. После этого пайку производят соответствующими припоями и флюсами.

Достаточно часто в качестве припоев для капиллярной пайки титана используют сплавы на основе алюминия. Этот металл образует с титаном двойную диаграмму состояния с химическими соединениями. Однако скорость роста интерметаллида TiAl3, образующегося по границе с паяемым металлом при температурах пайки, относительно невелика, что обусловлено сравнительно высокой его энергией активации, равной 154 Дж/моль. Соединения, паяные алюминиевыми припоями, имеют высокую коррозионную стойкость, а также достаточно высокую прочность. Эти припои также применяются и для пайки алюминиевых сплавов, поэтому их следует считать наиболее перспективными для пайки комбинированных конструкций из титана и алюминия.

Способы пайки титана

Пайка титана легкоплавкими припоями возможна только после предварительного лужения паяемой поверхности погружением в расплавленный припой при температурах, при которых тонкий слой пленки TiO2 может быть восстановлен вследствие растворения кислорода в титане при температуре 800-900С. После удаления оксидных пленок и нагрева в инертной среде смачивание титана выбранными припоями хорошее.

Перед пайкой титана с алюминием или алюминиевыми сплавами применяют предварительное алитирование титана в жидком алюминии.

Также нашли применение при пайке титана и флюсовые способы, причем флюсы, применяемые при пайке сплавов на других основах, не пригодны для пайки титана. Рекомендуемые в литературе флюсы для пайки титана и его сплавов содержат главным образом хлориды и фториды металлов и рекомендованы для пайки в пламени кислородно-ацетиленовых горелок и в печах. При газопламенной пайке с флюсами не удается добиться хорошего смачивания поверхности титана припоями и обеспечить стабильные механические характеристики паяных соединений. Лужение с помощью реактивных флюсов основано на способности титана восстанавливать металлы из их расплавленных солей. Процесс идет по следующим уравнениям:

При этом хлорид титана TiCl4 в виде газа улетучивается с поверхности металла, разрушая при этом оксидную пленку TiO2, а восстановленные олово и серебро покрывают чистую поверхность облуживаемого металла. После окончания реакции и охлаждения деталей остатки флюса должны быть немедленно и тщательно смыты, а детали просушены. Очищенную поверхность титана и его сплавов, покрытую оловом или серебром, подвергают пайке обычными способами.

Опыты по ультразвуковой пайке титана не дали положительных результатов. Например, после ультразвукового лужения сплава ОТ4 слои припоев П200А и ПОС61 оказались слабо связанными с основным металлом.

Диффузионная пайка титана применяется при необходимости получить пластичные и прочные соединения. Сущность диффузионной пайки заключается в том, что изделие, паяное минимально необходимым количеством припоя, представляющим собой сплав титана с никелем, медью, железом, кобальтом эвтектического типа, выдерживают при температуре пайки до тех пор, пока в паяном соединении не образуется пластичный твердый раствор. Прочность соединений, полученных таким образом, близка к прочности основного металла. Широкое применение нашла контактно-реактивная диффузионная пайка, при которой припои с большим содержанием титана образуются при контактно-реактивном плавлении паяемого металла с тонкими (порядка десятка микрометров) прослойками деперссантов и тугоплавких металлов.

Наиболее производительным и перспективным способом пайки титана и его сплавов, особенно легированных алюминием, ванадием и молибденом, является печная пайка в вакууме или сухом проточном аргоне с точкой росы ниже –65С с предварительным вакуумированием контейнера. Пайку в вакууме осуществляют при остаточном давлении

10 -4 Па. При этих способах пайки активация поверхности титана обеспечивается путем восстановления оксида на его поверхности за счет растворения кислорода из него в основном металле. Это становиться возможным в том случае, когда скорость образования оксида меньше скорости его восстановления. Достичь этого можно путем снижения парциального давления кислорода в паяльной атмосфере. Время пайки в этом случае существенно зависит от величины парциального давления кислорода. При пайке титана в вакууме должен отсутствовать контакт его с углеродом, так как он имеет высокое химическое сродство с титаном.

