NO156158B - Sveiseprodukt, hvori titan er sammenfoeyd med aluminium med aluminiumtilsats, samt fremgangsmaate for fremstilling av et slikt sveiseprodukt. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et sveiseprodukt, hvori titan er sammenføyd med aluminium med aluminiumtilsats, hvori basisemnekomposisjonene og aluminiumtilsatsen inneholder høyst 10% og fortrinnsvis 5% titan. Videre vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av et slikt sveiseprodukt.

Ved elektrolyse av koksalt anvendes for tiden ofte en skalldel av titan, i det minste på den del ved hvilken anodene er festet. Anodenes basismateriale utgjøres herved vanligvis av titan. Cellens skalldel på hvis ene side anodene er festet, eller endene av anodene som er anordnet gjennom skalldelen, blir deretter med boltforbindelse festet i aluminiumstrømskin-nene. Slike boltforbindelser forårsaker overgangsmotstand og således energitap og de er således ikke ønskelige.

På grunn av at man nettopp i elektrolyseceller har hatt et behov for å sammenføye aluminium og titan, er det utviklet flere metoder for dette formål. I det engelske patent 1.125.493 er det som midler nevnt valsing, sprengsammenføy-ning eller motstandssveising. På grunn av at man ved valsing behøver en stor kraft for å tilveiebringe en metallurgisk binding mellom aluminium og titan, er metoden besværlig. Metoden egner seg kun for meget tynne plater og metoden

egner seg ikke for feste av aluminiumstøttekonstruksjoner for tykke strømskinner eller beholdere. Valsingen må dessuten utføres i verksteder utstyrt med spesialanordninger og kan derfor ikke utføres på ønsket plass. Titan og aluminium kan sammenføyes ved hjelp av sprengsammenføyning. Metoden er imidlertid meget besværlig og dyr for feste av strømskinner i elektrolysecellens titanskalldel. Metoden kan dessuten kun utføres i anlegg utstyrt med spesialanordninger. Hvis titanskalldelen i elektrolysecellen er belagt med en aluminium-plate på denne måte, må aluminiumstrømskinnene videre med en atskilt sveising festes i aluminiumstrømledningene. Dessuten er det vanskeligere å fremstille rørstusser i en slik Ti-Al-skalldel, sammenlignet med det tilfellet at man anvender en skalldel av bare titan, på grunn av at skalldelen inneholder to materialer. Ettersom aluminium leder strøm og

varme godt, kan man med motstandssveising kun feste tynne aluminiumsplater på titanplater. I det ovennevnte patent er det nevnt en største tykkelse på ca. 3 mm for Al-platene som skal festes.

I det engelske patent 1.127.484 er det foruten sprengsammen-føyning også nevnt lodding og hardlodding, hvorved en jevn titanplate er festet på relativt tykke støtteplater av aluminium. Lodding og hardlodding er meget besværlige metoder ettersom oksydsjiktet på både aluminiumet og titanet først må fjernes, hvoretter stykkene må holdes oksydfrie, f.eks. i vakuum eller i beskyttelsesgass, til loddingen er utført. Dessuten behøves vanligvis flere tilsatsmidler.

I dette patent er det også nevnt støping av fra cellen ut-ragende konsoller med aluminium. Støpeoperasjonen er vanskelig å utføre, spesielt når det er tale om relativt tykke strømskinner. Hvis støping skulle anvendes for feste av strømskinner, ville oksydsjiktet, hvis smeltepunkt er meget høyere enn støpetemperaturen, utgjøre en elektrisk motstand på titanets overflate og således bevirke energitap når man leder strøm. Heller ikke av denne årsak kan støping anvendes for strømskinner. Metoden kommer heller ikke på tale for feste av støttekonstruksjoner for store beholdere, ettersom metoden i praksis ville være vanskelig å utføre og nevn-te oksydsjikt skulle kunne svekke konstruksjonens holdfasthet.

I det engelske patent 1.522.622 har man anvendt smeltesveise-metoder som er jevnstilte med støping. Herved har man med motstandssveising festet aluminiumtapper i elektrolysecellens titanskalldel. Tappene dreies ved hjelp av en hyd-raulmotor slik at tappenes berøringsflater med titanet smelter. Metoden er meget besværlig ettersom tappene må, når man anvender strømskinner, på en eller annen måte forbindes med disse. Dessuten er denne sammenføyningsmåte begrenset til kun rotasjonsstykker.

