Способ сварки плавлением высоколегированных высокопрочных титановых сплавов

Способ сварки плавлением высоколегированных высокопрочных титановых сплавов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

<>904937 (61) Дополнительное н авт. свид-ву (22) Заявлено 080180 (21) 2865239/25-27 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 150282. Бюллетень ¹ 6

Дата опубликования описания 150282

В 23 К 9/16

Государственный комитет

СССР по делам изойретеннй и открытий (531УДК 621.791 ° .75 (088 ° 8) (72) Авторы изобретения

Ю.Г. Кириллов и Ф.Р. Куликов (71) Заявитель (54) СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ ПРЕИММЦЕСТВЕННО .

ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ, ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ

СПЛАВОВ

Изобретение относится к сварке, а более конкретно к сварке плавлением титановых сплавов, преимущественно двухфазных (A. + P )), высоколегированных (2,0 ) K> ) 0,6), высокопрочных ((7 100 кгс/мма), и может быть использовано во всех отраслях машиностроения при изготовлении сварных конструкций из титановых .сплавов, например шасси самолета.

Сварные соединения из указанных сплавов, выполненные сваркой плавлением без введения присадочных материалов, имеют низкие характеристики пластичности металла шва, что приводит к резкому снижению работоспособности сварных конструкций. В современном машиностроении для повышения работоспособности сварных соединений при сварке применяют присадочные материалы. Однако применение присудочных материалов в обычном виде (в виде проволоки) при сварке непосредственным проплавлением стыка (электронно-лучевой сваркой, плазменной и погруженной дугой) без предварительной разделки кромок с подачей присадочной проволоки на поверхность сварочной ванны не дает необходимого сочетания механических свойств и равномерного распределе-. ния химических элементов по высоте сварного шва.

Наиболее близким к предлагаемому является способ сварки, заключающий-, ся в том, что в зону стыка однородных или разнородных свариваегых металлических материалов вставку пластину из другого вида металла.

В результате регулирования состава

Ме в сварном шве с помощью вставки можно получить сварные швы с отсутствием таких сварочных дефектов, как поры, трещины и т.д. (1}.

Однако известный способ сварки плавлейием не обеспечивает получения определенного химического состава металла шва и не позволяет исполь2О зовать высокопрочные высоколегированные титановые сплавы для изготовления ответственных сварных конструкций с высокой работоспособностью.

1(ель изобретения — повышение плас2з тических характеристик сварных швов при сохранении необходимой прочности, повышение их работоспособности, обеспечение возможности использовать высокопрочные высоколегированные

30 титановые сплавы для изготовления

"04937 ответственных агрегатов машиностроения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу сварки плавлением, заключающемуся в том, что в зону стыка снариваемых материалов помещают присадочный материал в виде вставки, вставку изготавливают из титана с содержанием алюминия в количестве 0,1-5,0% и циркония в количестве 0,1-5,0Ф, устанавливают ее íà нсю толщину стыка и в процессе сварки полностью расплавляют, при этом ширину вставки определяют из соотношения .Kн р где А, — ширина вставки;

Ашьа - ширина шва;

К вЂ” коэффициент стабильности .8 -фазы основного металла, у„ равный,0,6-2,0;

Kp — коэффициент стабильности .8-фазы шва, который принимают в пределах 0,3-0,6.

На фиг. 1 показано сечение сварного соединения до сварки; на фиг.2 сварное соединение после снаркиу на фиг. 3 †.схема сварного соединения, н соответствии с которой производится расчет необходимой ширины вставки; на Фиг. 4 †. графическая зависимость долей участия вставки, обеспечивающих получение металла шна с коэффициентом стабильности (3-фазы 0,3-0,6, в образовании сварного соединения от коэффициента стабильности р --фазы в основном Металле; на фиг. 5 — графическая зависимость ширины вставки н миллиметрах, обеспечивающей получение металла шва с коэффициентом стабильностй

8-фазы от 0,3 до 0,6, при ширине шва (Aw ä) 3,0 мм от коэффициента стабильности р --фазы в оснонном металле.