Для снижения температуры начала смачивания при вакуумной пайке могут использоваться металлы-активаторы, вводимые в виде паровой фазы или в состав припоя. Так, например, при пайке титана эвтектическим силумином введение паровой фазы свинца позволяет снизить температуру начала смачивании с 670…700°С до 590…600°С.

При пайке в вакууме или инертных газах герметизация контейнера и чистота его внутренней поверхности оказывает большое влияние на качество паяного соединения. От действия кислорода, появляющегося в контейнере, наиболее успешно защищают экраны из коррозионно-стойкой стали или из титана в виде крышек или коробок. Наиболее эффективно в этом случае применение контейнеров с затвором, уплотняемым титановой губкой (геттером). В этом случае удается обеспечить условия нагрева, при которых практически отсутствует газонасыщение титана, даже при нагреве в условиях низкого вакуума (форвакуума).

Таким образом, большинство применяемых способов пайки титана и его сплавов, в том числе и пайка в вакууме, по принципу удаления оксидной пленки основаны на процессах ее растворении в самом титане.

Сварка титана и титановых сплавов. Как и чем варить титан и его сплавы?

Содержание

Особенности сварки титана и сплавов на его основе

Сварка титана и титановых сплавов всё чаще применяется в промышленности из-за их физико-химических свойств. Температура плавления титана составляет, по разным данным, 1470-1825°C. Титан способен сохранять высокую прочность до температуры 500°C, а также высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах.

Читайте также:  Микропайка своими руками

Основное условие для качественной сварки титана – это необходимость надёжной защиты зоны сварки и обратной стороны шва от вредного воздействия атмосферного воздуха. При этом, защищать нужно не только сварочную ванну, но и те участки металла, температура нагрева которых превышает 400°C. Кроме этого, необходимо обеспечить минимальный по времени нагрев свариваемых кромок.

Дополнительными трудностями при сварке титана являются его склонность к увеличению размера зерна при высоких температурах (выше 880°C) и к образованию пор.

Титановые сплавы склонны к закалке, в зависимости от легирующего элемента. Такие элементы как Cr, Fe, Mn, W, Mo, V, входящие в состав сплава, снижают его пластичность. Так, при температуре 250°C начинается интенсивное поглощение водорода, при 400°C кислорода и при 600°C азота.

Прочность сварного соединения титана и титановых сплавов, в зависимости от марки сплава и способа сварки плавлением составляет 0,6-0,8 прочности основного металла. Сварные соединения из титановых сплавов марок ВТ5, ОТ4, ВТ4 и др. не последующей термической обработке не подвергают. В отдельных случаях допускается выполнять отжиг для снятия напряжений.

Какие способы используют для сварки титана и его сплавов?

Титан и его сплавы свариваются плавлением только дуговой (ручной или автоматической) сваркой. Наибольшее распространение получила сварка в среде аргона или гелия под некислородным флюсом марки АН-11. Для изделий большой толщины применяют электрошлаковую сварку под флюсом марки АН-Т2. Кроме того, титан хорошо сваривается контактной сваркой в среде защитных газов или без неё. При сварке плавлением необходимо обеспечивать газовую защиту оборотной стороны шва в среде аргона. В связи с этим, рекомендуется применять сварку на подкладках или производить сварку встык.

Подготовка титана и его сплавов под сварку

Качество титанового сварного соединения во многом будет зависеть от технологической подготовки сварных кромок и сварной проволоки под сварку. У деталей из титана и титановых сплавов поверхность покрыта оксидно-нитридными плёнками, появляющимися после горячей обработки полуфабрикатов, из которых эти детали изготовлены.

Удалить эту плёнку можно при помощи механической обработки и следующего за ней травления в смеси 350мл соляной кислоты, 50г фторида натрия и 650мл воды. Время травления составляет 5-10мин, температура травления 60°C. Перед сваркой необходимо зачистить металлическими щётками сами сварные кромки, а также участки, на расстоянии 15-20мм от стыка до металлического блеска и обезжирить.