I det ovennevnte patent er endog sveising ved hjelp av kond-ensatorutladning nevnt. Dette er endog en slags motstandssveising hvorved stykkene som skal sveises presses mot hverandre, hvoretter den elektriske utladning ledes gjennom stykkene som skal sveises, hvorved aluminiumet smelter. Aluminiumets høye elektriske- og varmeledningsevne begrenser tykkelsen eller tverrflaten til stykkene som skal sammenføyes til relativt tynne stykker eller til stykker med liten tverrflate, ettersom elektrisitet og varme ledes hurtig i sideretning når det er tale om tykke stykker, idet tilstrekkelig varmeenergi for utførelse av sveisingen ikke finnes for hånden på sveisestedet.

Spesialloddingen som omtalt i den tyske patentsøknad DOS 2.735.059, krever flere prosedyrer og tilsatsemner samt spesialmiddel. Metoden er av denne årsak besværlig.

I det engelske patent 1.237.090 uttales det at titan skal kunne sveises med TIG-sveising til aluminium. Det bør konstateres at det ikke er snakk om en egentlig gassbuesveising, men en smelteprosess, ettersom man ikke har anvendt tilsatsmiddel (sveisetråd). I patentet er det konstatert at de sammenføyde deler må være tilstrekkelig tynne for å .

være smidige. Det kan konstateres at man med metoden ikke kan sammenføye tykkere stykker. Metoden kan ikke anvendes til normale sveiseforbindelser ettersom smeltens konsistens blir uregulerbar og av denne årsak er Ti- og Al-stykkenes sammenføyning ikke pålitelig. På den andre siden er det i patentet ikke angitt hvordan smeiten skulle kunne reguleres på annen måte enn ved at Al-tykkelsen må være i det minste fire ganger større enn Ti-tykkelsen. Slike krav til tykkelsen vil begrense konstruksjonene til et meget begrenset område.

Alle slike innviklede metoder beror gangske klart på at f.eks. gassbuesveising ikke har kunnet bli tilpasset ved sammen-sveising av titan og aluminium, ettersom det herved oppstår skjøre forbindelser mellom metallene.

I det finske patent 58.656 har man imidlertid kunnet tilpasse gassbuesveising for å feste aluminiumstrømledninger direkte i f.eks. titanskalldelen i en elektrolysecelle.

I det finske patent 58.164 har man kunnet utnytte gassbuesveising for å feste støttekonstruksjoner og forsterkninger av aluminium til titanbeholdere, hvorved man har oppnådd en enkel og holdbar støttekonstruksjon for beholderne og en har herved lykkes å unngå slike kompliserte konstruksjoner som er blitt anvendt tidligere.

Skjønt man tidligere har kunnet utnytte gassbuesveising, har kontrollen over metoden imidlertid ikke vært den best mulige.

Det har nå overraskende blitt oppdaget at når man ved sveising anvender visse temperaturer som lett kan kontrolleres med kommersielle anordninger, kan sveisingen utføres sikkert og produserbart slik at man oppnår en holdbar forbindelse mellom titan og aluminium, som også tåler temperaturvekslinger.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter således et sveiseprodukt som er karakterisert ved at g-fasen i nærheten av titan-, ets sammenføyningsflateside utgjøres hovedsakelig kun av en uenhetlig B-fase som er utspredd i aluminiummatrisen. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes ved sveisingen kun så meget energi at temperaturen på titanets legerings-sammenføyningsflateside er ca. 2000°C eller holder seg under 2000°C, men dog over titanets smeltepunkt. Temperaturen i sveisefugens middelsmelte er herved høyst 1500°C og fortrinnsvis i gjennomsnitt 500-800°C lavere enn den høyest tillatte temperatur for titanets smelteside. Temperaturen på aluminiumets smelteside derimot overstiger aluminiumets smeltepunkt. I et på denne måte oppnådd sveiseprodukt utgjøres 3-fasen i nærheten av grenseflaten mellom titanet og aluminiumet, hovedsakelig kun av en uenhetlig 6-fase (Al^Ti), som er spredd inn i aluminiummatrisen. Når man sveiser ifølge fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelse, holder mengden av sveissmelte seg på et lavt nivå, slik at det deri oppløses så lite titan som mulig og fortrinnsvis er det i nærheten av titanets sammenføyningsflateside innblandet høyst 15% titan i aluminiummatrisen. I denne sammenheng menes med legeringssammenføyningsflateside, rennens overflate.

