Порівняння особливостей металургійної взаємодії при застосуванні різних способів дугового і плазмового наплавлення сталевого дроту на титан

This paper reports a study into the regularities of interphase interaction, features in the formation of intermetallic phases (IMPs), and defects when surfacing steel on titanium in four ways: P-MAG, CMT, plasma surfacing by an indirect arc with conductive wire, and PAW. A general tendency has been established in the IMP occurrence when surfacing steel on titanium by all the considered methods. It was determined that the plasma surfacing technique involving an indirect arc with conductive wire is less critical as regards the IMP formation. That makes it possible to obtain an intermetallic layer of the minimum thickness (25...54 μm) in combination with the best quality in the formation of surfaced metal beads. Further minimization of the size of this layer is complicated by a critical decrease in the heat input into the metal, which gives rise to the capability of the surfaced metal to be collected in separate droplets. The formation of TiFe2, TiFe, and the α-Fe phase enriched with titanium in different percentage compositions has been observed in the transition zone of steel surfacing on titanium under different techniques and modes of surfacing. The study has shown the possibility of formation, in addition to the phases of TiFe2 and TiFe, the Ti2Fe phase at low heat input. The technique of plasma surfacing by an indirect arc with conductive wire minimizes the thermal effect on the base metal. When it is used at the border of the transition of the layer of steel surfaced on titanium, the phase composition and structure of the layers in some cases approach the composition and structure of the transition zone of the original bimetallic sheet "titanium-steel" manufactured by rolling. A layer up to 5 μm thick is formed from the β phase with an iron concentration of 44.65 % by weight and an intermetallic layer up to 0.2...0.4 μm thick, close in composition to the TiFe phase. The next step in minimizing the IMP formation might involve the introduction of a barrier layer between titanium and steel.Исследовались закономерности межфазного взаимодействия, особенности образования интерметаллидных фаз (ИМФ) и дефектов при наплавке стали на титан четырьмя способами: Р-MAG, СМТ, плазменная наплавка косвенной дугой с токопроводящей проволокой и PAW. Установлена общая тенденция появления ИМФ при наплавке стали на титан всеми рассмотренными методами. Определено, что способ плазменной наплавки косвенной дугой с токопроводящей проволокой менее критичен к образованию ИМФ. Он позволяет получать интерметаллидный слой минимальной толщины (25...54 мкм) в сочетании с наилучшим качеством формирования валиков наплавленного металла. Дальнейшая минимизация размера этого слоя усложняется критическим снижением тепловложения в металл, которое приводит к способности наплавляемого металла собираться в отдельные капли. В переходной зоне наплавки стали на титан зафиксировано образование ИМФ TiFe2, TiFe и фазы α-Fe, обогащенной титаном в разном процентном составе для различных способов и режимов наплавки. Исследования показали возможность образования кроме фаз TiFe2 и TiFe фазы Ti2Fe при малом тепловложении. Способ плазменной наплавки косвенной дугой с токопроводящей проволокой позволяет минимизировать тепловое воздействие на основной металл. При его применении на границе перехода наплавленного стального слоя на титан фазовый состав и структура слоев в отдельных случаях приближаются к составу и структуре переходной зоны исходного биметаллического листа «титан-сталь» полученного прокаткой. Образуется прослойка толщиной до 5 мкм из β-фазы с концентрацией железа 44.65 %масс. и интерметаллидным слоем толщиной до 0.2...0.4 мкм, близким по составу к фазе TiFe. Следующим этапом минимизации образования ИМФ может быть введение барьерного слоя между титаном и стальюДосліджувалися закономірності міжфазної взаємодії, особливості утворення інтерметалідних фаз (ІМФ) і дефектів при наплавленні сталі на титан чотирма способами: Р-MAG, СМТ, плазмове наплавлення непрямою дугою зі струмопровідним дротом і PAW. Встановлено загальну тенденцію появи ІМФ при наплавленні сталі на титан усіма розглянутими методами. Визначено, що спосіб плазмового наплавлення непрямою дугою зі струмопровідним дротом найменш критичний до утворення ІМФ. Він дозволяє отримувати інтерметалідний прошарок мінімальної товщини (25...54 мкм) в поєднанні з найкращою якістю формування валиків наплавленого металу. Подальша мінімізація розміру цього прошарку ускладнюється критичним зниженням тепловкладання в метал, яке призводить до здатності металу, що наплавляють, збиратися в окремі краплі. У перехідній зоні наплавки сталі на титан зафіксовано утворення ІМФ TiFe2, TiFe і фази α-Fe, збагаченої титаном в різному процентному складі для різних способів і режимів наплавлення. Дослідження показали можливість утворення окрім фаз TiFe2 і TiFe фази Ti2Fe при малому тепловкладанні. Спосіб плазмового наплавлення непрямою дугою зі струмопровідним дротом дозволяє мінімізувати тепловий вплив на основний метал. При його застосуванні на межі переходу наплавленого сталевого шару на титан фазовий склад і структура шарів в окремих випадках наближаються до складу та структури перехідної зони вихідного біметалічного листа «титан-сталь» отриманого прокаткою. Утворюється прошарок товщиною до 5 мкм з β-фази з концентрацією заліза 44.65 % мас. та інтерметаллідний прошарок товщиною до 0.2...0.4 мкм, близький за складом до фази TiFe. Наступним етапом мінімізації утворення ІМФ може бути введення бар'єрного шару між титаном і сталл