Ручная дуговая сварка титана и титановых сплавов

Технология, техника и режимы сварки

Ручную дуговую сварку титана вольфрамовым электродом выполняют постоянным током прямой полярности. При сварке используют специальные приспособления, с помощью которых обеспечивается защита зоны сварки, околошовной зоны, корня шва, а также остывающих участков шва. Такими приспособлениями могут быть, в частности, удлинённые насадки с отверстиями, защитные козырьки и др.

Защиту корня шва можно обеспечить, если плотно поджать сварные кромки к медной или стальной подкладке. Можно, также, использовать подкладку с отверстиями, или изготовленную из пористого материала и подавать через неё защитный газ. При сварке труб из титана защитный газ пропускают внутрь трубы.

Если толщина свариваемого металла не превышает 3,0мм, то при их сборке допускается зазор от 0,5мм до 1,5мм. В этом случае сварку производят без использования присадочного материала. Если используют присадочный материал, по составу сходный со свариваемым металлом, то диаметр электрода принимается равным толщине основного металла.

Приблизительные режимы для ручной дуговой сварки титана и его сплавов вольфрамовым электродом диаметром 1,5-2мм и присадочной проволокой диаметром 2мм составляют: сила тока 90-100А для сварки металла, толщиной 2мм и 120-140А для металла толщиной 3-4мм. Сварку производят постоянным током прямой полярности, как уже говорилось выше.

Ручную сварку титана проводят без колебательных движений, на короткой дуге. При этом наклон электрода должен быть в противоположную сторону от направления его движения, т.е. сварка выполняется “углом вперёд”. Если используется присадочный материал, то рекомендуемый угол между электродом и присадочным прутком составляет 90°. Подача присадочной проволоки осуществляется без перерыва.

После окончания процесса сварки и гашения электрической дуги, необходимо продолжать подачу защитного газа в течение 0,5-1мин, пока металл не остынет до температуры ниже 400°C. Этот приём помогает предотвратить окисление металла сварного шва и зоны термического влияния. Окисленный шов хорошо различается по цвету. Качественный шов окрашен в светлый, жёлтый или соломенный цвет. Некачественный шов имеет серый или чёрный цвет и наличие синевы в переходной зоне. На рисунке справа показаны неокисленный, качественный шов (сверху) и шов окисленный (снизу).

Видео: аргонодуговая сварка труб из титана

В представленных ниже коротких видеороликах подробно показан процесс сварки труб из титана в среде аргона с использованием специальных фартуков для защиты зоны сварки:

Автоматическая сварка титана и его сплавов

Автоматическая сварка титана и титановых сплавов выполняется вольфрамовым электродом. Выходные отверстия сварочной горелки должны быть не менее 12-15мм. При сварке неплавящимся электродом рекомендуются постоянный ток прямой полярности.

В связи с высокой активностью титана, зажигание и гашение горелки необходимо производить вне свариваемого изделия – на специальных планках. Также, как и при ручной сварки, после гашения дуги защитный газ необходимо подавать ещё в течение, примерно 1мин, чтобы предотвратить окислении шва и переходной зоны. Рекомендуемые режимы сварки титана для автоматической сварки в защитных газах и автоматической сварки под флюсом представлены в таблицах ниже:

Как паять стальные детали

Нередко возникает надобность скрепить стальные детали без сверлений, и без сварки. Выручит пайка стали. Но как это сделать правильно, ведь здесь имеются особенные нюансы. Несколько рекомендаций от специалистов.