Ifølge fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelse kan man anvende alle metoder for gassbuesveising, såsom TIG-, MIG-og plasmasveising, samt også slike sveisemetoder, i hvilke energi ikke tilføres ved hjelp av en sveiseelektrode eller elektroder, men direkte såsom f.eks. med lasersveising.

Når man sammensveiser titan og aluminium under anvendelse av aluminiumtilsats (sveisetråd), er det vesentlig at temperaturen på titanets legeringssammenføyningsflateside er høyst ca. 2000°C, fortrinnsvis nær titanets smeltepunkt (1672°C), f.eks. 1750°C.

Hvis det tilføres for meget energi ved sveisingen, overskrid-er temperaturen klart 2000°C, hvorved det oppstår mye sveisesmelte, og mye titan blandes inn i aluminiumen. Når en slik sveisesmelte stivner, dannes det ved titanets sammenføynings-flateside titan-aluminiumforbindelser: y, S og B-faser (ASTM Metals Handbook, Vol. 8, Metallography, Structures and-Phase Diagrams 8th Ed. 1973, s.264). Disse danner enhetlige sjikt på titanets overflate i rekkefølgen y,&, fi. Av disse er i det minste 3-fasen skjør. Ettersom aluminiumets varmeeks-pansjonskoeffisient er nesten tre ganger som stor som titanets, oppstår når sveisestedet avkjøles, store spenninger ved en mellom titansveisens og aluminiumsveisens grensesone. Under innvirkning av disse spenninger brytes det enhetlige, skjøre B-fasesjikt og sveisen brytes i 3- og yfasenes grensesone. Når temperaturen på titanets legeringssammen-føyningsflateside holdes ca. 2000°C eller derunder, opp-løses betydelig mindre titan i aluminium og når sveisen stivner, oppstår det ved titanets og sveisesmeltens grense et tynt uenhetlig 6-fasesjikt'(Al^Ti) samt i nærheten av titanet i aluminiummatrisen, spredte B-korn. En slik forbindelse er holdbar ettersom det på titangrensen ikke dannes et enhetlig skjørt g-fasesjikt. Temperaturen på aluminiumets legeringssammenføyningsflateside må være høyere enn aluminiumets smeltepunkt, dvs. over 660°C. Hvis temperaturen på titanets legeringssammenføyningsflateside overstiger 2000°C, blir temperaturen på aluminiumets legeringssammenføynings-flateside så høy at det ikke dannes en god forbindelse. I praksis blir middeltemperaturen for middelsmelten ca. 500-800°C lavere enn maksimumtemperaturen på titanets smelteside. Hvis temperaturen på titanets legeringssammenføyningssflate-side er høyst ca. 2000°C, overstiger middeltemperaturen neppe 1500°C, og forbindelsen med aluminiumssiden blir bra. Herved oppstår heller ikke ved titangrensen betydelige y~ eller 6-faser og heller ikke et enhetlig 8-fasesjikt, av hvilken grunn sveiseforbindelsen som en helthet blir holdbar. I prinsippet kan man også operere ved ennå lavere temperaturer enn ovenfor nevnt ettersom en betydelig innblanding av titan i aluminiumet ikke er nødvendig for forbindelsen. Herved foreligger imidlertid en fare for . kaldflyting som på sin side svekker sveisens holdfasthet. I praksis er nedre grensen for temperaturen i middelsmelten 1000-1100°C.

Det er ovenfor anført at sveisesmelten bør være så liten

som mulig for at titanets og aluminiumets smelting skal være så liten som mulig. Dette er selvsagt et relativt be-grep ettersom det f.eks. ved TIG-sveising dannes mer smelte enn ved lasersveising, der energistrålen ved behov kan rettes mot et lite område.

Dessuten bør det bemerkes at man som aluminiumtilsats (sveisetråd) eller som aluminiumbasisemne (stykke som skal sveises) endog kan anvende slike komposisjoner i hvilke aluminiumgehalten ikke tilsvarer gehalten for rent eller nesten rent aluminium. Herved får basisemnekomposisjonene og aluminiumtilsatsen ikke inneholde mer enn 10%, fortrinnsvis mindre enn 5% titan.

Av det ovenfor anførte fremgår at innblandingen av titan og aluminium i hverandre innen det oppgitte temperaturintervall er liten, hvorved sveisefugen blir holdbar. I praksis er det enkelt å oppnå ovennevnte temperaturintervall ved å regulere en energimengde som anvendes ved sveisingen. For eksempel ved MIG-sveising utføres dette ved å regulere spenningen, og ved TIG-sveising ved å regulere strømstyrken. Dertil kan sveiseprosessen reguleres ved hjelp av sveise-trådens matehastighet. I eksemplene 1-3 er reguleringen av sveiseprosessen beskrevet.