Таким 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 р -фазы н свариваемом сплаве.

"При сварке двухфазных (+ )3) высоколегированных (2, О ) К я ) О, 6) сплавов титана 1 (фиг. 1) сварку проводят с применением присадочного материала, причем присадочный материал используется в виде полностью расплавляемой при снарке вставки 2, которая устанавливается до сварки между кромками снариваемых материалов 1 на всю толщину стыка. При сварке указанных сплавон присадочный материал применяют для снижения количества g8 -стабилизаторов н сварном шве. Поэтому в качестве вставки применяется сплав, состоящий иэ титана с содержанием алюминия в количестве 0,1-0,5 и циркония в коли5 честве 0 1-5 03. о

Алюминий, являясь ф.-стабилизатором, применяется в качестве легирующего элемента как основной упрочнитель л . -Фазы и содержится, практи10 чески, но всех двухфазных сплавах титана. Для достижения равномерного распределения алюминия по сечению сварного шна, упрочнения -фазы и устранения зависимости содержания

o(-стабилизаторов на механические характеристики сварных шнон алюминий во вставке содержится в количестве 0,1-5,0%.

Цирконий, являясь нейтральным упрочнителем, не изменяет фазовый

20 состав металла.

Дополнительное легирование металла шва цирконием способстнует повышению пластичности литого металла. Исследования показывают, что оптимальное количество циркония сбстанляет 1,5-3,0%. Учитывая разбавление металла шва основным металлом, цирконий введен в состав встанки в количестве 0,1-5,0Ú.

З В процессе сварки сварной шов 3 о образуется при расплавлении нставки

2 и кромок сваринаемых материалов 1.

Ширина встанкй выбирается в зависимости от химического состава коэффициента стабильности fb -фазы основного металла и ширины сварного

ursa. При этом сварной шов, образующийся в результате расплавления вставки и кромок свариваемых материалов, должен иметь состав с коэф40 фициентом стабильности ф -фазы от

0,3 до 0,6. Максимальное значение коэффициента стабильности ф -фазы (К = 0,6) в urse устанавливается из условия достижения необходимого щ уровня пластичности, в частности удраной вязкости () 3;0 кгс м/см ), как уже указывалось, высоколегированные титаноные сплавы с К(з > 0,6 в литом состоянии имеют низкие значений ударной вязкости (< 3 0 кгс м/см ) .

При понижении степени легирования (при уменьшении К ) повышаются пластические характеристики и снижаются показатели прочности.

Удовлетворительные сочетания показателей пластичности и прочности сохраняются до К = 0,3. Таким

Р образом, ширина вставки должна выбираться из условия достижения хими6() чеакого состава металла шва с К, 0,3-0,6.

Исходя из этого условия ширина вставки определяется иэ соотношения шЫъ

65 Ар, т = AwsQ (1 —,„), (1) (904937 где АБ,"à — ширина вставкир

А, ы — ширина шва;

К в — коэффициент стабильности ве -фазы основного металла;

K — коэффициент стабильности

М-фазы шна.

При минимальной ширине вставка определяется из соотношения (из условия достижения необходимой пластичности, в частности ударной вязкости ) 10

АБ,тт = Auiea (1-- ) .

0 6

КБ

Максимальная ширина вставки определяется из соотношения

0 3

А вст = Авва (1 —,<ом ) °

Формула (1) выведена из зависимостей вст

А

П вт.т дш 1% r

П Ашва - Авст ат =

Ашва где Пвст — доля участия вставки в образовании металла сварного шва;

Авст — ширина вставки;

Ашва — ширина шва;

Пон — доля участия основного металла н образовании металла снарно=о шва;

Пбст + Пом шва г ои

КБ = К " (1 П„), где К(Б — коэффициент стабильности и ва

Р -фазы;

Кв — коэффициент стабильности р -фазы в шве;

Ко — коэффициент стабильности

Р -фазы в оснонном металле; вот

К вЂ” коэффициент стабильности

Р-фазы но вставке.

