Kodėl titaną sunku suvirinti
Titano lydiniai dėl didelio stiprumo, atsparumo korozijai ir lengvoms savybėms turi nepakeičiamą padėtį tokiose srityse kaip aviacijos ir kosmoso, jūrų inžinerijos ir biomedicinos. Tačiau ši medžiaga, pasveikinta kaip „ateities metalas“, ilgą laiką buvo laikoma „techniniu NO - go zona“ suvirinant. Jo suvirintos sąnariai yra linkę į trapumą, yra labai įtrūkę - jautrios ir netgi reikalauja vakuuminės aplinkos aukštai - kokybės suvirinimui. Titano suvirinimo sunkumai kyla dėl savo unikalių fizikinių ir cheminių savybių ir metalurginės reakcijos charakteristikų, kurios susipina, kad sukurtų sudėtingą proceso iššūkių tinklą.
„Cheminė audra“ aukštoje temperatūroje
Tanki oksido plėvelė (TiO₂), susidaranti ant titano paviršiaus kambario temperatūroje, suteikia puikų atsparumą korozijai, tačiau ji tampa pavojaus šaltiniu esant aukštai suvirinimo temperatūrai. Kai temperatūra viršija 600 laipsnių, titano cheminis aktyvumas smarkiai padidėja, žiauriai reaguojant ore su deguonimi, azotu ir vandeniliu:
Oksidacinis užteršimas:Virš 800 laipsnių deguonies tirpumas titaniume padidėja eksponentiškai, sudarydamas trapų oksido sluoksnį, kelių mikronų storio. Šis oksido sluoksnis žymiai sumažina suvirinimo tvirtumą. Kai deguonies kiekis viršija kritinę vertę, poveikio kietumas gali sumažėti daugiau kaip 50%, todėl tarnavimo metu sąnario lūžis gali sukelti nenuspėjamą lūžių.
Vandenilio įkalnių rizika:Drėgmė ore ir aliejus ant suvirinimo vielos paviršiaus suskaido aukštoje temperatūroje, kad gautų vandenilį. Vandenilio atomai prasiskverbia į titano grotelę, sudarydama adatą - formos hidridai (TIH₂). Šie hidridai gali sukelti „atidėtą trapumą“, tai reiškia, kad esant žemai temperatūrai, sąnarys gali staiga lūžti dėl minimalaus streso. Vandenilio apkabinimas yra absoliutus tabu, ypač tokiose programose, kurioms reikalingas ypač didelis patikimumas, pavyzdžiui, biomedicinos implantai.
Nitrizų įkyriai:Kai temperatūra viršija 700 laipsnių, titanas reaguoja su azotu, kad sudarytų titano nitridą (alavo). Ši kieta ir trapi fazė žymiai sumažina suvirinimo lankstumą. Skirtingame titano lydinių ir plieno suvirinimo metu nitridavimas yra pagrindinis veiksnys, prisidedantis prie sąnario apkabos, net viršijant oksidacijos užteršimo sunkumą.
Norėdami kovoti su šia chemine audra, titano suvirinimas turi naudoti „visiškai uždarą“ apsaugos strategiją: naudojant aukštą - grynumo inertinės dujos (tokios kaip argonas) kaip ekranavimo terpę. Suvirinimo metu abi suvirinimo pusės turi būti apsaugotos dujų skydu. Dujų uždarymas - išjungtas po suvirinimo, kad būtų išvengta antrinio aukšto - oksidacijos temperatūros suvirinimo. Esant aukštai - galutiniam gamybai, netgi naudojamas vakuuminis elektronų pluošto suvirinimas, atliekamas suvirinimas 10⁻⁴ PA vakuume, kad būtų galima visiškai atskirti suvirinimą nuo dujų užteršimo.
„Įgimūs defektai“ termofizinės savybės
Termofizinės titano savybės aštriai prieštarauja jo suvirinamumui:
Mažas šilumos laidumas:Titano šilumos laidumas yra tik vienas - šeštasis plieno. Šilumos koncentracija suvirinimo metu sunku išsklaidyti, todėl lokalizuotas perkaitimas ir šilumos išsiplėtimas - paveikta zona (HAZ). Ši šilumos koncentracija žymiai sugadina grūdus HAZ, sumažindama sąnario plastiškumą ir tvirtumą. Netinkami aušinimo greičiai taip pat gali sukelti šiurkščią Widmanstätten struktūrą, dar labiau pablogėjusį sąnario našumą.
Aukštas elastinis modulis:Titano elastinis modulis yra tik pusė plieno, todėl du kartus didesnė plieno deformacija tuo pačiu suvirinimo įtempiu. Dėl šios „minkštos, tačiau kietos“ savybės titano, kuris yra linkęs į banguotą deformaciją suvirinimo metu, ypač kai suvirinant plonas plokšteles. Norint kontroliuoti deformaciją, reikalingi pagalbinės priemonės, tokios kaip tvirtas tvirtinimas ir priverstinis aušinimas.
Fazės transformacijos jautrumas:Titanas egzistuoja dviejuose allotropuose: (šešiakampis uždaras - supakuotas) ir (kūnas - orientuotas kubinis), kurio fazės transformacijos temperatūra yra 882 laipsnio. Suvirinimo metu HAZ yra - į - fazės transformaciją. Per didelis greitas ar lėtas aušinimas gali sukelti struktūrinius anomalijas, tokias kaip acilinio martensito ar šiurkščiavilnių widmanstattenito susidarymas, žymiai sumažinantis sąnarių tvirtumą.