Порівняння особливостей формування з’єднань алюмінієвого сплава 7075 (Al-Zn-Mg-Cu) лазерним, мікроплазмовим та лазерно-мікроплазмовим зварюванням

This paper reports a study into features of the formation of structures of permanent butt joints of plates with a thickness of 1.5 mm made from the high-strength aluminum alloy 7075 of the Al-Zn-Mg-Cu system. Welding by melting these joints was performed using three techniques: laser, microplasma, and hybrid laser-microplasma. To implement the latter two, a compressed arc on a multipolar asymmetric current was used. The purpose of the research was to establish the tendency to the formation of characteristic defects and the possibility of their elimination. It has been determined that during laser welding a small (~5 %) volumetric fraction of defects in the form of pores is formed, residual welding deformations are minimized. There is a decrease in the hardness of the melted metal by 15 % with a simultaneous increase in the hardness of the heat-affected zone (HAZ) by 8...12 % relative to the base metal. In the melted metal, cavities up to 100 μm in size are formed, which are the center of the origin of hot cracks with a length of 25‒30 μm. There are oxide inclusions in the root part of the seam. With microplasma welding, the volume fraction of defects of the melted metal in the form of pores with a size of 10...105 μm increases (up to 25 %). The hardness of the melted metal is reduced by 30 % with the hardness of the HAZ metal close to the base metal. In laser-microplasma welding, the volumetric fraction of defects of the melted metal in the form of pores with a size of 15...25 μm is reduced to 5 %. The hardness of the melted metal is reduced by 15...20 % with the hardness of the HAZ metal close to the base metal. In the lower part of the melted metal, cavities of ~100 μm are formed. No microcracks were found in the seam metal. Analysis of the research results showed the advantage of the laser-microplasma technique. This method reduces the use of laser energy by 40...50 %, the lifetime of the welding pool (0.03...0.05 s) approaches laser welding, it eliminates the danger of burnout of alloying elements.Исследованы особенности формирования структур неразъемных стыковых соединений пластин толщиной 1,5 мм из высокопрочного алюминиевого сплава 7075 системы Al-Zn-Mg-Cu. Сварку плавлением этих соединений выполняли тремя способами: лазерным, микроплазменным и гибридным лазерно-микроплазменным. Для реализации двух последних применяли сжатую дугу на разнополярном асимметричном токе. Целью исследований было установление склонности к образованию характерных дефектов и возможности их устранения. Определено, что при лазерной сварке формируется малая (~5 %) объемная доля дефектов в виде пор, минимизируются остаточные сварочные деформации. Наблюдается снижение твердости переплавленного металла на 15 % с одновременным повышением твердости зоны термического влияния (ЗТВ) на 8...12 % относительно основного металла. В переплавленном металле образуются полости