Svařování titanu

O titanu

Titan a jeho slitiny nabízejí nejlepší poměr pevnosti k hmotnosti. Charakterizuje je vysoká odolnost proti korozi (kyseliny, chloridy a soli) a velmi široký rozsah provozních teplot: od -196 do 590 °C.
Titan je alotropický kov, který podléhá transformaci alfa/beta fáze při teplotě 882 °C. Fázové složení slitiny má významný vliv na její mechanické vlastnosti. Má nízkou hustotu 4,51 g/cm a vykazuje nízkou tepelnou vodivost. Titan je odolný vůči důlkové, intergranulární a stresové korozi. Slitiny titanu vykazují podobnou odolnost proti korozi a příznivé mechanické vlastnosti, především vysokou únavovou pevnost.

Fázové složení slitiny titanu – druhy

• Nejběžnějšími nelegovanými druhy jsou třídy (Grady) 1, 2, 3 a 4 ASTM. Liší se mezi sebou obsahem kyslíku a železa; vyšší množství těchto prvků zvyšuje pevnost v tahu, ale snižuje jejich plasticitu. Grade 2 je nejčastěji používanou třídou, zejména v aplikacích, kde je požadovaná odolnost materiálu vůči korozi. Nelegované třídy mají dobrou plasticitu, dobrou pevnost při zvýšené teplotě (do cca 572 °C) a vynikající svařitelnost.
• Alfa slitiny jsou jednofázové slitiny obsahující až 7 % hliníku a malé množství (<0,3 %) kyslíku, dusíku a oxidu uhličitého.
• Slitiny alfa-beta mají charakteristickou dvoufázovou mikrostrukturu vytvořenou díky legujícím prvkům (až 6 % hliníku a různých prvků beta fáze, jako je vanad, chrom a molybden). Titan Grade 5 (Ti-6AI-4V) je alfa-beta a je nejčastěji používanou třídou titanu (podle různých zdrojů je to 50 až 70 % všech použití). Přidání hliníku a vanadu zvyšuje pevnost v tahu na 120 000 psi, horní mez provozních teplot na 752 °C a také způsobuje, že titan Grade 5 je méně plastický a obtížněji svařitelný než Grade 2. Používá se hlavně v leteckém průmyslu, ale také v energetickém a pobřežním průmyslu.
• Slitiny beta jsou těžce svařitelné a používají se v celé řadě produktů, jako jsou antény odolné proti ohybu v mobilních telefonech, brýlové rámy, ortodontické dráty a cévní stenty. Titan Grade 9 lze na rozdíl od Grade 4 použít při vyšších teplotách, je o 20 až 50 % trvanlivější než čistý technický titan, je také více plastický a snadněji svařitelný než Grade 5. Titan Grade 23 je podobný Grade 5, ale má snížený obsah kyslíku, který zvyšuje houževnatost a lomovou houževnatost pouze s mírným poklesem pevnosti.

Svařování titanu

Titan a jeho slitiny mohou být svařovány s tím, že je nutné použití materiálů shodných z hlediska chemického složení. Chemické složení svařovacích materiálů je uvedeno ve standardu AWS A5.16-2004. Doporučená pojiva pro běžně používané slitiny titanu jsou uvedena v tabulce. Při svařování slitin titanu s vyšší pevností lze pro dosažení správné houževnatosti svařovaného kovu použít drát s nižší pevností.

Čištění

Svařování titanu metodou TIG vyžaduje vysokou čistotu základního kovu a pojiva. Svařovací místnost musí být bez prachu a oleje. Jakákoli kontaminace bude reagovat s ochranným plynem a zvýší křehkost materiálu, což může vést k rychlé destrukci svaru. Je důležité, aby lepicí a spojovací prvky byly důkladně očištěny od oxidů, které vznikají při kontaktu titanu se vzduchem. Oxidová vrstva má vliv na odolnost titanu proti korozi. Před svařováním musí být odstraněna, protože se taví při vyšší teplotě než titan a může se dostat do svarové lázně. V dlouhodobém horizontu vytvoří ona inkluze, které oslabí svar.

