Конспект лекций | Дефекты при сварке титановых сплавов и способы их предотвращения 

Электронно-лучевая сварка титановых сплавов имеет такие преимущества, как высокая плотность энергии и защита вакуумной среды, но также подвержена некоторым уникальным дефектам. Причины и меры предотвращения описаны ниже в зависимости от типа дефекта.

1. Пористость

(1) Причины: Неполная очистка перед сваркой, остатки масла, влага, оксидная пленка и т. д. на поверхности, разложение и выделение водорода при высокой температуре. Растворимость водорода в титане высока в жидком состоянии, но резко падает при затвердении. Водород, который не может вовремя выйти, образует поры. Расплавленная ванна имеет короткое время существования, и газу трудно всплывать.

(2) Меры предотвращения: Строгая предварительная очистка перед сваркой: сначала удалить масло (ацетон или специальное чистящее средство), затем протравить для удаления оксидной пленки и, наконец, очистить водой и спиртом и тщательно высушить. Контролировать исходное содержание водорода в основном материале (для титановых сплавов требуется чрезвычайно низкое содержание водорода). Используйте сканирование электронным лучом (круговое или синусоидальное сканирование) для перемешивания расплавленной ванны, чтобы помочь пузырькам выйти наружу. Соответственно уменьшите скорость сварки или увеличьте ток луча, чтобы продлить время пребывания расплавленной ванны в жидком состоянии. Предварительно нагрейте заготовку в вакуумной камере перед сваркой для дальнейшего удаления газа.

2. Трещины

(1) Типы Замедленные трещины, вызванные водородом (холодные трещины): Они появляются в сварном шве или зоне термического воздействия через несколько часов или дней после сварки и связаны с содержанием водорода и остаточным напряжением. Горячие трещины: Они могут возникать, когда титановые сплавы содержат много примесей, но встречаются относительно редко. Трещины коррозии под напряжением: Они возникают, когда определенная среда и напряжение действуют совместно.

(2) Причины Содержание водорода в основном материале или сварном шве превышает критическое значение. Сила сопротивления соединения велика, и остаточное напряжение сварки высокое. Структура сварного шва грубая и хрупкая, что снижает сопротивление.

(3) Меры по снижению риска Строгий контроль источника водорода: Основной материал соответствует низкому стандарту содержания водорода; Тщательно очистите камеру перед сваркой; поддерживайте чистоту вакуумной камеры и степень вакуума не ниже 5×10⁻³ Па. Оптимизируйте конструкцию соединения для уменьшения напряжений, возникающих при сжатии; избегайте острых углов, вызывающих концентрацию напряжений. Сразу после сварки проведите вакуумный отжиг для снятия напряжений (около 600–650℃) для устранения напряжений и удаления водорода. Выберите присадочную проволоку с чрезвычайно низким содержанием водорода. При сварке толстых и больших деталей перед сваркой можно использовать предварительный нагрев (около 150–200℃) для замедления скорости охлаждения и уменьшения склонности к упрочнению.

3. Неполное проплавление и неполное проплавление

(1) Причины: Отклонение выравнивания электронного луча или неправильное положение фокуса (недостаточная глубина фокуса). Недостаточные параметры сварки (слишком малый ток луча, слишком высокая скорость сварки). Чрезмерный зазор или смещение, приводящие к потере энергии электронного луча. Разница в теплопроводности в направлении толщины заготовки приводит к недостаточной энергии в корне.

(2) Меры по снижению рисков. Точная калибровка выравнивания электронного луча относительно центра сварного шва. Выбор подходящего фокусного положения (обычно немного ниже внутри заготовки) для обеспечения возможности проплавления. Определение оптимального напряжения ускорения, тока луча и скорости сварки путем экспериментов в зависимости от толщины пластины и типа соединения. Строгое обеспечение точности сборки и контроль зазоров и несовпадений. Для толстых деталей можно использовать сегментированное проплавление под высоким и низким давлением или двухстороннюю сварку.

4. Дефекты формирования сварного шва

(1) Проявления: Подрез, углубление на поверхности сварного шва, разрушение (прогорание), брызги, сварные швы типа «гвоздь», требующие ремонта и т. д.