Отсюда иi Sn

Кр

Пвст 1 ои

Р 45

АВБт А""ва П g(:т шва

Ке

Авст = А Ба (1 — — ), Р

Пример 1. Электронно-лучевой сваркой сваривают двухфазный 50 высокопрочный титановый сплав

ВТ22 (КВ = 1,2) толщиной 20 мм без применения присадочных материалон. Ширина шва составляет 3,03,5 мм. После сварки проводят термическую обработку по режиму: 850 С

1 ч, охлаждение с печью до 750 С вью

-l держка при 750 С вЂ” 2 ч, охлаждение на воздухе до 500 С плюс старение при 600 С в течение 4 ч.

Получают следующие результаты 60 (средние по пяти образцам) основного металла в= 118,0 кгс/мм ;

10,8%," Ч = 34,0%; а „ = 3,8 кгс м/см, Для сварных соединений 5ц — 117,8 кгс/мм (разрушение по основ- 65 ному металлу); а„о, = 2,6 кгс м/см ; а„,„ва = 1, б кгс м/см

Сварные швы обладают высокой прочностью и низкой пластичностью.

Пример 2 . При электроннолучевой сварке двухфазного высокопрочного титанового сплава ВТ22 (K — — 1,2) толщиной 20 мм применяют вставку из сплана ВТ6С (Ti — 5% Al

4Ъ N) шириной 1,5 мм. Ширина шва составляет 3,0 мм. После сварки проводят термическую обработку по режиму: 850 C — 1 ч, охлаждение с печью до 750оС, выдержка при 750 C — 2 ч, охлаждение на воздухе до 500 С плюс старение при 600 С в течение 4 ч.

Получают следующие результаты механических испытаний (средние по пяти образцам) ° Для основного металла

Я- = 119,1 кгс/ммХ; С С= 11,2%;

38,5%; а„ = 4у2 кгс M/ñM ° Для сварных соединений Яв =116,2 кгс/мм в (разрушение по шву);<ЗВ =117,5 кгс/мм (разрушение по зоне термического влияния); а„„„ц — — 2,4 кгс м/см, aust = 2,0 кгс м/см .

Сварные швы обладают высокой прочностью и низкой пластичностью.

Пример 3. При электронноои лучевой сварке сплава ВТ22 (Кв —— 1,2) толщиной 20 мм применяют вставку из сплава Ti — 2,5Ъ, Zr — 2,0% Af. шириной 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 зЪ

118,2 ; G = 11,2%; Ч =38,6%;

a, = 3,6% кгс м/см . Для свальных соединений Бв = 117,8 кгс/мм (разрушение по основному металлу); Gs

116.6 кгс/мм в (разрушение о сварному шву); а Бо„ц — — 2,4 кгс м/см

z. а,ов„= 1,8 кгс м/см

Сварные швы обладают высокой прочностью и низкой пластичностью.

Пример 4. При электроннолучевой сварке сплава ВТ22 толщиной

20 мм применяют вставку из сплава

Ti — 2,5Ъ Zr — 2,0Ъ Af шириной 2,5 мм.

Ширина шва составляет 3,0-3,2 мм.

После сварки проводят ступенчатую термообработку по режиму согласно примеру 2.

