Titano suvirinimo kelias
Aukštos-gamybos ir tikslaus apdirbimo srityse titanas ir titano lydiniai, turintys unikalių fizikinių ir cheminių savybių, tapo pagrindinėmis medžiagomis tokioms pramonės šakoms kaip aviacija, medicinos prietaisai ir cheminė įranga. Tačiau ši medžiaga, vadinama „kosminiu metalu“, susiduria su daugybe iššūkių suvirinant -ji lengvai reaguoja su tokiomis dujomis kaip deguonis, azotas ir vandenilis esant aukštai temperatūrai, todėl gali kilti problemų, tokių kaip siūlių trapumas ir poringumo defektai. Dėl to titano suvirinimo procesas yra pagrindinė technologinė kliūtis, ribojanti jo taikymą.
Titano suvirinimo sunkumai kyla dėl didelio jo cheminio reaktyvumo. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad kai temperatūra viršija 300 laipsnių, titanas pradeda absorbuoti vandenilį; virš 450 laipsnių, jis sugeria deguonį; ir virš 600 laipsnių, jis jungiasi su azotu. Šios dujos sudaro intersticinius kietus tirpalus arba trapius junginius (pvz., TiH₂ ir TiN) titano gardelėje, todėl suvirinto metalo atsparumas smūgiams sumažėja daugiau nei 70 % ir netgi sukelia uždelstą įtrūkimą. Pavyzdžiui, titano lydinio ašmenys, skirti aviaciniam varikliui-, 24 valandas po suvirinimo įtrūko. Bandymai atskleidė, kad vandenilio kiekis šilumos paveiktoje zonoje tris kartus viršijo standartą, o tai rodo vandenilio trapumą, kurį sukelia vandenilio difuzija. Be to, titano šilumos laidumas yra tik vienas -ketvirtadalis plieno, o ilgesnis buvimo išlydytame baseine laikas dar labiau padidina dujų absorbcijos riziką.
Siekdama išspręsti šiuos iššūkius, pramonė sukūrė tikslaus suvirinimo sistemą, kurios centre yra argono lankinis suvirinimas (argono lankinis suvirinimas). Plokštėms, plonesnėms nei 3 mm, rankinis suvirinimas volframo inertinėmis dujomis (GTAW) tapo pageidaujamu pasirinkimu dėl stabilaus lanko ir koncentruotos šilumos. Palydovinio kuro bako suvirinimo atvejo tyrimas rodo, kad naudojant 16 mm skersmens antgalį, 20 l/min argono srautą ir vario pagrindo plokštę apsaugai, buvo sėkmingai atliktas vienpusis suvirinimas su dvipusiu -formavimu, o rezultatas buvo sidabriškai{7}}baltas suvirinimas be rentgeno spindulių neaptikto poringumo. Plokštėms, storesnėms nei 3 mm, metalo lankinis suvirinimas (GMAW) padidina efektyvumą naudojant purškimo perdavimo režimą. Atominės elektrinės titano vamzdžių plokščių suvirinimo projekte buvo naudojamas impulsinės srovės valdymas, sumažinant šilumos įėjimą 40%, o liekamąjį įtempį suvirintoje siūlėje 25%.
Dujų apsaugos technologija yra pagrindinis titano suvirinimo elementas. Suvirinimo metu reikalinga apsaugos sistema „trys-in-“: suvirinimo degiklio antgalis apsaugo išlydytą baseiną, atsparumo skydas uždengia aukštesnės-temperatūros zoną, viršijančią 400 laipsnių, o varinė atraminė plokštė naudojama argono dujoms tiekti, kad susidarytų sandari kamera. Titano lydinio slėginio giluminio -jūrinio zondo suvirinimo praktika rodo, kad naudojant dvigubo-sluoksnio oro srauto pasipriešinimo skydą (vidinio sluoksnio argono srautas 15 l/min., išorinio sluoksnio helio srauto greitis 5 l/min.) galima valdyti suvirinimo oksidacijos spalvų diapazoną 2 mm ribose, atitinkantį karinio lygio standartus{11}. Verta pažymėti, kad argono grynumas turi siekti 99,999%, rasos taškas turi būti žemiau -60 laipsnių, o dujų baliono slėgis turi būti pakeistas, kai jis yra mažesnis nei 0,5 MPa; kitu atveju dėl oksidacijos suvirinimo siūlė pasidarys mėlyna arba net pilkšvai juoda.
Suvirinimo medžiagų pasirinkimas ir proceso parametrų optimizavimas yra vienodai svarbūs. Suvirinant pramoninį gryną titaną (TA1), reikia naudoti ERTi-1 suvirinimo vielą, atitinkančią pagrindinės medžiagos sudėtį, o ERTi-5 suvirinimo vielą TC4 titano lydiniui, siekiant kompensuoti legiravimo elementų praradimą. Aviacinio variklio kompresoriaus disko suvirinimo bandymai parodė, kad suvirinimo srovė, viršijanti 220 A, padidino išlydyto baseino sklandumą, tačiau taip pat apsunkino apsaugą nuo dujų. Galiausiai buvo nustatytas 180A srovės ir 18V įtampos parametrų derinys, suvirinimo siūlės formavimo koeficientas 1,3, atitinkantis projektavimo reikalavimus. Be to, norint išvengti grūdų sutirštėjimo ir vėlesnio kietumo sumažėjimo, reikėjo griežtai kontroliuoti tarpo temperatūrą žemiau 150 laipsnių.
Nuo palydovinių degalų bakų iki dirbtinių sąnarių implantų, nuo giluminių{0}}jūrų zondų iki aukščiausios-sportinės įrangos – titano suvirinimo technologija plečia medžiagų savybių ribas. Medicinos prietaisų įmonė, naudodama hibridinio suvirinimo lazeriniu-lankiniu būdu technologiją, sutrumpino titano lydinio ortopedinių implantų suvirinimo ciklą 60 % ir padidino suvirinimo nuovargio stiprumą 35 %. Aviacijos ir kosmoso įmonė sėkmingai sujungė 200 mm storio titano lydinio kaltinius, naudodama vakuuminio elektronų pluošto suvirinimo technologiją, o jungties stiprumas siekė 98 % pagrindinės medžiagos. Šie laimėjimai ne tik patvirtina titano suvirinimo technologijos brandą, bet ir skatina medžiagų mokslą siekti didesnio našumo ir reiklesnių aplinkosaugos pritaikymų.
Titano suvirinimo kelias yra medžiagos savybių ir proceso naujovių sąveikos istorija. Nuo pradinio rankinio lankinio suvirinimo argonu iki šiandieninio hibridinio suvirinimo lazeriu ir nuo pasyviosios apsaugos iki aktyvaus valdymo – pramonė sėkmingai įveikė titano suvirinimo „trupėjimo kodą“ sukonstruodama apsauginę dujomis matricą, optimizuodama suvirinimo medžiagų sistemas ir tiksliai kontroliuodama proceso parametrus. Atsiradus naujų formų medžiagoms, pvz., 3D spausdintoms titano lydinio konstrukcinėms dalims ir titano -pagrindo kompozicinėms medžiagoms, suvirinimo technologija ir toliau bus tiltas, jungiantis naujoves ir pritaikymą, o tai padės titano medžiagoms spindėti daugiau- aukščiausios klasės srityse.
