При ремонте титановых деталей их надежность и долговечность во многом зависит от качества сварных соединений. Современная сварочная техника располагает мощным арсеналом средств, позволяющих получать высококачественные соединения разных металлов. Тем не менее, сварка титановых сплавов всегда вызывала значительные трудности и ее следует проводить с учетом физико-механических особенностей материала.

Титановых сплавов разных марок много. Только в России выпускается более 30 промышленных титановых сплавов, химический состав которых отличается содержанием различных легирующих элементов и их количеством. Основными легирующими элементами являются: AL, Mn, Mo, V, Cr, Sn, Zr, Fe, Si. Они оказывают существенное влияние как на физико-механические свойства титановых сплавов, так и на их свариваемость. Свариваемость титанового сплава зависит, прежде всего, от композиции легирующих добавок, существенно влияющих на процесс фазовых превращений в сварном соединении, а также от термических циклов сварки.

Технический титан, псевдо-альфа-сплавы и альфа-сплавы обладают хорошей свариваемостью, так как у них не наблюдается каких- либо опасных фазовых и структурных превращений при любых термических циклах сварки.

Наиболее сложно сваривать (альфа+бета)-сплавы, так как присутствие в этих сплавах бета-стабилизаторов понижает температуру их полиморфного превращения. При сварке могут возникнуть промежуточные метастабильные фазы. Согласно классификации, впервые предложенной Ю.А. Багаряцким, Т.В. Тагуновой и Г.И. Носовой, в титановых сплавах существуют четыре основные метастабильные фазы.

Образование промежуточных метастабильных фаз (как правило, хрупких) существенно ухудшает пластичность сварных соединений титановых сплавов и приводит к образованию трещин. Фазовые и структурные превращения в сварных соединениях сплавов сложны и разнообразны и требуют глубокого изучения их влияния на механические свойства металла швов и зоны термического влияния.

Термически упрочняемый жаропрочный титановый сплав ВТ3-1 содержит следующие легирующие элементы: 5,5-7,0 % Al, 2-3 % Мо, 0,8-2,3 % Сr, 0,2-0,7 % Fe и 0,15-0,4 % Si. Легирование алюминием оказывает стабилизирующее и упрочняющее действие. Молибден, хром, железо и кремний являются бета-стабилизаторами и понижают температуру полиморфного превращения. Этот сплав при температуре 20 °С имеет следующие механические свойства: ?в= 981-1180 МПа, aн = 0,3 МДж/м2.

Сплав ВТЗ-1 в настоящее время широко применяется для изготовления высоконагруженных деталей, работающих длительное время при температурах до 400 °С. В связи с этим вопросы ремонта деталей из этого сплава с применением сварки приобретают исключительно важное значение. Основная проблема свариваемости двухфазного титанового сплава ВТЗ-1 - получение хорошей пластичности сварного соединения.

Исследование влияния режимов сварки на структуру и механические свойства металла сварных соединений проводилось на плоских образцах титанового сплава ВТЗ-1 толщиной 3 мм. Сварка образцов производилась на автомате с источником питания ВСВУ-315 на различных режимах.

При исследовании структуры металла сварных соединений использовались методы оптической и электронной металлографии. Выявлено, что сварка двухфазного сплава ВТЗ-1 приводит к образованию типичной игольчатой структуры. При сварке сплава ВТЗ-1 возможно частичное фазовое превращение, что влечет за собой резкое снижение пластичности сварного соединения.
Механические испытания сварных образцов проводились на разрывной машине Р-5 в соответствии с утвержденными методиками. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что удовлетворительные механические свойства у сварных соединений получаются при сварке сплава с погонной энергией в интервале 2,8-3,5 кДж/см. При сварке с погонной энергией меньше 2,8 кДж/см (режим 1) получился непровар, а при сварке с погонной энергией больше 3,5 кДж/см металл прогорел.

Таким образом, в результате выполненной работы определена зависимость механических свойств сварных соединений титанового сплава ВТЗ-1 толщиной 3 мм от изменения режимов сварки и установлено, что оптимальным режимом сварки, который обеспечивает сварному соединению хороший провар и удовлетворительные механические свойства, является сварка с погонной энергией, находящейся в интервале 3-3,3 кДж/см.

В работе принимали участие: Т.Д. Соболевская, Н.И. Николаев, А.Г. Селиверстов, И.К. Костюк.