Tee titaani keevitamise juurde
Tipptasemel-tootmises ja täppistöötluses on titaanist ja titaanisulamitest oma ainulaadsete füüsikalis-keemiliste omadustega saanud põhimaterjalid sellistes tööstusharudes nagu lennundus, meditsiiniseadmed ja keemiaseadmed. Kuid see materjal, mida nimetatakse "kosmosemetalliks", seisab keevitamise ajal silmitsi paljude väljakutsetega-reageerib kõrgel temperatuuril kergesti ägedalt selliste gaasidega nagu hapnik, lämmastik ja vesinik, mis põhjustab selliseid probleeme nagu liigeste haprus ja poorsusdefektid. See muudab titaani keevitusprotsessi peamiseks tehnoloogiliseks kitsaskohaks, mis piirab selle kasutamist.
Titaani keevitamise raskus tuleneb selle kõrgest keemilisest reaktsioonivõimest. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et kui temperatuur ületab 300 kraadi, hakkab titaan vesinikku absorbeerima; üle 450 kraadi neelab hapnikku; ja üle 600 kraadi, ühineb see lämmastikuga. Need gaasid moodustavad titaanvõres interstitsiaalseid tahkeid lahuseid või hapraid ühendeid (nagu TiH₂ ja TiN), põhjustades keevismetalli löögikindluse vähenemist enam kui 70% ja isegi viivitusega pragunemist. Näiteks aeromootori titaanisulamist tera tekitas 24 tundi pärast keevitamist läbi-pragu. Katsetamine näitas, et vesiniku sisaldus kuumusega{11}}mõjutatud tsoonis ületas normi kolm korda, mis viitab vesiniku difusioonist põhjustatud vesiniku rabedusele. Lisaks on titaani soojusjuhtivus vaid veerand terase omast ja pikem viibimisaeg sulabasseinis suurendab veelgi gaasi neeldumise ohtu.
Nende väljakutsetega toimetulemiseks on tööstus välja töötanud täppiskeevitussüsteemi, mille keskmes on argoonkaarekeevitus (argoonkaarekeevitus). Üle 3 mm õhemate plaatide puhul on stabiilse kaare ja kontsentreeritud kuumuse tõttu eelistatud valik käsitsi volframi inertgaasi (GTAW) keevitamiseks. Satelliidi kütusepaagi keevitamise juhtumiuuring näitab, et kasutades 16 mm läbimõõduga düüsi, argooni voolukiirust 20 l/min ja vasest tugiplaati kaitseks, saavutati edukalt ühepoolne keevitamine ja kahepoolse vorminguga -poolne keevitamine, mille tulemuseks oli hõbedane{7}}valge keevisõmblus ilma poorsuseta röntgendefektideta{{8}. Paksemate kui 3 mm plaatide puhul parandab metallkaare keevitamine (GMAW) tõhusust pihustusülekanderežiimi kaudu. Tuumaelektrijaama titaantoru plaatide keevitusprojektis kasutati impulssvoolu juhtimist, vähendades soojuse sisendit 40% ja jääkpinget keevisõmbluses 25%.
Gaasikaitsetehnoloogia on titaani keevitamise põhielement. Keevitamise ajal on vajalik kolm-ühes Süvameresondi titaanisulamist survekooriku keevitamise praktika näitab, et kahekihilise õhuvoolu kaitsekaitsega (sisekihi argooni voolukiirus 15 l/min, väliskihi heeliumi voolukiirus 5 l/min) saab keevisõmbluse oksüdatsiooni värvivahemikku kontrollida 2 mm piires, mis vastab sõjaväe standarditele{{11}. Väärib märkimist, et argooni puhtus peab jõudma 99,999%, kastepunkt peab olema alla -60 kraadi ja gaasiballooni rõhk tuleb välja vahetada, kui see on alla 0,5 MPa; vastasel juhul muutub keevisõmblus oksüdatsiooni tõttu siniseks või isegi hallikasmustaks.
Keevitusmaterjalide valik ja protsessiparameetrite optimeerimine on võrdselt olulised. Tööstusliku puhta titaani (TA1) keevitamisel tuleks kasutada põhimaterjali koostisele vastavat ERTi-1 keevitustraati, TC4 titaanisulami puhul aga legeerelementide kadumise kompenseerimiseks keevitustraati ERTi-5. Lennukimootori kompressorkettaga tehtud keevituskatsed näitasid, et kui keevitusvool üle 220A suurendas sulavee voolavust, suurendas see ka gaasikaitse raskust. Lõppkokkuvõttes määrati parameetrite kombinatsioon 180A voolust ja 18V pingest, mis saavutas keevisõmbluse moodustumise koefitsiendi 1,3 ja vastab projekteerimisnõuetele. Lisaks oli vaja rangelt kontrollida läbipääsudevahelist temperatuuri alla 150 kraadi, et vältida terade jämedust ja sellele järgnevat sitkuse vähenemist.
Satelliidi kütusepaakidest kunstlike liigesimplantaatideni, süvameresondidest -süvameresondidest tipptasemel-spordivarustuseni – titaankeevitustehnoloogia nihutab materjalide omaduste piire. Meditsiiniseadmete ettevõte, mis kasutas laser-hübriidkaarkeevitustehnoloogiat, lühendas titaanisulamist ortopeediliste implantaatide keevitustsüklit 60%, suurendades samal ajal keevisõmbluse väsimustugevust 35%. Üks lennundusettevõte saavutas edukalt 200 mm paksuste titaanisulamist sepiste täppisliitmise, kasutades vaakumelektronkiirkeevitustehnoloogiat, saavutades liitetugevuse 98% alusmaterjalist. Need läbimurded mitte ainult ei kinnita titaani keevitustehnoloogia küpsust, vaid suunavad ka materjaliteadust kõrgema jõudluse ja nõudlikumate keskkonnarakenduste suunas.
Titaani keevitamise tee on materjali omaduste ja protsessi uuenduste vahelise koosmõju ajalugu. Algsest käsitsi argoonkaarkeevitusest kuni tänapäevase laserhübriidkeevituseni ja passiivsest kaitsest kuni aktiivse juhtimiseni on tööstus edukalt murdnud titaankeevituse "hapruskoodi", luues gaasikaitsemaatriksi, optimeerides keevitusmaterjalide süsteeme ja kontrollides täpselt protsessi parameetreid. Uute materjalide, nagu 3D-prinditud titaanisulamist konstruktsiooniosad ja titaani-põhised komposiitmaterjalid, ilmumisega jätkab keevitustehnoloogia innovatsiooni ja rakendusi ühendava sillana, aidates titaanmaterjalidel särada rohkemates tipptasemel-valdkondades.