Čištění lze provést kartáčem nebo bruskou, která předtím nebyla ve styku s ocelí. Ocelová vlna a brusiva se nedoporučují, protože mohou způsobit kontaminaci materiálu. Pomocí hadříku a acetonu očistěte materiál a svařovací drát těsně před svařováním (před svařováním přesuňte aceton na bezpečné místo!). Použití čistých rukavíc je naprosto nezbytné, aby byl materiál chráněn před možnou kontaminací. Než začnete svářet, nechte ředidlo úplně odpařit.

Dopasování okrajů

Při svařování titanových trubek je velmi důležité, aby okraje při svařování zabránily vnikání kyslíku. Svařovací drážka by měla být čtvercová (drážky ve tvaru písmene V nejsou povoleny), což umožní minimalizovat množství tepla a drátu potřebného k vyplnění drážek. To zase snižuje pravděpodobnost svařování a kontaminace svaru. Titanové tenkostěnné trubky a tenké plechy není nutné zahřívat. Pokud však svařujete titan tlustší než 3,17 mm, kontaktujte svého dodavatele svařovacího zařízení (zahřívání materiálu může v některých případech usnadnit svařování).

Ochranný plyn

Titan patří do skupiny reaktivních kovů. Při pokojové teplotě titan reaguje s kyslíkem a tvoří oxid titaničitý. V důsledku kontaktu titanu s kyslíkem se na jeho povrchu tvoří pasivační vrstva o tloušťce asi 2 nm. Tato vrstva vytvořená na povrchu umožňuje zvýšit odolnost kovu proti korozi.

Po zahřátí se titan stává velmi reaktivní a snadno se spojuje s kyslíkem, dusíkem, vodíkem a oxidy uhlíku. Během oxidace se na povrchu titanu vytvářejí specifické barvy, ale ve skutečnosti jsou to různé tloušťky oxidové vrstvy. Díky absorpci těchto oxidů je svařovaná struktura křehká a může způsobit, že svařovaný prvek je neužitečný. Z tohoto důvodu musí být tepelná zóna izolována od atmosféry, dokud teplota neklesne pod 342 °C.

Jednou z nejčastějších chyb při svařování titanu je nesprávné použití ochranného plynu před prvním zapálením oblouku. Před zahájením svařování doporučujeme provést několik testů na zkušebních kusech. Aby bylo zajištěno, že čistota plynu splňuje specifické požadavky, AWS (Americal Welding Society) doporučuje před svařováním používat analytická zařízení k měření čistoty ochranného plynu. Typické technické specifikace vyžadují, aby ochranný plyn (obvykle argon) měl čistotu nejméně 99,995 %, s hladinou volného kyslíku 5 až 20 ppm. Rosný bod je -45 až -60 °C.

Doporučujeme použití ofukovacích krytů, které slouží k zajištění ochrany inertního plynu pro svařovací místo a jeho okolí. Eliminují také turbulenci ochranného plynu. Tyto turbulence mohou způsobit smíchání plynu se vzduchem, což degraduje svařovaný spoj. Čím vyšší je hladina kyslíku (počet jednotek na milion jednotek ochranného plynu), tím větší je změna barvy (degradace) svaru nebo povrchu materiálu.

Zařízení pro ofukování ochranného plynu se používá k vytvoření argonového štítu (polštáře) při svařování titanových komponentů. Udržování správné úrovně inertizace (odstranění kyslíku) chrání před zabarvením svaru uvnitř svařovaného prvku.

Nezapomeňte vždy používat čistou plynovou hadici z neporézního plastu k připojení hořáku, vysokopecnímu víčku nebo válci. Nepoužívejte gumovou hadici, protože guma je porézní a absorbuje kyslík, který může později kontaminovat svar.