Når man anvender sveisemetoden ifølge oppfinnelsen, finnes det ikke noen begrensninger med hensyn til tykkelsen av titanet og aluminiumen. For eksempel buttsveising kan utføres med anvendelse av like tykke Ti- og Al-stykker. Ved utfør-else av normal hjørnesveising har de innbyrdes tykkelses-forhold mellom stykkene som skal sveises, ikke noen betyd-ning ettersom de ikke smelter helt gjennom, idet sveisefugen ved Ti-grenseflaten dannes av sveisetilsatsen (sveisetråden).

Ifølge sveisefremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan man hensiktsmessig sveise aluminiumstrømskinner i f.eks. en elektrolysecelles titanskall, hvorved selve sammenføynings-måten blir enkel. Dessuten oppnår man den fordel at det ikke dannes overgangsmotstand mellom titanet og aluminiumet slik som tilfelle er f.eks. når man anvender bolteforbindel-ser.

Sammensveisingen av titan og aluminium ifølge oppfinnelsen kan hensiktsmessig også tilpasses ved fremstilling av støtte-konstruks joner og forsterkninger for titanbeholderen, krystallisatorer og lignende anordninger. Når det er snakk om beholdere, behøves vanligvis en støttekonstruksjon som omgir hele beholderen. Dette har tidligere kunnet bli ut-ført f.eks. ved at man rundt titanbeholderen har sveiset en relativt tynn titanflens. I denne bores det hull som ligger tilstrekkelig langt og i like store avstander fra hverandre. Den egentlige stålforsterkning med tilsvarende hull, festes deretter med bolter til titanflensen som er fastsveiset i beholderens vegg. Ved å anvende Al-sveisingen ifølge foreliggende oppfinnelse kan aluminiumforsterkningsringen sveises direkte i aluminiumbeholderveggen. Derved behøves like meget sveisearbeide som når man fester titanflensen, men hele den kompliserte stålforsterkningskonstruksjonen uteblir. Når man sveiser titan, havner man ofte av praktiske grunner ved anvendelse av TIG-sveising; aluminiumringen kan også sveises med MIG-sveising, hvorved sveisetiden forkortes med ca. halvdelen, ettersom TIG-sveisingen er meget langsommere enn MIG-sveisingen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det etterfølgende ved hjelp av eksempler og med henvisning til de etterfølgende tegninger der

fig. 1 og 2 viser prøvestykker som er sveiset sammen ifølge fremgangsmåten i oppfinnelsen, sett ovenfra la, 2a eller fra siden lb, 2b og

fig. 3 viser et mikroskopfotografi av et snitt vinkelrett på sveisen ved grenseområdet av trekkstykket, sveisemidlet og titanplaten i nærheten av sveiseroten. I sveisemidlet finnes stedvis brutte 3-korn.

I fig. la,b og 2a,b er titanet betegnet med henvisningstallet 1, aluminiumet med henvisningstallet 2 og sveisefugen med henvisningstallet 3.

Eksempel 1

Ved TIG-sveisingen anvendes sveisetransformatoren L1-350K (Kemppi Oy, Finland). Til en 6 mm tykk Ti-plate ble det sveiset en aluminiumstang med anvendelse av en ca. 99%-ig Al-tråd med en diameter på 3 mm som tilsatsemne. Apparatets buespenning var 29-34 V og den nominelle strøm ble innstilt til 75 A og sveisehastigheten ca. 200 mm/min. For å regulere smeiten ble Al-sveisetråden matet etter Wolfram-elek-troden. Titanets høyeste temperatur var ca. 1900°C. Herved ble det oppnådd en bra sveiseforbindelse hvori innblandingen av titan i aluminiumet i nærheten av Ti-grenseflaten var ca. 5%.

Da den nominelle strøm ble forhøyet til ca. 80 A, steg titanets høyeste temperatur til ca. 2100°C. Herved var innblandingen av titan i aluminiumet i nærheten av Ti-grenseflaten meget stor, ca. 20%, og man oppnådde en skjør sveis.

Eksempel 2

Man utførte en serie MIG-sveiseeksperimenter. Man anvendte sveisetransformatoren RA 325 (Kemppi Oy, Finland).