(2) Причины: Чрезмерная плотность энергии или скорость сварки, чрезмерное испарение металла и колебания. Нестабильность сквозного отверстия приводит к брызгам и разрушению поверхности. Плохой контроль поверхностного натяжения и текучести материала вызывает подрез. Загрязнение вакуумной камеры или поверхности заготовки вызывает локальное выделение газа и отклонение луча.

(3) Меры предотвращения: Оптимизировать параметры электронного пучка, использовать медленное нарастание и медленное спад мощности, избегать мгновенного воздействия чрезмерной энергии. Ввести сканирование электронного пучка (например, круговое колебание) для стабилизации сварочной ванны. Соответственно уменьшить ток пучка или увеличить скорость сварки для уменьшения испарения металла. При необходимости хорошего формирования поверхности можно использовать расфокусированный электронный пучок или малый ток пучка для модификации сварки после сварки, чтобы сгладить сварочный шов. Добавить медную или керамическую подложку на обратную сторону для предотвращения утечки при сварке и контроля образования корня шва. Обеспечить чистоту вакуумной камеры и отсутствие остаточных летучих веществ в заготовке.

5. Окисление и азотирование (изменение цвета сварного шва)

(1) Причины: Недостаточная степень вакуума (утечка воздуха, плохое откачивание) или выделение газа из внутренней стенки вакуумной камеры или инструмента. Высокотемпературная зона сварного шва контактирует с остаточным кислородом и азотом, и на поверхности образуется окисленный цвет (бледно-желтый → темно-синий → серовато-белый). В тяжелых случаях это приводит к общему охрупчиванию и резкому снижению пластичности.

(2) Меры предотвращения: Убедитесь, что степень вакуума при сварке лучше 10⁻² Па (высокие требования к качеству предполагают значение лучше 5×10⁻³ Па). Регулярно проверяйте наличие утечек и поддерживайте вакуумную систему в рабочем состоянии. Уплотнительные кольца и смотровые окна должны быть целыми. Заготовки и приспособления должны быть тщательно очищены и высушены перед сваркой, чтобы уменьшить выделение газа со стенок камеры. Серебристо-белый сварной шов после сварки допустим; если он светло-желтый, необходимо проанализировать причину; если он темно-синий или серый, он неприемлем и подлежит утилизации. Для деталей сложной формы и трудноудаляемых внутренних газов можно использовать несколько циклов вакуумирования с заменой аргона, после чего производится вакуумирование до рабочего уровня.

6. Выгорание легирующих элементов

(1) Причины: Алюминий, олово и другие элементы в титановых сплавах имеют низкие температуры кипения и испаряются под действием электронных пучков высокой плотности энергии. Это приводит к отклонению химического состава сварного шва и снижению прочности. В то же время испарившиеся элементы загрязняют вакуумную камеру.

(2) Меры по снижению: Точный контроль подводимой тепловой энергии во избежание чрезмерной концентрации пучка. Соответствующее расфокусирование или увеличение амплитуды сканирования для снижения пиковой температуры расплавленной ванны. Использование сварочной проволоки, содержащей компенсирующие элементы, для присадочной сварки. В технологической спецификации указано соответствующее ускоряющее напряжение (для титановых сплавов, как правило, не следует использовать слишком высокое напряжение, например, не более 150 кВ).

7. Крупные зерна

(1) Причины: Титановые сплавы обладают низкой теплопроводностью, и сварной шов и зона термического воздействия остаются при высоких температурах в течение длительного времени, что приводит к быстрому росту β-зерен. После охлаждения образуются крупные видманштеттеновские структуры, что значительно снижает пластичность и усталостную прочность. Сплавы, близкие к α-фазе, и сплавы α+β особенно чувствительны, и их трудно измельчить путем термической обработки после сварки.

(2) Меры по снижению риска: Использование сварки с низким подводом тепла (малый ток луча, высокая скорость сварки). Использование сканирования электронным лучом или многопроходной сварки для уменьшения количества расплавленного материала, осаждаемого за один раз. Предварительный нагрев перед сваркой и быстрое охлаждение после сварки могут в определенной степени подавить рост зерен (требуется тщательный контроль во избежание растрескивания). Для заготовок, допускающих ковку, можно рассмотреть горячее изостатическое прессование (ГИП) после сварки в сочетании с термообработкой, но это дорого и имеет ограниченную область применения.

