Marine strukturer kræver materialer, der modstår havvand, chlorider og den marine atmosfære, samtidig med at vægten holdes lav og den magnetiske signatur er ubetydelig. Titanium og dets legeringer opfylder alle disse krav, men svejsbarhed er det, der afgør, om et design rent faktisk kan fremstilles og holdes i drift. Denne vejledning forklarer, hvordan marine titanium kvaliteter vælges, hvordan fyldningsmetaller og afskærmningspraksis vælges, og hvordan samlinger designes og varmebehandles, så en svejst struktur bevarer grundmetallets egenskaber.
Hvorfor titan foretrækkes til marine strukturer
Kommercielt rent titanium og alfa-beta titanlegeringer kombinerer høj specifik styrke, fremragende modstandsdygtighed over for havvand og marin atmosfærisk korrosion, ikke-magnetisk adfærd, lydgennemtrængelighed, god modstandsdygtighed over for stød og vibrationer og brugbare fabrikationsegenskaber. Korrosionsbestandigheden kommer fra en stabil, selv--reparerende passiv film af titaniumdioxid, der gen-dannes inden for millisekunder, når den bliver mekanisk beskadiget, så generelt spild og gruber forbliver ubetydeligt i beluftet havvand.
Densitet omkring 4,51 g/cm3, omkring 57 procent af stål, hvilket reducerer topsidevægten og forbedrer stabilitetsmarginerne.
Termisk ekspansion omkring 8,6 x 10-6 pr. K ved stuetemperatur, lavere end austenitisk rustfrit stål, hvilket begrænser forvrængning i lange svejsede sømme.
Termisk ledningsevne lav, omkring 7 W/(mK) for Ti-6Al-4V, så varmekoncentrater ved samlingen og varmetilførslen skal kontrolleres stramt.
Elasticitetsmodul omkring 105 GPa, lavere end stål, så stivhed-drevne designs kræver tykkere sektioner eller tilføjede afstivninger.
Fordi titanium tjener skrogstruktur, fremdriftssystemer, kraftsystemer, elektroniske informationssystemer, hjælpesystemer og specielle enheder, kan et enkelt skibsprogram kræve flere kvaliteter og produktformer, fra plade og stang til sømløse og svejste rør.
Svejsbare marine titankvaliteter og typiske egenskaber
Karakterudvælgelsen starter fra servicemiljøet og derefter fra styrkekravet. Alle kvaliteter anført nedenfor er dækket af ASTM B265 plade-, ark- og strimmelspecifikationen og, for rørformede produkter, af ASTM B338; betegnelse, kemi og urenhedsgrænser følger den relevante produktstandard og det tilsvarende nationale titaniumkvalitetssystem.
| Grad | Nominel sammensætning | 0,2 procent bevisspænding, MPa | Trækstyrke, MPa | Typisk søfart |
|---|---|---|---|---|
| 1. klasse | Ulegeret titanium | 170 | 240 | Kemiske proceskomponenter, lav-belastningskanaler |
| 2. klasse | Ulegeret titanium | 275 | 345 | Havvandsrør, rørplader, skrogforinger |
| 5. klasse | Ti-6Al-4V | 828 | 895 | Høje-belastningsbeslag, fastgørelsesanordninger, propelhardware |
| 7. klasse | Ti-0,15Pd | 275 | 345 | Procesmiljøer med højt-klorid og lav-pH |
| 9. klasse | Ti-3Al-2,5V | 483 | 620 | Hydraulik- og instrumenteringsrør |
| 12. klasse | Ti-0,3Mo-0,8Ni | 345 | 483 | Havvandsvarmevekslerrør og rørplader |
| 23. klasse | Ti-6Al-4V ELI | 759 | 860 | Undersøiske og tryk-skrogkomponenter |
Ulegerede kvaliteter er de nemmeste at svejse og bruges overalt, hvor styrken ikke er begrænsende. Legerede kvaliteter giver højere styrke, men har brug for strammere kontrol af mellemliggende elementer og varmetilførsel, fordi betafasen er følsom over for begge dele.
Fyldmetalvalg: Lige styrke med lavere aluminiumækvivalent
Marine titanium svejsning følger normalt et lige-styrkeprincip: samlingen skal levere ikke kun styrke, men også en afbalanceret kombination af plasticitet, sejhed og revnemodstand. I praksis styrer tre regler fyldstofvalg.
Brug et homogent, matchende fyldmetal som standardvalg.
Hvor der kræves en højere fugeduktilitet, skal du bruge et forbrugsmateriale med en lidt lavere legeringsgrad end basismetallet.
For at øge svejsemetallets plasticitet skal det mellemliggende indhold i tråden holdes lavere end i basismetallet.
Regressionsanalyse af produktions- og kvalifikationstestdata viser, at isotropi af svejsemetal og uædle metal normalt opnås, når legeringsindholdet i tråden er omkring en aluminiumækvivalent lavere end basismaterialets. Aluminiumækvivalent beregnes ud fra de alfa-stabiliserende elementer, primært aluminium, tin og zirconium, vægtet mod beta-stabilisatorerne molybdæn, vanadium og niobium. At holde alfa-stabilisatorerne lidt lave kompenserer for den hurtige afkøling af svejsebassinet, som ellers producerer en over-forstærket og mindre duktil fusionszone.
Mellemliggende annoncer betyder lige så meget som substitutionslegering. Ilt, nitrogen, brint og kulstof øger styrken, men reducerer kraftigt sejheden, så trådkemi er normalt specificeret under AWS A5.16 ERTi fyldstofklassifikationen, som dækker disse elementer ved lave niveauer. Tråd og uædle metal skal opbevares i forseglet emballage, håndteres med rene fnugfrie-handsker og tørres af med et opløsningsmiddel, der ikke efterlader rester umiddelbart før brug.