Til en 5 mm titanplate ble det sveiset en Al-skinne hvis tverrflate var 20 mm x 35 mm. Som tilsatsemne ble det anvendt en ca. 99%-ig Al-tråd med en diameter på 1,2 mm. Apparatets spenning ble innstilt til forskjellige verdier. Med spenningsverdiene 31-25 V ble det oppnådd et godt sveiseresultat. Med verdier over 31 V ble det oppnådd en skjør sveis og med verdier under 25 V begynte det i sveisefugen å oppstå kaldflyting som minsket sveisefugens holdfasthet.

Sveiseforbindelsens kvalitet kan måles på forskjellig vis. En vanlig måte er å oppgi den såkalte 0,2%-grensen som angir den kraft som behøves for å tilveiebringe en utstrekning på 0,2%. Et annet vanlig anvendt holdfasthetsmål er brudd-holdfasthet.

Eksempel 3

Følgende resultater er oppnådd for ulike trekkstaver som

ble utsatt for strekkeksperiment ifølge SF-standard 3173.

Produsenten har oppgitt følgende verdier for de ved sveisingen anvendte materialer:

0,2-grensen for strekkstavene er heller ikke helt sammen-lignbare med materialenes 0,2 grense ettersom basisemnenes forskjellige holdfastheter og sveisetilsatsemnets merkbart lavere holdfasthet, forårsaker at den hovedsakelige utstrekning skjer i sveisen. Derimot gir bruddholdfastheten et bra bilde av sveisens holdfasthet.

I prøvene 1-2 var innblandingen av titan og aluminium i hverandre liten og bruddholdfasthetene var større enn for Al-tilsatsen. I prøvene 3-5 var innblandingen av titan og aluminium i hverandre liten. Prøvene ble oppbevart ca. 1 år før eksperimentene. Sveisefugene 3 var dessuten mindre enn i stavene 1-2. Prøvene 3-5 var aldringsstabilisert.

I alle disse tilfeller hadde brytningen hovedsakelig skjedd i sveisefugen og ikke f.eks. i Ti 1- og Al 2-grenseflaten.

Det bør bemerkes at Al-basisemnet 2 delvis mykner ved sveisingen ettersom det anvendte Al-materialet 2 var løsnings-glødet og kunstig eldet. Samme oppmykning skjer også i Al-prøvestavene (nr. 6-7) ved bearbeidelsen, hvilket merkes ved det at de oppnådde resultater ikke stemmer overens med de verdier som produsenten har oppgitt. Av resultatene fremgår det tydelig at sveisens 3 holdfasthet er større enn det anvendte Al-tilsatsemnets holdfasthet og det således oppnådde sveiseresultat må ansees å være bra.

Claims (6)

1. Sveiseprodukt, hvori titan er sammenføyd med aluminium med aluminiumtilsats, hvori basisemnekomposisjonene og aluminiumtilsatsen inneholder høyst 10% og fortrinnsvis 5% titan, karakterisert ved at g-fasen i nærheten av titanets sammenføyningsflateside utgjøres hovedsakelig kun av en uenhetlig g-fase som er utspredd i aluminiummatrisen .

2. Sveiseprodukt ifølge krav 1, karakterisert ved at det i sveisefugens aluminiummatrise i nærheten av titanets sammenføyningsflateside, er innblandet høyst 15% og fortrinnsvis under 8% titan i aluminiumet.

3. Fremgangsmåte for fremstilling av et sveiseprodukt ved å sammenføye aluminium med titan ved hjelp av sveising med anvendelse av beskyttelsesgass og aluminiumtilsats samt så meget sveiseenergi at titanet og aluminiumet smelter ved sammenføyningsflaten, karakterisert ved at det anvendes høyst så meget sveiseenergi at temperaturen til sveisesmelten på titanets sammenføyningsflateside er høyst ca. 2000°C.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at'det anvendes så meget sveiseenergi at temperaturen til sveisesmelten på titanets sammenføyningsflateside er minst lik titanets smeltepunkt og fortrinnsvis minst 1750°C.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det anvendes så meget sveiseenergi at temperaturen i sveisefugens middelsmelte i legerings-sonen er høyst 1500°C og fortrinnsvis i gjennomsnitt ca. 500-800°C lavere enn den høyeste tillatte temperatur for titanets sammenføyningsflateside.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at det anvendes så meget sveiseenergi at temperaturen på aluminiumets sammenføyningsflateside er høyere enn aluminiumets smeltepunkt.