8. Трещины в кратере и дефекты при завершении дуги

(1) Причины: При завершении дуги энергия внезапно прерывается, расплавленная ванна быстро затвердевает, зернистая структура становится крупнозернистой и сопровождается напряжением, что легко приводит к образованию микротрещин или усадочных полостей в кратере дуги. Остаточная усадочная пористость в кратере дуги снижает усталостную прочность.

(2) Меры по смягчению последствий: Настройте программу ослабления тока электронного пучка, чтобы постепенно уменьшать ток пучка, позволяя расплавленной ванне постепенно сжиматься и полностью компенсировать потери. Можно использовать круговое сканирование для прекращения дуги или сегментированное ослабление. Положение прекращения дуги должно быть спроектировано как можно ближе к некритической зоне напряжений сварного шва, или следует добавить и, наконец, удалить пластину для запуска дуги и пластину для ее прекращения.

9. Резюме

Основные дефекты электронно-лучевой сварки титановых сплавов в основном связаны с тремя аспектами: водород/загрязнение → пористость и охрупчивание, термические напряжения и грубая микроструктура → трещины, и неправильный контроль высокой энергии → дефекты формирования и выгорание элементов.

Ключ к смягчению последствий:

① чрезвычайная чистота и вакуум, контроль источников водорода, кислорода и азота на протяжении всего процесса;

② Усовершенствованные параметры процесса и контроль морфологии электронного луча, использование сканирования, медленного подъема и спада, а также модифицированной сварки для стабилизации расплавленной ванны;

③ Разумная конструкция соединения и термообработка после сварки для устранения напряжений и воздействия водорода.
Строгий контроль вышеуказанных аспектов позволяет эффективно получать высококачественные, серебристо-белые и внутренне плотные сварные швы из титанового сплава, полученные электронно-лучевой сваркой.

10. Корреляция между загрязнением (образованием пузырьков) и недостаточной глубиной проплавления.

Между загрязнением (образованием пузырьков) и недостаточной глубиной проплавления нет обязательной причинно-следственной связи. Загрязнение не обязательно влияет на глубину проплавления. Это два относительно независимых дефекта с различными причинами и направлениями контроля.

Их можно понять на нескольких уровнях:

(1) Основные механизмы не перекрываются. Пузырьки/поры образуются, когда водород, разложившийся из загрязнений (масло, вода и т. д.), не успевает выйти во время затвердевания расплавленной ванны. Недостаточная глубина проплавления вызвана недостаточным подводом тепла при сварке или затрудненной передачей энергии. (2) Основными параметрами, определяющими глубину проплавления, являются ток пучка, напряжение, скорость сварки и положение фокуса.

(2) При незначительном загрязнении глубина проплавления может быть совершенно нормальной. Если это лишь небольшая масляная или оксидная пленка, во время сварки может образоваться большое количество пор, но пока параметры энергии электронного пучка остаются нормальными, он все еще может проплавить основной материал и достичь заданной глубины проплавления. В этом случае внутри сварного шва есть поры, но глубина достаточна.

(3) Сильное загрязнение косвенно влияет на проплавление сварного шва – это не неизбежно, а происходит только при достижении определенного уровня:

① Расход энергии: Толстые оксидные пленки (например, TiO₂) имеют чрезвычайно высокие температуры плавления, что требует дополнительной энергии электронного пучка для их расплавления, в результате чего снижается эффективная энергия, используемая для расплавления основного материала.

② Нарушение тока пучка: Загрязняющие вещества бурно испаряются в вакууме, образуя локальные «газовые облака», которые рассеивают электронный пучок, вызывая снижение плотности энергии и дрейф фокуса. Это напрямую ослабляет способность к проплавлению.

③ Нестабильность сварочной ванны: Загрязняющие газы вызывают резкие колебания или даже мгновенное закрытие сварочной ванны, что также может привести к неравномерному проплавлению сварного шва или локальному неполному проплавлению.

Поэтому «загрязнение» не обязательно означает «недостаточное проплавление сварного шва». Помимо этих серьезных особых случаев, загрязнение оказывает более прямое влияние на чистоту (пористость) и хрупкость сварного шва, чем на его проплавление.

Поэтому целесообразнее рассматривать эти два дефекта отдельно: для решения проблемы пористости следует сосредоточиться на чистоте и уровне вакуума; для решения проблемы проплавления сварного шва следует сосредоточиться на корректировке параметров сварки и оптической юстировке.