Gasafskærmning og forureningskontrol
Titanium er meget reaktivt over ca. 600 C og vil absorbere ilt, nitrogen og brint fra luften. Fuldstændig inaktiv beskyttelse skal derfor fortsætte, indtil den svejse- og varme-berørte zone er afkølet til under ca. 400 C, hvilket er langt uden for rækkevidden af en konventionel brænderdyse.
Brug argon med en renhed på mindst 99,99 procent, og helst 99,995 procent, med et lavt fugtindhold; helium eller argon-heliumblandinger bruges, hvor der er behov for dybere penetration.
Monter et slæbende skjold bag brænderen, og for rør eller rør skylles indersiden af samlingen med argon, indtil udløbets iltniveau er under 50 ppm, før lysbuen rammes.
Tjek svejsefarve som det primære feltacceptkriterium: en sølv- eller lys stråfarve er acceptabel, en lyseblå nuance skal fjernes ved lokal mekanisk forbinding, og en mat blå, grå eller kridhvid overflade indikerer forurening og kræver, at det berørte metal skæres ud.
Hold svejsezonen fri for træk og skærm den mod ventilatorer og åbne døre; en forstyrrelse i gasstrømmen viser sig straks som misfarvning eller porøsitet.
Leddesign, varmetilførsel og afspænding
Ledform er en første-ordensvariabel for træthedsliv. Firkantede stødsamlinger med en bearbejdet jord og ingen rodspalte foretrækkes til tynde sektioner, og enkelt-V eller dobbelt-V præparater bruges til tykkere plade med en generøs rodflade. Smalle riller, stringer-perler og kontrolleret vævning minimerer bredden af den varme-berørte zone og mængden af materiale, der absorberer forurening. Varmetilførslen holdes lav, interpass-temperaturen holdes under ca. 150 C, og overflader rengøres mellem passagerne.
Spændingsaflastning af marine titanium svejsninger skal tilpasses til kvaliteten i stedet for at påføres ensartet. Ulegerede kvaliteter efterlades normalt som-svejsede, fordi resterende spændinger er beskedne, og termisk behandling øger omkostningerne uden fordel. Alfa-beta-legeringer såsom Ti-6Al-4V aflastes typisk mellem 550 C og 650 C, i et vakuum eller en inert atmosfære med høj renhed, med tid og afkølingshastighed fastsat ved den kvalificerede procedure; fuld udglødning udføres ved højere temperatur inden for det område, der er tilladt af produktspecifikationen. Procedurer er kvalificeret ved svejseproceduretest, for eksempel i henhold til ISO 15614-1 for lysbuesvejsning af titanium, og det kvalificerede område fastsætter forvarmning, interpass-temperatur, fyldstof og varmetilførsel.
Inspektion kombinerer visuel undersøgelse af hver svejsning, farvestofpenetrant eller fluorescerende penetrant for overfladedefekter, og radiografisk eller ultralydstestning for volumetriske defekter på kritiske samlinger, efterfulgt af hårdhedstjek på procedurekvalifikationskuponer.
Ofte stillede spørgsmål
Q: Kan titanium svejses til stål eller rustfrit stål direkte?
Nej. Titan danner sprøde intermetalliske forbindelser med jern, nikkel og krom, så en direkte smeltesvejsning vil revne. Overgangssamlinger bruger en bimetallisk indsats eller en mekanisk, boltet eller eksplosiv-forbindelse, og titaniumsiden svejses derefter til den indsats.
Q: Hvilket fyldstof bruges normalt til grad 2 marine titanium?
Grade 2 er svejset med en matchende ERTi-2 spartelmasse. Til svejsninger, der skal udvise ekstra duktilitet efter formning, kan der vælges en ERTi-1 spartelmasse med lavere interstitielt indhold, forudsat at den reducerede styrke er acceptabel i designberegningen.
Spørgsmål: Hvorfor er et efterslæb nødvendigt ved svejsning af titanium?
Den svejsning og varme-berørte zone forbliver over forureningstærsklen på ca. 400 C i flere sekunder, efter at lysbuen passerer. Et slæbende skjold udvider den inaktive kappe over det varme metal og forhindrer ilt- og nitrogenopsamlingen, der forårsager misfarvning og skørhed.
Q: Hvad betyder en blå eller grå svejsefarve?
Det betyder, at metallet blev udsat for luft, mens det stadig var varmt. Blå angiver moderat forurening og kræver mekanisk fjernelse plus gen-inspektion; gråt eller kridhvidt indikerer alvorlig forurening, og den berørte sektion er normalt skåret ud og gen-svejset med forbedret afskærmning.
Spørgsmål: Er efter-svejsevarmebehandling altid påkrævet for marine titanium?
Nej. Ulegerede kvaliteter bruges generelt som-svejsede. Spændingsaflastning er specificeret for alfa-beta-legeringer og for fastholdende-tunge enheder, og cyklussen vælges fra karakteren, snittykkelsen og resultaterne af den kvalificerede svejseproceduretest.
Q: Hvordan verificeres svejsekvaliteten?
Visuel undersøgelse og svejsefarvevurdering anvendes på hver samling, penetrerende test dækker overflade-brudsfejl, og radiografi eller ultralydstestning bruges på kritiske strukturelle og trykfastholdende samlinger, understøttet af destruktiv testning af procedurekvalifikationskuponer.
