Námořní stavby vyžadují materiály, které odolávají mořské vodě, chloridům a mořské atmosféře, přičemž si udržují nízkou hmotnost a magnetický podpis zanedbatelný. Titan a jeho slitiny splňují všechny tyto požadavky, ale svařitelnost rozhoduje o tom, zda lze design skutečně vyrobit a udržet v provozu. Tato příručka vysvětluje, jak se vybírají jakosti námořního titanu, jak se volí přídavné kovy a postupy stínění a jak se navrhují a tepelně zpracovávají spoje, aby si svařovaná konstrukce zachovala vlastnosti základního kovu.
Proč je titan preferován pro námořní konstrukce
Komerčně čistý titan a slitiny alfa-beta titanu kombinují vysokou měrnou pevnost, vynikající odolnost vůči mořské a mořské atmosférické korozi, nemagnetické chování, propustnost zvuku, dobrou odolnost proti nárazům a vibracím a zpracovatelné výrobní vlastnosti. Odolnost proti korozi pochází ze stabilního, samo -opravitelného pasivního filmu s oxidem titaničitým, který se při mechanickém poškození během{4}}obnoví během milisekund, takže celkové plýtvání a důlková tvorba zůstává v provzdušňované mořské vodě zanedbatelná.
Hustota asi 4,51 g/cm3, což je zhruba 57 procent u oceli, což snižuje hmotnost horní strany a zlepšuje stabilitu.
Tepelná roztažnost asi 8,6 x 10-6 na K při pokojové teplotě, nižší než u austenitické nerezové oceli, což omezuje deformaci v dlouhých svarových švech.
Nízká tepelná vodivost, kolem 7 W/(mK) pro Ti-6Al-4V, proto je třeba koncentrovat teplo ve spoji a přívod tepla musí být přísně kontrolován.
Modul pružnosti asi 105 GPa, nižší než u oceli, takže konstrukce řízené tuhostí- vyžadují silnější části nebo přidané výztuhy.
Vzhledem k tomu, že titan slouží konstrukci trupu, pohonným systémům, energetickým systémům, elektronickým informačním systémům, pomocným systémům a speciálním zařízením, může jeden lodní program vyžadovat několik jakostí a forem výrobků, od desek a tyčí až po bezešvé a svařované trubky.
Svařitelné třídy mořského titanu a typické vlastnosti
Výběr stupně začíná od prostředí služby a poté od požadavku na pevnost. Všechny níže uvedené třídy jsou pokryty specifikací desek, plechů a pásů ASTM B265 a pro trubkové výrobky normou ASTM B338; označení, chemické složení a limity nečistot se řídí příslušnou produktovou normou a ekvivalentním národním systémem jakosti titanu.
| Stupeň | Jmenovité složení | 0,2 procenta mezního napětí, MPa | Pevnost v tahu, MPa | Typická námořní povinnost |
|---|---|---|---|---|
| 1. třída | Nelegovaný titan | 170 | 240 | Komponenty chemického procesu, nízko{0}}zatížené potrubí |
| 2. třída | Nelegovaný titan | 275 | 345 | Potrubí mořské vody, trubkovnice, obložení trupu |
| 5. třída | Ti-6Al-4V | 828 | 895 | Držáky pro vysoké{0}}zátěže, upevňovací prvky, hardware vrtule |
| 7. třída | Ti-0,15Pd | 275 | 345 | Procesní prostředí s vysokým-chloridem a nízkým-ph |
| 9. třída | Ti-3Al-2,5V | 483 | 620 | Hydraulické a přístrojové potrubí |
| 12. třída | Ti-0,3Mo-0,8Ni | 345 | 483 | Trubky a plechy výměníků tepla mořské vody |
| 23. třída | Ti-6Al-4V ELI | 759 | 860 | Podmořské a tlakové{0}}části trupu |
Nelegované druhy se nejsnáze svařují a používají se všude tam, kde pevnost neomezuje. Legované druhy nabízejí vyšší pevnost, ale potřebují přísnější kontrolu intersticiálních částí a tepelného vstupu, protože beta fáze je citlivá na obojí.
Výběr přídavného kovu: Stejná pevnost s nižším ekvivalentem hliníku
Námořní svařování titanu se běžně řídí zásadou stejné{0}}pevnosti: spoj musí poskytovat nejen pevnost, ale také vyváženou kombinaci plasticity, houževnatosti a odolnosti proti prasklinám. V praxi se výběr plniva řídí třemi pravidly.
Jako výchozí volbu použijte homogenní, odpovídající přídavný kov.
Tam, kde je požadována vyšší tažnost spoje, použijte spotřební materiál s mírně nižším stupněm legování než základní kov.
Chcete-li zvýšit plasticitu svarového kovu, udržujte intersticiální obsah v drátu nižší než v základním kovu.
Regresní analýza dat z výroby a kvalifikačních zkoušek ukazuje, že izotropie svarového kovu a obecného kovu je obvykle dosaženo, když je obsah slitiny drátu asi o jeden ekvivalent hliníku nižší než obsah základního materiálu. Ekvivalent hliníku se vypočítá z alfa-stabilizačních prvků, zejména hliníku, cínu a zirkonia, vážených proti beta stabilizátorům molybdenu, vanadu a niobu. Udržování mírně nízkých alfa stabilizátorů kompenzuje rychlé ochlazování svarové lázně, které jinak vytváří nad-zpevněnou a méně tvárnou tavnou zónu.
Intersticiální prvky jsou důležité stejně jako substituční legování. Kyslík, dusík, vodík a uhlík zvyšují pevnost, ale výrazně snižují houževnatost, takže chemie drátu je normálně specifikována podle klasifikace plniva AWS A5.16 ERTi, která tyto prvky omezuje na nízkou úroveň. Drát a obecný kov by měly být skladovány v uzavřených obalech, manipulovat s nimi v čistých rukavicích, které nepouštějí vlákna, a bezprostředně před použitím je otřít rozpouštědlem, které nezanechává žádné zbytky.