размером до 100 мкм, являющиеся центром зарождения горячих трещин длиной 25...30 мкм. Наблюдаются оксидные включения в корневой части шва. При микроплазменной сварке повышается (до 25 %) объемная доля дефектов переплавленного металла в виде пор размером 10...105 мкм. Снижается твердость переплавленного металла на 30 % при твердости металла ЗТВ близкой к основному металлу. При лазерно-микроплазменной сварке объемная доля дефектов переплавленного металла в виде пор размером 15…25 мкм снижается до 5 %. Твердость переплавленного металла снижается на 15…20 % при твердости металла ЗТВ близкой к основному металлу. В нижней части переплавленного металла образуются полости ~100 мкм. Микротрещины в металле шва не обнаружены. Анализ результатов исследований показал преимущество лазерно-микроплазменного способа. Этот способ уменьшает использование лазерной энергии на 40...50 %, время существования сварочной ванны (0,03...0,05 с) приближается к лазерной сварке, устраняется опасность выгорания легирующих элементовДосліджено особливості формування структур нероз'ємних стикових з'єднань пластин товщиною 1,5 мм із високоміцного алюмінієвого сплаву 7075 системи Al-Zn-Mg-Cu. Зварювання плавленням цих з’єднань виконували трьома способами: лазерним, мікроплазмовим та гібридним лазерно-мікроплазмовим. Для реалізації двох останніх застосовували стислу дугу на різнополярному асиметричному струмі. Метою досліджень було встановлення схильності до утворення характерних дефектів та можливості їх усунення. Визначено, що при лазерному зварюванні формується мала (~5 %) об'ємна частка дефектів у вигляді пор, мінімізуються залишкові зварювальні деформації. Спостерігається зниження твердості переплавленого металу на 15 % з одночасним підвищенням твердості зони термічного впливу (ЗТВ) на 8...12 % відносно основного металу. В переплавленому металі утворюються порожнини розміром до 100 мкм, які є центром зародження гарячих тріщин довжиною 25...30 мкм. Спостерігаються оксидні включення в кореневій частині шва. При мікроплазмовому зварюванні підвищується (до 25 %) об'ємна частка дефектів переплавленого металу у вигляді пор розміром 10...105 мкм. Знижується твердість переплавленого металу на 30 % при твердості металу ЗТВ близької до основного металу. При лазерно-мікроплазмовому зварюванні об'ємна частка дефектів переплавленого металу у вигляді пор розміром 15…25 мкм знижується до ~5 %. Твердість переплавленого металу знижується на 15…20 % при твердості металу ЗТВ близької до основного металу. В нижній частині переплавленого металу утворюються порожнини ~100 мкм. Мікротріщини у металі шва не виявлені. Аналіз результатів досліджень показав перевагу лазерно-мікроплазмового способу. Цей спосіб зменшує використання лазерної енергії на 40…50 %, час існування зварювальної ванни (0,03…0,05 с) наближується до лазерного зварювання, усувається небезпека вигоряння легуючих елементі

Аналіз металургійної взаємодії при дуговому наплавленні бар'єрних шарів на титан для запобігання утворення інтерметалідів в з’єднаннях «титан-сталь»

