Сварка титана: как защитить шов от воздуха и каким способом варить?

Коротко

• Титан варят TIG-горелкой, реже полуавтоматом; ручная дуговая сварка штучным электродом для него не подходит.
• Защита нужна с обеих сторон шва: аргон из сопла спереди и подкладка с продувом на корне.
• Остывающий шов держат под газом до полного остывания - окисление продолжается и без дуги.
• Насадка-«шлейф» на горелке нужна на тонком металле, где обычное сопло не держит защитный купол.
• Цвет шва после остывания - индикатор качества защиты: чем темнее, тем больше металл успел окислиться.

Тому, кто впервые берётся варить титановую деталь TIG-горелкой, нужно знать порядок действий. Ниже разбираем сварку титана: почему её нельзя вести как обычную сталь, как защитить корень и остывающий шов, какая горелка нужна для тонкого металла и можно ли варить титан ручной дуговой сваркой и полуавтоматом.

1. Почему сварку титана нельзя вести как обычную сталь?

Дело не в тугоплавкости - по температуре плавления титан не уступает стали. Дело в химической активности расплава: горячий титан жадно забирает кислород, азот и водород прямо из воздуха, и чем дольше металл остаётся горячим на воздухе, тем сильнее падает пластичность шва. Именно поэтому к основным способам сварки титана и его сплавов относят дуговую сварку в среде инертных газов неплавящимся или плавящимся электродом, дуговую сварку под бескислородным флюсом, электронно-лучевую, электрошлаковую и контактную сварку - то есть все методы, где расплав так или иначе изолирован от атмосферы.

2. Как защитить корень шва и остывающий шов, чтобы металл не потемнел?

Аргон из сопла горелки закрывает только лицевую сторону и только пока горит дуга. С обратной стороны стыка ставят медную подкладку с канавкой, по которой равномерно подают аргон - это защищает корень шва, который варится «вслепую» и первым остаётся без присмотра сварщика.

Второе слабое место - остывающий шов сразу после дуги. Пока металл ещё выше 400 °C, а горелка уже отведена, он снова открыт воздуху. Поэтому на титане горелку не убирают сразу за дугой: газовый поддув держат над швом, пока цвет металла не станет тусклым, и лишь после этого переходят дальше по шву. На сложных деталях защиту делают общей: узел, оснастку и горелку помещают в камеру, из неё откачивают воздух и наполняют её аргоном - тогда сварщик работает через перчатки-скафандры со смотровым окном, а не подкладками по месту.

3. Какая горелка и насадки-«шлейфы» нужны для тонкого металла?

Титан варят TIG-горелкой в аргоне или его смеси с гелием. Для ровной защиты газ должен идти через сопло горелки с насадками, увеличивающими зону защиты, - такие удлинённые насадки называют «шлейфами». На тонком титановом листе без такой насадки защитное облако обрывается прямо за дугой, и металл начинает синеть, ещё пока сварщик держит горелку рядом.

Горелки TIG с воздушным и водяным охлаждением на разный ток есть в разделе горелки для аргонодуговой TIG-сварки, а инверторы с постоянным током и импульсным режимом - в разделе аппараты TIG. С азов настройки TIG на аргоне - в статье «Аргонодуговая TIG-сварка: понятное руководство для начинающих», а какой баллон и объём газа брать под длинный шов - в статье «Баллоны для сварки: какой газ и объём выбрать».

4. Можно ли варить титан ручной дуговой сваркой?

На штучных электродах в цеховой практике не применяется сварка титана ручной дуговой сваркой: обмазка электрода не создаёт вокруг ванны той плотной инертной защиты, что даёт аргон из сопла горелки и подкладка с обратной стороны. Титан на воздухе успевает окислиться быстрее, чем шлак закроет ванну, и шов выходит пористым и хрупким. Все способы, которые реально применяют, так или иначе изолируют расплав инертным газом, флюсом без кислорода или вакуумом, а не открытой дугой на воздухе.

5. Сварка титана полуавтоматом: когда это оправдано?

Плавящимся электродом титановые сплавы варят проволокой диаметром от 1,2 до 2,0 мм на постоянном токе обратной полярности, в режимах с мелкокапельным переносом металла, а защитной средой служит смесь 20% аргона и 80% гелия или чистый гелий - гелий шире раскрывает дугу и лучше держит защитный купол на скорости, которую даёт полуавтомат. При такой защитной среде шов получается шире и менее пористым, чем при чистом аргоне.

На практике сварка титана полуавтоматом имеет смысл там, где нужна скорость на длинных прямых швах и толщина металла позволяет мелкокапельный перенос без брызг. На тонком листе и в стеснённых узлах точнее работает TIG: там легче держать защиту с обеих сторон стыка.

6. Точечная сварка титана: для каких деталей она годится?

Это контактный способ - металл нагревают и сжимают между электродами без открытой дуги и без отдельной подачи защитного газа на каждую точку, поэтому её берут там, где нужно быстро соединить внахлёст тонкий лист: кожухи, обшивку, детали корпусов. Для стыковых и герметичных швов, где важна прочность на разрыв по всей длине, точечное соединение не заменяет TIG или полуавтомат - оно держит нахлёст, а не полноценный сварной шов.

7. Как по цвету понять, что аргона не хватило?

Тонкая оксидная плёнка, которая растёт на поверхности при нагреве выше 400 °C, темнеет по мере утолщения - и по этому цвету виден титан, металл, сварка которого сама показывает качество защиты. Чем заметнее потемнел шов и зона рядом с ним после остывания, тем дольше металл оставался горячим на открытом воздухе - а вместе с кислородом в шов почти всегда попадает ещё и водород, который сильно портит пластичность титана даже в небольшом количестве. Светлый шов, почти неотличимый по цвету от основного металла, - признак того, что защита держалась до полного остывания. Заметное потемнение - повод проверить длину поддува и насадку горелки, а не просто зачистить шов щёткой и сдать деталь.

8. Порядок работы TIG-горелкой по титану

1. Зачистить кромки и прилегающую зону до металлического блеска и обезжирить - грязь и жир на титане дают поры так же надёжно, как и слабая защита газом.
2. Собрать стык на медной подкладке с канавкой и подать в неё аргон для защиты корня шва.
3. Настроить горелку с насадкой-«шлейфом» под толщину металла и проверить, что аргон идёт ровной струёй без завихрений.
4. Вести шов без рывков, а после обрыва дуги держать горелку и поддув над швом, пока металл не потускнеет и не остынет ниже температуры активного окисления.
5. Проверить цвет шва и зоны термического влияния по всей длине, прежде чем снимать деталь с подкладки.

9. Частые ошибки при сварке титана

• Убирают горелку сразу за дугой - остывающий шов темнеет от воздуха, а на глаз это выглядит как «уже готово».
• Варят без подкладки с продувом корня - лицевая сторона выглядит чисто, а корень уже окислен и хрупок.
• Берут сопло без насадки-«шлейфа» на тонком листе - защитный купол обрывается раньше, чем металл остыл.
• Зачищают кромку болгаркой с диском, которым до этого работали по стали или алюминию - в шов попадает чужой металл, и он ведёт себя непредсказуемо.
• Пытаются заварить трещину или прожог ручной дуговой сваркой электродом «на скорую руку» - шов выходит пористым и рвётся повторно там же.

Если под рукой уже есть аргон и горелка под сталь или нержавейку, для титана всё равно стоит проверить насадку и запас газа на удержание поддува - без этого результат будет зависеть не от рук сварщика, а от того, успел шов остыть на воздухе или нет.