Получают следующие результата ме ханических испытаний (средние по пяти образцам). Для основного металла эв = 119,1 кгс/мм ; 4 = 9,8%; — 28,2%; a„= 3,6 кгс м/см . Дл сварных соединений (в = 92 кгс/мм (разрушение по шну) анзор =

t и

2,6 кгс м/см";а„, =5,4 кгс м/см

Сварным швам присуща высокая пластичность и низкая прочность °

Расчет оптимальной ширины вставки показывает, что для получения опти904937

Формула изобретения

ulBa

Ая, = А, (1 — — фр — ) К

1. Патент Японии 9 49-42576, кл. 12 В 11, 1974 (прототип) ° мального сочетания показателей прочности и пластичности при электроннолучевой сварке сплава ВТ22 с использованием вставки указанного в примерах 3 и 4 состава ширина вставки должна быть от 1,5 до 2,25 мм. 5

Пример 5. При электроннолучевой сварке сплава ВТ22 толщиной

20 мм применяют вставку из сплава

Ti - 2,5% Ех — 2,0% И шириной 1,8 мм.

НЫрина шва обставляет 3,0-3,2 мм, После сварки проводят термическую обработку по режиму, укаэанному в примере 2.

Результаты механических испытаний (средние по пяти образцам) следующие. Для основного металла Grr=

118,3 кгс/мм; о = 10 6,. V =36,3%, arr = 4,1 кгс м/см . Для сварных швов

Grr = 112,7 кгс/мм - (разрушение по шву); Grr = 113,8 кгс/мм -(разрушение по зоне); а„ <„, = 2,3 кгс м/см

/ 2. 20 ан 8а = 4,2 кгс м/см, Сварным швам присущи необходимые значения прочности и пластичности.

Пример б. При электронноом лучевой сварке сплава BT23 (Kp = 25

= 0,8) толщиной 20 мм применяют вставку иэ сплава Ti - 2,5Ъ Ег — 2,ОВ И, ширина шва составляет 3,0-3,5 мм.

После сварки проводят термическую обработку по режиму" "780 С - 1 ч, ЗО охлаждение На воздухе плюб старение при 550 С в течение 10 ч.

Результаты механических испытаний (средние по пяти образцам) следующие.

Для основного металла6 =120,1 кгс/ i. 35

6 9,7%; М = 47,23 arr 5,0 кгс м/см .

Для сварного соединения (со вставкой) = 113,0 кгс/ьк" (разрушение по шву); 8> » 117,0 кгс/мм "- (разрушение по зоне термического влияния)„a q

= 3,6 кгс м/см*; а,,в =4,4 кгс м/см .

Для сварного соединения (без вставки) Srr = 116,5 кгс/мм {разрушение по зоне термического влияния); анзор =

Я

3,5 кгс м/см; аидова =2,2.кгс м/см

Сварным швам присуще хорошее соче- 45 такие прочности и пластичности (ударной вязкости).

Установка вставки на всю толщину стыка и последующее ее полное расплавление в процессе сварки, изготов 50 ление вставки из сплава Ti — М (0,10„5В) - Zr(0,1-5,03), выбор оптимальной ширины вставки иэ соотношения

;1риводит 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 качес1âe 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, высокопрочных титановых сплавов,.заключающийся в том, что в зону стыка свариваемых материалов помещают тьрисадочный материал в виде вставки, отличающийся тем, что, с целью повышения пластических характеристик сварных швов при сохранении необходимой прочности, используют вставку из титана с содержанием алюминия в количестве 0,1-5,0Ъ и циркония в количестве 0,1-5,0%, устанавливают ее на всю толщину стыка и в процессе сварки полностью расплавляют, при этом ширину вставки определяют из соотношения

Ки4 lldl

+ьл А" (1 ок

Р где Акт — ширина вставки; . A sa- ширина шва;

К + — коэффициент стабильности

Р-Фазы основного металла, равный 0,6-2,0; коэффициент стабильности

4 -фазы шва, равный 0,3-0,6.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

904937 ц от

2,5

5,0

12 1

Фж. 1

Составитель А. Гаврилов

Редактор Л. Алексеенко Техред A.5àáèíåö. Корректор Г. Огар

Заказ 225/20

Тираж 1150 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4