Plynové stínění a kontrola kontaminace
Titan je vysoce reaktivní nad zhruba 600 C a bude absorbovat kyslík, dusík a vodík ze vzduchu. Úplná inertní ochrana proto musí pokračovat, dokud se svárem a teplem-dotčená oblast neochladí pod asi 400 C, což je značně mimo dosah běžné trysky hořáku.
Použijte argon s čistotou alespoň 99,99 procent a výhodně 99,995 procent, s nízkým obsahem vlhkosti; helium nebo argon-směsi helia se používají tam, kde je potřeba hlubší průnik.
Namontujte zadní štít za hořák a v případě trubky nebo trubky proplachujte vnitřek spoje argonem, dokud hladina výstupního kyslíku neklesne pod 50 ppm, než dojde k zapálení oblouku.
Zkontrolujte barvu svaru jako primární kritérium přijatelnosti pole: přípustný je stříbrný nebo světlý slámový odstín, světle modrý odstín musí být odstraněn místním mechanickým orovnáním a matně modrý, šedý nebo křídově bílý povrch indikuje znečištění a vyžaduje vyříznutí postiženého kovu.
Udržujte svarovou zónu bez průvanu a chraňte ji před ventilátory a otevřenými dveřmi; porucha proudění plynu se okamžitě projeví změnou barvy nebo porézností.
Návrh spoje, tepelný příkon a odlehčení pnutí
Tvar kloubu je proměnnou prvního{0} řádu pro únavovou životnost. Pro tenké řezy jsou preferovány čtvercové tupé spoje s obrobenou fazetkou a bez kořenové mezery a pro tlustší desku s velkorysou kořenovou plochou se používají přípravky s jednoduchým -V nebo dvojitým- V. Úzké drážky, strunové patky a kontrolované tkaní minimalizují šířku tepelně-zasažené zóny a objem materiálu, který absorbuje znečištění. Příkon tepla je udržován na nízké úrovni, teplota mezi průchody je udržována pod přibližně 150 C a povrchy se mezi průchody čistí.
Odlehčení pnutí námořních titanových svařenců musí být přizpůsobeno jakosti, nikoli jednotně. Nelegované třídy jsou obvykle ponechány jako-svařené, protože zbytková napětí jsou mírná a tepelné zpracování zvyšuje náklady bez přínosů. Alfa-beta slitiny, jako je Ti-6Al-4V, jsou typicky odlehčeny od pnutí mezi 550 C a 650 C, ve vakuu nebo v inertní atmosféře o vysoké čistotě, s časem a rychlostí ochlazování stanovenými kvalifikovaným postupem; úplné žíhání se provádí při vyšší teplotě v rozsahu povoleném specifikací produktu. Postupy jsou kvalifikovány zkouškou postupu svařování, například podle ISO 15614-1 pro obloukové svařování titanu, a kvalifikovaná řada stanoví předehřev, teplotu interpass, plnivo a tepelný příkon.
Inspekce kombinuje vizuální kontrolu každého svaru, penetrantu barviva nebo fluorescenčního penetrantu na povrchové defekty a radiografické nebo ultrazvukové testování objemových defektů na kritických spojích s následnou kontrolou tvrdosti na postupových kvalifikačních kupónech.
Často kladené otázky
Otázka: Může být titan svařován přímo s ocelí nebo nerezovou ocelí?
Ne. Titan tvoří křehké intermetalické sloučeniny se železem, niklem a chromem, takže přímý tavný svar popraská. Přechodové spoje používají bimetalovou vložku nebo mechanické, šroubové nebo výbušné-spojení a titanová strana je pak k této vložce přivařena.
Otázka: Které plnivo se běžně používá pro námořní titan třídy 2?
Stupeň 2 je svařen odpovídajícím plnivem ERTi-2. Pro svary, které musí po tváření vykazovat zvýšenou tažnost, lze zvolit plnivo ERTi-1 s nižším intersticiálním obsahem za předpokladu, že snížená pevnost je přijatelná v konstrukčním výpočtu.
Otázka: Proč je při svařování titanu nutný zadní štít?
Zóna ovlivněná svarem a teplem- zůstává po průchodu oblouku několik sekund nad prahem kontaminace přibližně 400 C. Zadní štít rozšiřuje inertní obal nad horkým kovem a zabraňuje nasávání kyslíku a dusíku, které způsobuje změnu barvy a křehnutí.
Otázka: Co znamená modrá nebo šedá barva svaru?
To znamená, že kov byl vystaven vzduchu, dokud byl ještě horký. Modrá označuje mírné znečištění a vyžaduje mechanické odstranění a opětovnou{1}}kontrolu; šedá nebo křídově bílá značí vážné znečištění a postižená část je normálně vyříznuta a znovu{2}}svařena s vylepšeným stíněním.
Otázka: Je u lodního titanu vždy nutné tepelné zpracování-po svařování?
Ne. Nelegované třídy se obecně používají jako-svařované. Odlehčení pnutí je specifikováno pro alfa-beta slitiny a pro zadržovací-těžké sestavy a cyklus je vybrán ze třídy, tloušťky průřezu a výsledků kvalifikované zkoušky svařovacího postupu.
Otázka: Jak se ověřuje kvalita svaru?
Vizuální kontrola a posouzení barvy svaru se provádí u každého spoje, testování penetrace pokrývá povrchové -defekty porušení a radiografické nebo ultrazvukové testování se používá u kritických strukturálních a tlakových{1}}spojů, které je podpořeno destruktivním testováním kupónů na kvalifikaci postupu.