Testování plynového krytu

Nastavte svařovací stroj TIG na přibližně 50 ampér. Nastavte průtok ochranného plynu. Držte hořák TIG v úhlu 90 stupňů nad vzorkem a zahajte oblouk. Pak musíte vytvořit svařovací lázeň o velikosti cca 6–10 mm. Oblouk by se měl udržovat ve výšce stejné jako průměr použitého wolframového drátu po dobu asi 7 vteřín. Po zastavení svařovacího oblouku držíme držadlo s plynovým ventilem nad vzorkem, dokud teplota svaru a povrch kolem něj neklesne pod 342 °C, což by mělo trvat asi 15 sekund. Pokud argon není kontaminován, budou elektroda a svařovací lázeň dokonale stříbrné barvy.

Svařování titanu – tipy

Normy ASTM obsahují 31 druhů titanu. Různé třídy slouží potřebám různých kombinací mechanických vlastností a odolnosti proti korozi, deformovatelnosti, snadnosti výroby a svařitelnosti. Svařování titanu je relativně podobné svařování jiných kovových slitin.

Polaritu zařízení vždy nastavujte na stálý proud se záporně nabitou elektrodou (DCEN). DCEN nabízí hlubší průnik a menší šířku sváru ve srovnání s DCEP.

Doporučují se wolframové elektrody 2% / 98%. Pro průměry 1,6 mm nebo menší – proud menší než 125 ampérů, pro průměry 1,6–2,4 mm od 125 do 200 ampérů a 2,4–3,2 nad 200 ampérů.

Nastavte průtok plynu mezi 15 až 20 psi, použijte plynovou čočku pro rovnoměrné rozložení plynu a vytvořte plynulý tok plynu. Průměr čočky by měl být alespoň 18 mm–26 mm.

Abyste zabránili vniknutí nečistot do svařovací lázně, sledujte konec svařovacího drátu. Pokud se na konci drátu objeví zbarvení, odstřihněte zbarvený konec. Svařovací materiály by měly být skladovány ve vzduchotěsné nádobě.

Malá šířka svaru minimalizuje tepelnou zónu a zajišťuje, že svar nepřekračuje dosah ochranného plynu. Před svařováním použijte kartáč z nerezové oceli k odstranění oxidů titanu.

Po vypnutí oblouku držte držadlo s plynovým ventilem ve svařovací poloze tak, aby proud ochranného plynu nadále zakrýval svařované struktury, dokud jejich teplota neklesne pod 372 °C. Teplotu svaru můžete zkontrolovat pomocí infračerveného indikátoru. Doba toku bude záviset na hmotnosti, velikosti svaru a celkovém teplu.

Svařujte na nejnižší úrovni proudu, která stále zajišťuje úplné roztavení kovu. Nepohybujte drátem příliš rychle, protože to je hlavní příčina poréznosti svaru.

Horní a spodní část svaru označuje správné použití ochranného plynu – žádné zbarvení svaru. Svary by měly být stříbrné nebo světle slámové barvy. Všechny ostatní barvy jsou ve svaru známkou nečistot a měly by být kontrolou kvality odmítnuty.

Při přidávání svařovacího drátu se ujistěte, že konec drátu zůstává v oblasti ochranného plynu. S pomocí techniky DAB může být celkový tepelný příkon omezen (nenechávejte konec drátu ve svařovací lázni – tím se zvýší hmotnost kovu a celkové teplo potřebné k jeho roztavení).

Pokud svařovací drát nebude držen v oblasti plynového štítu, bude špička špinavá/odbarvená. Před opětovným svařováním odstřihněte kontaminovaný konec.

1. Zbarvení musí být odstraněno před dalším svařováním.
2. Na svaru a v zóně ovlivněné teplem do 0,8 mm za svarem.
3. Barvy: fialová, modrá, zelená, šedá a bílá jsou nepřijatelné.

Nekceptovatelné barvy:
světle modrá, tmavě modrá, zelená, šedá, bílá

Další články