Пут до заваривања титанијума
У врхунској{0}}производњи и прецизној машинској обради, титанијум и легуре титанијума, са својим јединственим физичко-хемијским својствима, постали су основни материјали за индустрије као што су ваздухопловство, медицински уређаји и хемијска опрема. Међутим, овај материјал, познат као „свемирски метал“, суочава се са бројним изазовима током заваривања-он лако реагује са гасовима као што су кисеоник, азот и водоник на високим температурама, што доводи до проблема као што су крхкост спојева и дефекти порозности. Ово чини процес заваривања титанијума кључним технолошким уским грлом које ограничава његову примену.
Тешкоће у заваривању титанијума произилазе из његове високе хемијске реактивности. Експериментални подаци показују да када температура пређе 300 степени, титан почиње да апсорбује водоник; изнад 450 степени, апсорбује кисеоник; и изнад 600 степени, комбинује се са азотом. Ови гасови формирају међупросторне чврсте растворе или крта једињења (као што су ТиХ₂ и ТиН) у решетки титанијума, узрокујући смањење ударне жилавости метала шава за више од 70%, па чак и иницирање одложеног пуцања. На пример, сечиво од легуре титанијума за аеро-мотор развило је пукотину-24 сата након заваривања. Тестирање је открило да је садржај водоника у зони{11}захваћеној топлотом три пута већи од стандарда, што указује на кртост водоника узроковану дифузијом водоника. Штавише, топлотна проводљивост титанијума је само једна-четвртина од челика, а дуже време задржавања у растопљеном базену додатно повећава ризик од апсорпције гаса.
Да би одговорила на ове изазове, индустрија је развила систем прецизног заваривања усредсређен на аргон-лучно заваривање (аргон-лучно заваривање). За плоче тање од 3 мм, ручно заваривање инертним волфрамовим гасом (ГТАВ) постало је преферирани избор због његовог стабилног лука и концентрисане топлоте. Студија случаја заваривања сателитског резервоара за гориво показује да је коришћењем млазнице пречника 16 мм, протока аргона од 20 л/мин и бакарне позадинске плоче за заштиту, успешно постигнуто једнострано{5}}једнострано заваривање са двостраним-формирањем, што је резултирало сребрно-белим шавом са рендгенским зрацима без детекције{8} као {8}. За плоче дебље од 3 мм, електролучно заваривање (ГМАВ) побољшава ефикасност кроз режим преноса спрејом. Пројекат заваривања титанијумских плоча у нуклеарној електрани користио је контролу импулсне струје, смањујући унос топлоте за 40% и смањујући заостало напрезање у шаву за 25%.
Технологија заштите од гаса је основни елемент заваривања титанијума. За време заваривања потребан је систем заштите три{1}}у-: млазница горионика за заваривање штити растопљени базен, штитник од отпора покрива зону високе{3}}температуре изнад 400 степени, а бакарна позадинска плоча се користи за увођење гаса аргона да би се формирала запечаћена комора. Пракса заваривања на омотачу од легуре титанијума дубоке-сонде за дубоко море показује да коришћењем двослојног-заштита против отпора протока ваздуха (брзина протока аргона у унутрашњем слоју 15Л/мин, проток хелијума у спољашњем слоју 5Л/мин) може да се контролише опсег боја оксидације шава унутар 2мм, испуњавајући војни стандард{11}. Вреди напоменути да чистоћа аргона мора да достигне 99,999%, тачка росе мора бити испод -60 степени, а притисак у цилиндру гаса мора бити замењен када је испод 0,5МПа; у супротном, завар ће постати плави или чак сивкасто-црни због оксидације.
Одабир материјала за заваривање и оптимизација параметара процеса су подједнако кључни. Приликом заваривања индустријског чистог титанијума (ТА1), треба користити ЕРТи-1 жицу за заваривање која одговара саставу основног материјала, док ЕРТи-5 жицу за заваривање треба користити за легуру титанијума ТЦ4 да би се надокнадио губитак легирајућих елемената. Тестови заваривања диска компресора за авио-мотор су показали да док струја заваривања прелази 220А повећава флуидност растопљеног базена, такође повећава потешкоће у заштити гаса. Коначно, одређена је комбинација параметара струје од 180А и напона 18В, чиме је постигнут коефицијент формирања шава од 1,3, што је у складу са пројектним захтевима. Штавише, међупролазну температуру је требало строго контролисати испод 150 степени да би се спречило грубље зрна и накнадно смањење жилавости.
Од сателитских резервоара за гориво до имплантата вештачких зглобова, од дубоко-морских сонди до врхунске{1}} спортске опреме, технологија заваривања титанијума помера границе својстава материјала. Компанија за медицинске уређаје, користећи технологију ласерског-хибридног заваривања, скратила је циклус заваривања ортопедских имплантата од легуре титанијума за 60% док је повећала чврстоћу на замор завара за 35%. Ваздухопловна компанија је успешно постигла прецизно спајање отковака од легуре титанијума дебљине 200 мм коришћењем технологије заваривања вакуумским електронским снопом, постигавши чврстоћу споја од 98% основног материјала. Ова открића не само да потврђују зрелост технологије заваривања титанијума, већ и покрећу науку о материјалима ка већим перформансама и захтевнијим еколошким применама.
Пут заваривања титанијума је историја интеракције између својстава материјала и иновација процеса. Од почетног ручног заваривања аргоном до данашњег ласерског хибридног заваривања, и од пасивне заштите до активне контроле, индустрија је успешно разбила „код кртости“ заваривања титанијума конструисањем матрице за заштиту од гаса, оптимизацијом система материјала за заваривање и прецизном контролом параметара процеса. Са појавом нових облика материјала као што су 3Д штампани структурни делови од легура титанијума и композитни материјали на бази титанијума-, технологија заваривања ће наставити да служи као мост који повезује иновације и примену, помажући материјалима од титанијума да заблистају у вишим-областима.