This paper considers a possibility to obtain high-quality butt junctions of bimetallic sheets from steel clad with a layer of titanium, with the use of barrier layers. The task that was tackled related to preventing the formation of Ti-Fe intermetallic phases (IMPs) between the steel and titanium layer. The barrier layers (height ~0.5 mm) of vanadium and copper alloys were surfaced by arc techniques while minimizing the level of thermal influence on the base metal. To this end, plasma surfacing with a current-driving wire and pulsed MAG surfacing were used. The obtained samples were examined by methods of metallography, X-ray spectral microanalysis, durometric analysis. It has been established that when a layer of vanadium is plated on the surface of titanium, a defect-free structure of variable composition (53.87–65.67) wt % Ti with (33.93–45.54) wt % V is formed without IMPs. The subsequent surfacing of steel on a layer of vanadium leads to the formation of eutectics (hardness up to 5,523 MPa) in the fusion zone, as well as to the evolution of cracks. To prevent the formation of IMPs, a layer of bronze CuBe2 was deposited on the surface of vanadium. The formed layer contributed to the formation of a grid of hot cracks. In the titanium-vanadium-copper transition zones (0.1–0.2 mm wide), a fragile phase was observed. To eliminate this drawback, the bronze CuBe2 was replaced with bronze CuSi3Mn1; a defect-free junction was obtained. When using a barrier layer with CuSi3Mn1, a defect-free junction was obtained (10–30 % Ti; 18–50 % Fe; 5–25 % Cu). The study reported here makes it possible to recommend CuSi3Mn1 as a barrier layer for welding bimetallic sheets "steel-titanium". One of the applications of the research results could be welding of longitudinally welded pipes of main oil and gas pipelines formed from bimetallic sheets of steel clad with titanium.Рассмотрена возможность получения качественных стыковых соединений биметаллических листов из стали, плакированной слоем титана, с применением барьерных прослоек. Решалась задача предотвращения образования интерметаллидных фаз (ИМФ) Ti-Fe между сталью и титановым слоем. Наплавка барьерных прослоек (высотой ~0,5 мм) из ванадия и медных сплавов выполнялась дуговыми способами с минимизацией уровня термического влияния на основной металл. Для этого применяли плазменную наплавку с токоведущей проволокой и импульсную MAG наплавку. Полученные образцы исследовали методами металлографии, рентгеноспектрального микроанализа, дюрометрического анализа. Установлено, что при наплавке слоя ванадия на поверхность титана, образуется бездефектная структура переменного состава (53.87–65.67) масс. % Ti с (33.93–‑45.54) масс. % V без ИМФ. Последующая наплавка стали на слой ванадия приводит к формированию эвтектики (твердостью до 5523 МПа) в зоне сплавления, а также к образованию трещин. Для предотвращения образования ИМФ проведена наплавка слоя бронзы CuBe2 на поверхность ванадия. Сформировавшийся при этом слой способствовал образованию сетки горячих трещин. В зонах перехода титан-ванадий-медь (шириной 0,1–0,2 мм) наблюдалась хрупкая фаза. Для устранения этого недостатка бронзу CuBe2 заменили бронзой CuSi3Mn1 и получили бездефектное соединение. При использовании барьерного слоя с CuSi3Mn1 получено бездефектное соединение (10–30 % Ti, 18–50 % Fe, 5–25 % Cu). Проведенные исследования позволяют рекомендовать CuSi3Mn1 как барьерный слой для сварки биметаллических листов «сталь-титан». Одним из применений результатов исследований может быть сварка продольношовных труб магистральных нефте- и газопроводов, сформованных из биметаллических листов стали, плакированной титаномРозглянуто можливість отримання якісних стикових з'єднань біметалевих листів зі сталі, плакованої шаром титану, із застосуванням бар'єрних прошарків. Вирішувалася задача запобігання утворенню інтерметалідних фаз (ІМФ) Ti-Fe між сталлю і титановим шаром. Наплавлення бар'єрних прошарків (висотою ~0.5 мм) з ванадію і мідних сплавів виконувалося дуговими способами з мінімізацією рівня термічного впливу на основний метал. Для цього застосовували плазмове наплавлення зі струмопровідним дротом і імпульсне MAG наплавлення. Отримані зразки досліджували методами металографії, рентгеноспектрального мікроаналізу, дюрометріческого аналізу. Встановлено, що при наплавленні шару ванадію на поверхню титану, утворюється бездефектна структура змінного складу (53.87–65.67) мас. % Ti з (33.93–45.54) мас. % V без ІМФ. Подальше наплавлення сталі на шар ванадію призводить до формування евтектики (твердістю до 5523 МПа) в зоні сплавлення, а також до утворення тріщин. Для запобігання утворенню ІМФ проведено наплавлення шару бронзи CuBe2 на поверхню ванадію. Шар, який формувався при цьому, сприяв утворенню сітки гарячих тріщин. У зонах переходу титан-ванадій-мідь (шириною 0,1–0,2 мм) спостерігалася крихка фаза. Для усунення цього недоліку бронзу CuBe2 замінили бронзою CuSi3Mn1 і отримали бездефектне з’єднання. У разі використання бар'єрного шару з CuSi3Mn1 отримано бездефектне з’єднання (10–30 %Ti, 18–50 %Fe, 5–25 %Cu). Проведені дослідження дозволяють рекомендувати CuSi3Mn1 як бар’єрний прошарок для зварювання біметалевих листів «сталь-титан». Одним із застосувань результатів досліджень може бути зварювання повздовжношовних труб магістральних нафто- і газопроводів, сформованих з біметалевих листів сталі, плакованої титано