Какая сталь паяется хорошо

Отдельные марки стали хорошо поддаются пайке, другие паяются с большим трудом, ни с каким припоем соединяться не желают, ни под каким флюсом. Как правило, мягкие стали «для гвоздей» легко паяются. На бытовом уровне это можно объяснить и тем, что материал усеян микроскопическими кратерами и неровностями. Но также имеются электротехнические марки, особо твердые и упругие, и применяемые для валов, точной механики. Здесь уже как повезет…

Вопрос в том, что определить марку на глазок домашнему мастеру невозможно. Узнать насколько хорошо паяется данная деталь из стали, или близкого к ней сплава, можно только экспериментальным путем.

Как выполняется соединение оловом – порядок действий

Все зависит от того, насколько удачно можно залудить данную деталь, насколько прочным окажется контакт оловянного припоя со сталью. Чтобы контакт оказался удовлетворительными, если это возможно вообще, нужно выполнить следующее:

    зачистку стали, химическую зачистка под припоем;

  • разогрев детали до температуры плавления припоя, нахождение припоя на детали под флюсом некоторое время в текучем состоянии.
  • Зачистка стали выполняется сперва механически, — наждачной бумагой, убираются слои ржавчины и загрязнений. Затем в качестве флюса применяется состав, который хорошо реагирует с окислами железа.

    Наиболее безобидной в применении, но эффективной в данном случае, оказывается ортофосфорная кислота, которую легко приобрести в автомагазине, как «очистку ржавчины».

    Требуемая мощность разогревающих устройств полностью зависит от массы деталей.

    Процесс пайки двух стальных деталей

    Если нужно спаять два больших гвоздя, то мощности одного паяльника 100 Вт будет маловато. Для разогрева зажатого в тисках большого гвоздя, или подобной по массе детали из стали, нужно воспользоваться строительным феном. Или газовой горелкой.

    Также понадобится вата на палочке, для подачи флюса в зону разогрева, и паяльник от 50 Вт.

      Зачищенная наждачкой сталь разогревается горелкой.

  • На горячую деталь наносится ортофосфорная кислота и тут же подается паяльником расплавленный оловянный припой.
  • Как правило, у стальных деталей, которые поддаются пайке, возникает весьма прочная связь с оловом, т.е. происходи покрытие металла, — залуживание.

    Это же повторяется с другой деталью. Затем разогреваются две детали, находящиеся вместе, и в зону контакта подается дополнительный припой паяльником.

    Насколько прочна пайка стали, можно ли сделать прочнее

    Прочность такого соединение будет обуславливаться многими факторами:

      прочностью связи припоя с металлом,

  • направлением нагрузки по отношению к спаянным плоскостям.
  • Но в любом случае прочность пайки оловом не идет ни в какое сравнение с тем, что привыкли понимать под прочностью характерной для стали или «сварка металла».

    Упрочить можно применив другой припой, — специальные прочные составы и более тугоплавкие с включением серебра, цинка, меди и др.

    Другое направление увеличения прочности – покрытие припоем не только плоскости, но и боковин детали, — охват детали припоем. Тогда сопротивление на отрыв при разнонаправленных нагрузках будет больше.

    Особопрочная пайка, особые припои

    Чтобы применить составы дающие прочное соединение со сталью, с собственной температурой плавления порядка 800 — 900 град, нужно использовать графитовый тигель.

    Работу должны вести только специалисты по плавке металлов. Необходимо знать основы плавления металлов, порядок обращение с расплавами и технику безопасности. В общем, пайка стали сверхпрочными припоями выполняется на специализированных предприятиях.

    Возможный состав припоя:

    • 55% цинка, 45% меди, немного кремния для увеличения текучести.

    Состав расплавляется под слоем угля в графитовом тигеле.
    Стальные детали, подлежащие пайке, разогреваются газовой горелкой.
    В качестве флюса используется ортофосфорная кислота.
    Расплав подается на детали. Как правило, залуживание и пайка производятся за один разогрев и деталей и припоя.
    Но подобная пайка стали по сложности превосходит простую сварку….

    Но в быту, где нужно «залатать», «прикрепить», «состыковать» две стальные детали, нужно пользоваться припоями с низкой температурой плавления, типа свинцово-оловянных.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector