Способ сварки плавлением высоколегированных высокопрочных титановых сплавов

(22) Заявлено 0801.80 (21) 2865239/25-27 (Я 1) М ЯЛ з В 23 К 9/16 с присоединением заявки МВ(23) Приоритет Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ ПРЕИММЦЕСТВЕННОВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ, ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХСПЛАВОВ Изобретение относится к сварке,а более конкретно к сварке плавлением титановых сплавов, преимущественно двухфазных (сС + ф ), высоколегированных (2,0 ) К ) 0,6), высокопрочных (5100 кгс/мма), и можетбыть использовано во всех отрасляхмашиностроения при изготовлении сварных конструкций из титановых сплавов, например шасси самолета,Сварные соединения из указанныхсплавов, выполненные сваркой плавлением без введения присадочных материалов, имеют низкие характеристикипластичности металла шва, что приводит к резкому снижению работоспособности сварных конструкций. Всовременном машиностроении для повышения работоспособности сварных соединений при сварке применяют присадочные материалы, Однако применениеприсадочных материалов в обычномвиде (в виде проволоки) при сваркенепосредственным проплавлением стыка (электронно-лучевой сваркой,плазменной и погруженной дугой) безпредварительной разделки кромок сподачей присадочной проволоки наповерхность сварочной ванны не даетнеобходимого сочетания механических свойств и равномерного распределе-.ния химических элементов по высотесварного шва.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ сварки, заключающий-,ся в том, что в зону стыка однородных или разнородных свариваеьых металлических материалов вставкупластину из другого вида металла,В результате регулирования составаМе в сварном шве с помощью вставкиможно получить сварные швы с отсутствием таких сварочных дефектов, какпоры, трещины и т.д. 1).15Однако известный способ сваркиплавлейием не обеспечивает полученияопределенного химического составаметалла шва и не позволяет исполь О зовать высокопрочные высоколегированные титановые сплавы для изготовления ответственных сварных конструкций с высокой работоспособностью,Цель изобретения - повышение плас тических характеристик сварных швовпри сохранении необходимой прочности,повышение их работоспособности,обеспечение возможности использоватьвысокопрочные высоколегированные 30 титановые сплавы для изготовленияответственных агрегатов машиностроения.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу сваркиплавлением, заключающемуся в том,что в зону стыка свариваемых материалов помещают присадочный материалв виде вставки, вставку изготавливают из титана с содержанием алюминия в количестве 0,1-5,0 и цирконияв количестве 0,1-5,0, устанавливаютее на всю толщину стыка и в процессесварки полностью расплавляют, приэтом ширину вставки определяют изсоотношенияКягде Аьст - ширина вставки;Аьа - ширина шва;КЗ - коэфФициент стабильности.8-фазы шва, который принимают в пределах 0,3-0,6.На фиг. 1 показано сечение сварного соединения до сварки; на Фиг.2сварное соединение после сварки;на фиг. 3 в .схема сварного соединения, в соответствии с которой производится расчет необходимой ширинывставки; на Фиг. 4 в . графическаязависимость долей участия вставки,обеспечивающих получение металлашва с коэффициентом стабильности-фазы 0,3-0,6, в образовании сварного соединения от коэффициента стабильности )5 -Фазы в основном Металле; на фиг. 5 - графическая зависимость ширины вставки в миллиметрах, обеспечивающей получение металла шва с коэффициентом стабильностй8-Фазы от 0,3 до 0,6, при ширинешва (А,ьд) 3,0 мм от коэффициентастабильности )3 -Фазы в основном ме"талле,1Таким образом, при сварке плавлением концентрированным источником нагрева (сварка сжатой дугой, электронно-лучевая сварка, погруженной дугой и др.) сплавов титана без предварительной разделки свариваемых кромок необходимость применения присадочных материалов определяется по коэффициенту стабильности-Фазы в свариваемом сплаве."При сварке двухфазных + Р ) высоколегированныхх (2, 0 ) К р ) О, 6 ) сплавов титана 1 (фиг. 1) сварку проводят с применением присадочного материала, причем присадочный материал используется в виде полностью расплавляемой при сварке вставки 2, которая устанавливается до сварки между кромками свариваемых материалов 1 на всю толщину стыка. При сварке указанных сплавов присадочный материал применяют для снижения количества 3 -стабилизаторов в сварномшве. Поэтому в качестве вставкиприменяется сплав, состоящий иэ титана с содержанием алюминия в количестве 0,1-0,5 и циркония в количестве 0 1-5 0.роАлюминий, являясь ,А-стабилизатором, применяется в качестве легирующего элемента как основной упрочнитель л.-Фазы и содержится, практи- (Очески, во всех двухфазных сплавахтитана. Для достижения равномерногораспределения алюминия по сечениюсварного шва, упрочнения к -фазы иустранения зависимости содержанияс(-стабилизаторов на механические 5 характеристики сварных швов алюминий во вставке содержится в количестве 0,1-5,0.Цирконий, являясь нейтральнымупрочнителем, не изменяет фазовый 20 состав металла.Дополнительное легирование металла шва цирконием способствуетповышению пластичности литого металла. Исследования показывают, чтооптимальное количество циркониясоставляет 1,5-3,0. Учитывая разбавление металла шва основным металлом, цирконий введен в состав вставки в количестве 0,1-5,0. З В процессе сварки сварной шов 3ообразуется при расплавлении вставки2 и кромок свариваемых материалов 1.Ширина вставкй выбирается в зависимости от химического состава коэффициента стабильности ф -фазы основйого металла и ширины сварногошва. При этом сварной шов, образующийся в результате расплавлениявставкй и кромок свариваемых материалов, должен иметь состав с коэф Фициентом стабильности ф -Фазы от0,3 до 0,6. Максимальное значениекоэффициента стабильности ф "фазы(К = 0,6) в шве устанавли)эаетсяиз условия достижения необходимого щ уровня пластичности, в частностиудраной вязкости3;0 кгсм/см ),как уже указывалось, высоколегированные титановые сплавы с К(зО,бв литом состоянии имеют низкиезначений ударной вязкости( с 3,0 кгс м/см ) .При понижении степени легирования(при уменьшении К ) повышаютсяпластические характеристики и снижаются показатели прочности.Удовлетворительные сочетания показателей пластичности и прочностисохраняются до К = 0,3. ТакимРобразом, ширина вставки должна выбираться из условия достижения химибб ческого состава металла шва с К,0,3-0,6.Исходя из этого условия ширинавставки определяется иэ соотношенияшЪа 65Арт = Аа (1- , (1).М-фазы шна.При минимальной ширине вставка определяется из соотношения (из условия достижения необходимой пластичности, в частности ударной вязкости) 10 Арст = Асцва (1 г - ) .0 б%КвМаксимальная ширина вставки определяется из соотношенияАвст = Амява (1 - Ко).Формула (1) выведена из зависимостейвстАПьст = шБАщва - Австй=Ашвагде Пвст доля участия вставки вобразовании металла сварного шва;Авст - ширина вставки;Ашва - ширина шва;Пои - доля участия основногометалла н образованииметалла снарно=о шва;П 8 ст + Помшва г оиК К (1 Пест ) 3 где Кр - коэффициент стабильностишваР -фазы;Кв - коэффициент стабильности1-фазы в шве;К - коэФФициент стабильности-фазы в оснонном металле;вотК - коэффициент стабильностив-фазы но вставке. Отсюдаи воКрПвст = 1 ои45АВст = АщваП вст,КвАвст = АБа (1 он )РП р и м е р 1. Электронно-лучевой сваркой сваривают двухфазный 50высокопрочный титановый сплавВТ 22 (КВ = 1,2) толщиной 20 ммбез применения присадочных материалон. Ширина шва составляет 3,03,5 мм. После сварки проводят термическую обработку по режиму: 850 о С1 ч, охлаждение с печью до 750 С вьюдержка при 750 С - 2 ч, охлаждениена воздухе до 500 С плюс старениепри 600 С в течение 4 ч,Получают следующие результаты 60(средние по пяти образцам).основногометалла Яв= 118,0 кгс/мм; Г10,8," т= 34,0; а= 3,8 кгс м/см,Для сварных соединений 5 ч- 117,8 кгс/мм(разрушение по основ ному металлу); а,= 2,6 кгс м/см;анщва = 1 б кгс м/см.Сварные швы обладают высокой прочностью и низкой пластичностью,П р и м е р 2. При электроннолучевой сварке двухфазного высокопрочного титанового сплава ВТ 22(К(Б = 1,2) толщиной 20 мм применяютвставку из сплана ВТбС (Т 1 - 5 А4 И) шириной 1,5 мм. Ширина швасоставляет 3,0 мм. После сварки проводят термическую обработку по режиму: 850 С - 1 ч, охлаждение с печьюдо 750 оС, выдержка при 750 С - 2 ч,охлаждение на воздухе до 500 С плюсстарение при 600 С в течение 4 ч.Получают следующие результаты механических испытаний (средние по пяти образцам)Для основного металлаЯв = 119,1 кгс/ммЙ; Г = 11,2; Ч =38,5; а = 4,2 кгс м/смв. Длясварных соединений Яв =116,2 кгс/ммв(разрушение по зоне термическоговлияния); ав,эв = 2,4 кгс м/см,а, 2,0 кгс м/ем.Сварные швы обладают высокойпрочностью и низкой пластичностью,П р и м е р 3. При электроннооилучевой сварке сплава ВТ 22 (Кв =1,2)толщиной 20 мм применяют вставкуиз сплава Т 1 - 2,5, Ег - 2,0 Асшириной 1,0 Бви. Ширина шна составляет 3,0-3,6 мм. После сварки проводят термическую обработку по режиму согласно примеру 2.Результаты механических испытаний(средние по пяти образцам) следующие. Для основного металла э118,2 кгс/ммб = 11,2; Ч =38,6;а, = 3,6 кгс м/см . Для свальныхсоединений 6 в = 117,8 кгс/мм (разрушение по основному металлу); бв116.6 кгс/мм в (разрушение ло сварномУ швУ); анвонв 1 = 2,4 кгс м/смйаидов = 1,8 кгс м/см8Сварные швы обладают высокойпрочностью и низкой пластичностью,П р и м е р 4. При электроннолучевой сварке сплава ВТ 22 толщиной20 мм применяют вставку из сплаваТ 1 - 2,5 Ег - 2,0 А( шириной 2,5 мм,Ширина шва составляет 3,0-3,2 мм,После сварки проводят ступенчатуютермообработку по режиму согласнопримеру 2.Получают следующие результата ме- ханических испытаний (средние по пяти образцам). Для основного металла ов = 119,1 кгс/мм ; с = 9,8;- 28,2; а = 3,6 кгс м/смВ, Дл сварных соединений Яв = 92 кгс/мм (разрушение по шну) анзор =й2,6 кгс м/см";а =5,4 кгс м/смСварным швам присуща высокая пластичность и низкая прочностьРасчет оптимальной ширины вставки показывает, что для получения опти 904937Формула изобретения аиаАс= А, (1 - -фр - )К 1. Патент Японии Р 49-42576,кл, 12 В 11, 1974 (прототип)мального сочетания показателей прочности и пластичности при электроннолучевой сварке сплава ВТ 22 с использованием вставки указанного в примерах 3 и 4 состава ширина вставки должна быть от 1,5 до 2,25 мм. 5П р и м е р 5. При электроннолучевой сварке сплава ВТ 22 толщиной 20 мм применяют вставку из сплава Т 1 - 2,5 Ег - 2,0 И шириной 1,8 мм. )1 Ьрина шва обставляет 3,0-3,2 мм, После сварки проводят термическую Обработку по режиму, укаэанному в примере 2.