Norėdami išspręsti šias problemas, inžinieriai sukūrė „impulsinio TIG suvirinimo“ technologiją. Ši technologija naudoja aukštą - dažnio impulsinę srovę, kad būtų galima kontroliuoti šilumos įvestį, todėl suvirinimo grūdų struktūra yra smulki, lygiavertė grūdų struktūra. Be to, naudojamas „dvigubas - vienpusis argono ekranavimo“ procesas, kurio suvirinimo gale yra dedamas tempimo skydas, kad būtų užtikrinta, jog aukštesnės nei 400 laipsnių plotai visada apsaugotų inertinėmis dujomis, užkertant kelią oksidacijai ir nitridavimui.
Skirtingos medžiagos suvirinimo „draudžiamos zonos“
Suvirinimo titanas su kitais metalais (tokiais kaip plienas, aliuminis ir vario) kelia dar sudėtingesnius iššūkius:
Titanas - plieninis suvirinimas:Kietas geležies tirpumas titaniume yra ypač mažas, todėl suvirinimo metu sąsajoje susidaro dideli kietų ir trapių feti ir Fe₂ti tarpmetalinių junginių kiekiai. Šie junginiai gali pasiekti HV800-1000 kietumą, žymiai viršijantį titano matricą (HV200-300), todėl sąnaryje atsiranda trapių lūžių. Be to, titano ir plieno šiluminio išsiplėtimo koeficientai skiriasi trimis koeficientais, sukeldami reikšmingą stresą suvirinimo metu ir dar labiau padidindami sąnario gedimo riziką.
Titanas - aliuminio suvirinimas:Esant aukštai temperatūrai, titanas ir aliuminis sudaro tarpmetalinius junginius, tokius kaip tial ir tial₃. Šie junginiai yra ypač trapūs, o titano ir aliuminio šilumos laidumas skiriasi 16 koeficientu, todėl suvirinimo metu ir gali būti netolygus šilumos pasiskirstymas ir linkęs įtrūkimą. Be to, vandenilio tirpumas skystoje aliuminyje yra 1000 kartų didesnis nei kieto aliuminio. Kietaujant, vandenilio dujos pabėga, sudarydamos poras ir pablogėjusį sąnarių veikimą.
Titanas - vario suvirinimas:Varis ir titanas sudaro tarpmetalinius junginius, tokius kaip Ti₂cu ir Ticu, aukštoje temperatūroje. Be to, vario lydymosi temperatūra yra mažesnė nei titano, kuris gali lengvai lemti nepakankamą tirpimą titano pusėje arba perkaiti vario pusėje suvirinimo metu. Be to, skysto vario tirpumo vandenilio skirtumas gali sukelti vandenilio poras, sumažindamas sąnario sandarumą.
Norėdami įveikti skirtingo suvirinimo apribojimus, inžinieriai sukūrė „pereinamojo sluoksnio“ technologiją. Tai įveda tarpinį vanadžio arba nikelio sluoksnį tarp titano ir skirtingų metalų, kad būtų slopinamas tarpmetalinių junginių susidarymas. Be to, kietos - būsenos suvirinimo būdai, tokie kaip vakuuminės difuzijos suvirinimas ir trinties suvirinimas, sujungia ryšį per atominę difuziją, išvengdami metalurginių problemų, susijusių su lydyme.
Proceso kontrolės „tikslusis šokis“
Titano suvirinimas yra ypač jautrus proceso parametrams:
Dabartinė valdymas:Suvirinimo srovė turi būti tiksliai sureguliuota pagal plokštės storią. Dėl per didelės srovės grūdų grūdinimas, tuo tarpu per maža srovė sukels nepakankamą įsiskverbimą. Pulsiniam TIG suvirinimui, norint valdyti šilumos įvestį ir suvirinimo baseino morfologiją, reikia optimizuoti bazinės srovės ir didžiausios srovės suderinimą . 2. suvirinimo greitį: Suvirinimo greitis turi būti kontroliuojamas kartu su srovės ir ekranuojančio dujų srauto greičiu. Per didelis greitis gali lengvai sukelti poringumą, o per lėtai greitis gali išplėsti šilumą - paveiktą zoną. Lazerio suvirinimo metu šilumos įvestis turi būti kontroliuojamas sureguliuojant taško skersmenį ir impulsų dažnį.
Groove dizainas:Titano suvirinimui reikalingas aštrus V - formos griovelis. Nukloti kraštai turi būti griežtai kontroliuojami ir valomi nerūdijančio plieno vielos šepetėliu, kol metalas bus blizgus. Bet koks oksido sluoksnis ar aliejaus dėmės sukels suvirinimo užteršimą, todėl prieš suvirinant reikalingas galutinis švarus su acetono ar bevandeniu alkoholiu.
Aplinkos kontrolė:Titano suvirinimas turi būti atliekamas žemoje - drėgmės aplinkoje, kai santykinė drėgmė yra mažesnė nei 60%, kad būtų išvengta vandenilio porų susidarymo. Automatiniam suvirinimui reikalinga uždara kamera ir sausų inertinių dujų srautas, kad būtų užtikrinta absoliučiai švari suvirinimo aplinka.
„Titanium“ suvirinimo iššūkiai jau seniai kliudė jo pritaikymui. Tačiau, pažangiai medžiagų mokslo ir suvirinimo technologijose, inžinieriai sukūrė daugybę sprendimų: pažangių procesų, tokių kaip vakuuminių elektronų pluošto suvirinimas, lazerio suvirinimas ir impulsinis TIG suvirinimas. Kartu su intelektualiomis valdymo sistemomis šie procesai pasuko titano suvirinimą nuo to, kad pasikliauja tik patyrusių suvirintuvų patirtimi, kad būtų tiksli parametrinė valdymas.