Comparison of the Features of the Formation of Joints of Aluminum Alloy 7075 (Al-Zn-Mg-Cu) by Laser, Microplasma, and Laser-microplasma Welding

This paper reports a study into features of the formation of structures of permanent butt joints of plates with a thickness of 1.5 mm made from the high-strength aluminum alloy 7075 of the Al-Zn-Mg-Cu system. Welding by melting these joints was performed using three techniques: laser, microplasma, and hybrid laser-microplasma. To implement the latter two, a compressed arc on a multipolar asymmetric current was used. The purpose of the research was to establish the tendency to the formation of characteristic defects and the possibility of their elimination. It has been determined that during laser welding a small (~5 %) volumetric fraction of defects in the form of pores is formed, residual welding deformations are minimized. There is a decrease in the hardness of the melted metal by 15 % with a simultaneous increase in the hardness of the heat-affected zone (HAZ) by 8...12 % relative to the base metal. In the melted metal, cavities up to 100 μm in size are formed, which are the center of the origin of hot cracks with a length of 25‒30 μm. There are oxide inclusions in the root part of the seam. With microplasma welding, the volume fraction of defects of the melted metal in the form of pores with a size of 10...105 μm increases (up to 25 %). The hardness of the melted metal is reduced by 30 % with the hardness of the HAZ metal close to the base metal. In laser-microplasma welding, the volumetric fraction of defects of the melted metal in the form of pores with a size of 15...25 μm is reduced to 5 %. The hardness of the melted metal is reduced by 15...20 % with the hardness of the HAZ metal close to the base metal. In the lower part of the melted metal, cavities of ~100 μm are formed. No microcracks were found in the seam metal. Analysis of the research results showed the advantage of the laser-microplasma technique. This method reduces the use of laser energy by 40...50 %, the lifetime of the welding pool (0.03...0.05 s) approaches laser welding, it eliminates the danger of burnout of alloying elements

Analyzing Metallurgical Interaction During Arc Surfacing of Barrier Layers on Titanium to Prevent the Formation of Intermetallics in Titanium-steel Compounds

This paper considers a possibility to obtain high-quality butt junctions of bimetallic sheets from steel clad with a layer of titanium, with the use of barrier layers. The task that was tackled related to preventing the formation of Ti-Fe intermetallic phases (IMPs) between the steel and titanium layer. The barrier layers (height ~0.5 mm) of vanadium and copper alloys were surfaced by arc techniques while minimizing the level of thermal influence on the base metal. To this end, plasma surfacing with a current-driving wire and pulsed MAG surfacing were used. The obtained samples were examined by methods of metallography, X-ray spectral microanalysis, durometric analysis. It has been established that when a layer of vanadium is plated on the surface of titanium, a defect-free structure of variable composition (53.87–65.67) wt % Ti with (33.93–45.54) wt % V is formed without IMPs. The subsequent surfacing of steel on a layer of vanadium leads to the formation of eutectics (hardness up to 5,523 MPa) in the fusion zone, as well as to the evolution of cracks. To prevent the formation of IMPs, a layer of bronze CuBe2 was deposited on the surface of vanadium. The formed layer contributed to the formation of a grid of hot cracks. In the titanium-vanadium-copper transition zones (0.1–0.2 mm wide), a fragile phase was observed. To eliminate this drawback, the bronze CuBe2 was replaced with bronze CuSi3Mn1; a defect-free junction was obtained. When using a barrier layer with CuSi3Mn1, a defect-free junction was obtained (10–30 % Ti; 18–50 % Fe; 5–25 % Cu). The study reported here makes it possible to recommend CuSi3Mn1 as a barrier layer for welding bimetallic sheets "steel-titanium". One of the applications of the research results could be welding of longitudinally welded pipes of main oil and gas pipelines formed from bimetallic sheets of steel clad with titanium