Результаты механических испытаний (средние по gяти образцам) следующие. Для основного металла 5 з= 15118,3 кгс/мм ; Б = 106, Ч =36,3, ая = 4,1 кгс м/см . Для сварных швов бь = 112,7 кгс/мм- (разрушение по шву); 5 В = 113,8 кгс/мм д (разрушение по зоне); аъоиы = 2, 3, кгс м/см/ 2, Щ аиае = 4,2 кгс м/смСварным швам присущи необходимые значени прочности и пастичнос.П р и м е р б. При электронноом лучевой сварке сплава ВТ 23 (Кр = 25 = 0,8) толщиной 20 мм применяют вставку иэ сплава Т 1 - 2,5 Ег - 2,0 И, ширина шва составляет 3,0-3,5 мм. После сварки проводят термическую обработку по режимуу 780 С - 1 ч, ЗО охлаждение На воздухе плюб старение при 550 С в течение 10 ч.Результаты механических исйятаний (средние по пяти образцам) следующие, Для основного металлами=120,1 кгс/мьб З 5 6 9,7 у М = 47,2 ан 5,0 кгс м/см, Для сварного соединения (со вставкой) ь = 113,0 кгс/ьк" (разрушение по шву); 6 = 117,0 кгс/ммд (разрушение по зоне термического влияния);анмич = 3,6 кгс м/см; аиак =44 кгс м/см . 4 О40 Для сварного соединения (без вставки) Яь = 116,5 кгс/мм (разрушение по зоне термического влияния)1 анзор =835 кгс м/смаи шва =2 р 2кгс м/смСварным швам присуще хорошее соче такие прочности и пластичности (ударной вязкости).Установка вставки на всю толщину стыка и последующее ее полное расплавление в процессе сйарки, изготов 50 ление вставки из сплава Т 1 - М (0,1- 05) - Ег(0,1-5,0), выбор оптимальнойширины вставки иэ соотноше- ния приводит к равномерному распределению легирующих элементов основного металла и вставки по сечению сварного шва, к повышению пластичности (ударной вязкости) при сохранении необходимой прочности, что обеспечивает повышенную работоспособность сварного соединения, повышенный ресурс, что, в свою очередь, дает воэможность использовать высокопрочные, высоколегированные титановые сплавы для изготовления ответственных агрегатов, например шасси летательного аппарата.Применение в качестве присадочного материала вставки иэ ниэколегированного сплава, не содержащего дефицитных дорогостоящих элементов, в виде листа, вместо обычно применяемых присадочных проволок, способствует снижению себестоимости сварных конструкций иэ высоколегированных титановых сплавов. Способ сварки плавлением, преимущественно высоколегированных, высоко- прочных титановых сплавовзаключающийся в том, что в зону стыка свариваемых материалов помещают гьрисадочный материал в виде вставки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения пластических характеристик сварных швов при сохранении необходимой прочности, используют вставку из титана с содержанием алюминия в количестве 0,1-5,0 и циркония в количестве 0,1-5,0, устанавливают ее на всю толщину стыка и в процессе сварки полностью расплавляют, нри этом ширину вставки определяют из соотношенияКи 4 ВйАьл= Аа (1 окРгде Акт - ширина вставки;Лава" ширина шва;К фф - коэффициент стабильностиР"Фазы основного металла,равный 0,6-2,0;коэффициент стабильностий-фазы шва, равный 0,3-0,6. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе904937 Опт 2,5 Составитель А. Гавриловактор Л. Алексеенко Техред А.абинец. Корректор Г. Огар 25 2 Зак ПП Патентфф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 или Тираж 1150 ВНИИПИ Государственн по делам иэобретени 113035, Москва, Ж, Подписноео комитета СССРи открытийушская наб., д. 4/5