Електронно-променеве зварювання титанових сплавів товщиною до 150 мм

Електронно-променеве зварювання (ЕПС) титанових сплавів товщиною до 150 мм - це спеціалізований процес в умовах високого вакууму, що дозволяє, завдяки високій щільності енергії (~10⁷ Вт/см²), отримувати глибокі, вузькі, однопрохідні зварні шви з мінімальною деформацією застосувань. Високоенергетичний процес ЕПС, за умов високого вакууму, знижує високу реакційну здатність титану з киснем, що потребує спеціалізованого, часто великомасштабного устаткування.

Проблеми зварювання титану та його сплавів.

Так як титан практично не вступає в реакцію з більшістю матеріалів, він також погано сплавляється з іншими металами, тому надійно зварити заготовки титанових сплавів з будь-якими іншими металами є великою проблемою. Крім цього, титан дуже легко вступає в реакцію з киснем, що робить зварювання вкрай складним процесом і вимагає чіткого контролю за технологічними операціями. Під впливом атмосферного кисню титан швидко утворює мікроскопічний шар оксидів, які запобігають реакціям з іншими хімічними речовинами. Під час зварювання, яке вимагає нагрівання матеріалів, що зварюються, оксиди утворюються ще швидше, розчиняючи і забруднюючи зварювальну ванну, в результаті чого виходить слабкий, неякісний зварний шов. Тому надійне зварювання деталей з титану та його сплавів на відкритому повітрі виконати важко і потрібно здійснювати його або у середовищу захисного газу, або у вакуумі.

Ключові аспекти електронно-променевого зварювання деталей з товстостінного титану та його сплавів:

1. Високовакуумне середовище: необхідне для запобігання забруднення та окислення, оскільки високоенергетичний промінь найбільш ефективно працює при низькому тиску.
2. Глибоке проплавлення та низька деформація: дозволяє зварювати товсті профілі, близько 40–150 мм, за один прохід із високим співвідношенням глибини зварного шва до його ширини, значно зменшуючи при цьому зону термічної дії (ЗТД).
3. Мікроструктурні зміни: швидке охолодження призводить до утворення твердого, тендітного голчастого мартенситу в зоні зварювання, що може негативно вплинути на механічні властивості.
4. Коливання променю: часто необхідно для стабілізації розплавленої ванни при з'єднанні товстіших профілів (>50 мм), подрібнення зернистої структури та усунення пористості, що значно покращує якість зварного шва.
5. Термообробка: необхідна для зняття залишкових високих термічних напружень, що призводять до утворення тріщин в області зварного шва.
6. Підготовка з'єднання: точне вирівнювання зварювальних поверхонь, для забезпечення рівномірного проплавлення кореня шва, має вирішальне значення для надійного з'єднання товстостінних складальних елементів.
7. Застосування присадного металу: у деяких спеціалізованих та товстих профілях присадні метали, такі як Nb, V, Cu, використовуються для покращення пластичних властивостей зварного з'єднання.

Основні переваги електронно-променевого зварювання титану та його сплавів:

• Чистота зварного з'єднання: оскільки титан має високу реакційну здатність по відношенню до кисню та азоту при високих температурах, високовакуумне середовище технологічного процесу ЕПС діє як ідеальний метод захисту, запобігаючи крихтенню та забезпечуючи чудову чистоту зварного шва.
• Мінімальні деформації та вузька ЗТВ: висока щільність потужності та концентрований промінь дозволяють отримувати вузькі, глибокі та міцні зварні шви з дуже малими зонами термічного впливу (ЗТВ). Це гарантує значно менші термічні деформації порівняно з дуговим зварюванням, знижує необхідність подальшої рихтування та додаткової механічної обробки.
• Висока швидкість та глибоке проплавлення: електронно-променеве зварювання дозволяє виконувати глибоке проплавлення (до 40 мм) за один прохід, часто зі значно більшою швидкістю, ніж при використанні традиційних методів зварювання, що значно підвищує ефективність виробництва.
• Точний контроль та повторюваність: значний ступінь автоматизації та керування системами з ЧПУ забезпечує стабільну якість зварного шва та високий ступінь відтворюваності при виготовленні складних, відповідальних компонентів.
• Чудова якість зварного шва: виконані з'єднання мають високу міцність, надійність і ударну в'язкість, а також здатні зберігати структурну цілісність титану та його сплавів.

Базові процедури, що виконуються на Дослідному заводі спецелектрометалургії, для забезпечення надійного та якісного з'єднання складальних компонентів з титану та його сплавів:

• Складальні компоненти, що підлягають збиранню, ретельно перевіряються та очищаються.
• Для надійної фіксації деталей під час зварювання фахівцями підприємства розробляються та виготовляються спеціальні пристрої, що забезпечують максимальну кількість деталей, які можна зварити за одне завантаження у вакуумну камеру. За потреби пристосування та маніпулятори виготовляються на замовлення з використанням власного металообробного обладнання.
• Деталі завантажуються в затискні пристрої, які потім кріпляться до робочого столу. Поворотний стіл програмується для точного переміщення деталей у потрібне положення, необхідне забезпечення зварювання електронним променем.
• Вакуумна камера надійно герметизується, з неї відкачується повітря для досягнення необхідного часткового або повного вакууму, необхідного відповідно до технічного завдання замовника.
• У разі потреби виготовляються пробні зварні шви для перевірки вирівнювання, потужності та фокусування зварювального променю, глибини проплавлення та загальної якості зварного з'єднання. При необхідності параметри коригуються та постійно контролюються протягом виконання всіх технологічних операцій.
• Після завершення зварювального процесу вакуумна камера розгерметизується, деталі виймаються із затискних пристроїв зварювального апарату та піддаються повному контролю якості

На підприємстві не тільки виконується повний цикл з'єднання складальних елементів методом електронно-променевого зварювання, але й виконуються замовлення з проектування та виготовлення обладнання та спеціального оснащення для забезпечення технологічного процесу ЕПС, включаючи вакуумні камери, маніпулятори, пристрої для кріплення складальних компонентів на робочому столі.