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钛金属的焊接

钛是一种非磁性材料,具有密度小(4.5g/cm3)、强度高(比铁约高1 倍)、较好的高温强度和低温韧性以及良好的耐腐蚀性等特点。钛在885℃以下时,具有密集六方晶格称为α 钛。在885℃产生同素异晶转变,晶格变为体心立方晶格称为β 钛。钛长时间在高温停留,晶粒容易长大,快速冷却时,容易生成不稳定的针状α 钛组织称为“钛马氏体”,其强度较高,塑性较低。

钛在300℃以上有很强的活泼性,在高温下易吸收氢氧氮原子,使材质变脆。钛在高温300℃开始吸收氢气,600℃吸收氧气,700℃开始吸收氮气。

钛加入合金元素后可改善加工性能和力学性能,常加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo 等,按照成分和在室温时的组织不同,钛和钛合金可分为:

(1) 工业纯钛,按其纯度可分为TA1、TA2、TA3 等牌号,其中TA1 的杂质少,少量杂质将使强度增高、塑性降低,故TA1 的强度最低(σb 为300~500MPa)、塑性最好(δ 为30%)。工业纯钛有良好的焊接性。

(2) α 钛合金,钛中加入了Al、Sn 等元素,牌号为TA6、TA7,有良好的高温强度和抗氧化性。α 钛合金有良好的焊接性。

(3) β 钛合金,钛中加入了Mn、V、Mo、Cr 等元素,牌号为TB1、TB2。热处理后强度较高(TB1 的σb为700MPa),塑性也较好,而且具有良好的加工性,但耐热性稍差,体积质量大、成本高。β 钛合金的焊接性不良。

(4) α+β 钛合金,钛中加入了Al、Se、Mo、Mn、Cr 等元素,牌号为TC1、TC2。可通过热处理如化,加工性能良好,但高温强度低于α 钛合金。α+β 钛合金焊接性很差,很少用于焊接结构。

钛及钛合金的焊接性


⑴ 化学活性大 钛和钛合金不仅在熔化状态,即使在400℃以上的高温固态也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染,吸收O2、N2、H2、C 等元素,使焊接接头的塑性及冲击韧度下降,并易引起气孔。因此,施焊时对焊接熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要妥善保护。
⑵ 热物理性能特殊 钛和钛合金和其它金属比较,具有熔点高、热容量较小、热导率小的特点,因此焊接接头易产生过热组织,晶粒变得粗大,特别是β 钛合金,易引起塑性降低,所以在选择焊接参数时,既要保证不过热,又要防止淬硬现象。由于淬硬现象可通过热处理改善,而晶粒粗大却很难细化,因此为防止晶粒粗大,应选择硬参数。
⑶ 冷裂倾向较大 溶解于钛中的氢在320℃时和钛会发生共析转变,析出TiH2,引起金属塑性和冲击韧度的降低,同时发生体积膨胀而引起较大的应力,严重时会导致产生冷裂纹。
⑷ 易产生气孔 产生气孔的气体是氢。因氢在钛中的溶解度随温度升高而下降,焊接时,沿熔合线附近加热温度高,会引起氢的析出,因此气孔常在熔合线附近形成。
⑸ 变形大 钛的弹性模量约比钢小一半,所以焊接残余变形较大,并且焊后变形的矫正较为困难。钛及钛合金焊接方法的选择及常用的焊前清理方法。
由于钛及钛合金的化学活性大,易被氧、氮、氢所污染,所以不能采用手弧焊、CO2 气体保护焊等焊接方法进行焊接。目前常用的焊接方法是氩弧焊、埋弧焊和真空电子束焊等,其中尤以钨极氩弧焊用得最为普遍。
近年来等离子弧焊、电阻点焊、缝焊、钎焊和扩散焊得到应用。
钛和钛合金焊件的表面,焊前一定要进行认真的清理,因污物易在焊缝中产生气孔和非金属夹杂,使焊缝的塑性和耐腐蚀性显着下降。常用的清理方法如下:
⑴机械清理 用切削加工、喷砂、喷丸或钢丝刷清除焊接区的污物和氧化皮等。
⑵化学清理 将焊件及焊丝在酸液中进行清洗,使焊件表面去净氧化物,呈银白色金属光泽为止,酸洗液的配方见表60。酸洗后在流动的清水中洗净,焊前再用丙酮或酒精擦净焊丝及焊件焊接区域的表面。

钛及钛合金的酸洗溶液配方

钛及钛合金钨极氩弧焊的焊接工艺

局部保护 钛及钛合金焊接时,不仅要保护焊缝区和熔池区,并且对加热温度超过400℃的热影响区和焊缝背面也要进行保护,常用的局部保护方法见图12。保护效果以焊缝及热影响区表面颜色为标志见表61。

表61

保护效果以焊缝及热影响区表面颜色

接头形式 钛及钛合金的接头形式及坡口尺寸见表62。

焊丝 焊丝牌号有TA 和TC 两大系列,通常采用同质材料,为改善接头塑性,可用比母材合金化程度稍低的焊丝,例如焊接TC4 时可以用TC3 焊丝。

焊接工艺参数 钛及钛合金手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊的焊接工艺参数,分别见表63、表64。

表63 钛和钛合金手工钨极氩弧焊焊接工艺参数

钛和钛合金手工钨极氩弧焊焊接工艺参数

表64 钛和钛合金自动钨极氩弧焊焊接工艺参数

钛和钛合金自动钨极氩弧焊焊接工艺参数

钛及钛合金钨极氩弧焊介绍

1. 焊接特点
工业上用于焊接的钛及钛合金多为α型和α+β型,其焊接特点为:
(1)化学活性强,焊接过程中不仅易引发气孔、裂纹等缺陷,而且易形成脆化。钛及其合金在常温下能与氧形成致密的氧化膜,焊接高温下极易被空气、水份、油脂等污染。钛在300℃以上吸氢、600℃以上快速吸氧、700℃以上快速吸氮,不仅降低焊接接头的力学性能,而且易引发气孔、裂纹等缺陷。
1)焊接接头容易氧化。工件加热到400℃以上,钛就吸氧,500℃以上钛在空气中氧化加剧,并随着焊接接头中氧含量的增加,材料的强度、硬度提高,而塑性、韧性降低。焊接过程中防止氧化要贯穿始终。
2)焊接接头容易氮化。钛与氮的亲合力很大,工件达700℃左右,氮与钛就会形成硬脆的TiN,剧烈地降低塑性、韧性。因此,焊接全过程要严防焊缝吸氮。
3)焊接接头易出现氢脆。氢在钛中的溶解度随温度的升温而增加,随温度的降低而减少,降温过程中氢的溶解度随温度的降低而降低,并以化合物的形式析出,这种化合物呈脆性,不仅使材料的冲击韧性下降,而且易产生微裂纹。因此,焊接过程囊应严防焊缝吸氢。
4)碳的影响。碳在钛合金中属杂质,它的影响虽然小于氧、氮,但焊缝中的碳超过它在α钛中的溶解度(0.13%)时,会生成硬而脆、呈网状分布的TiC,易引发裂纹。因此,有关标准限定钛材中的C≤0.10%。
  • a、对气孔敏感  这类合金主要的焊接缺陷是气孔,有时很难避免。形成气孔的因素很多(例如,氧与碳生成CO气孔),但主要由氢引起。若焊件清理不善、氩气中含杂质及水分或焊枪及管线系统有水分、油脂等均会成为氢的来源。
  • 这类合金的气孔往往分布在焊缝熔合唱 线附近,人们常用氢在液态金属中的溶解度曲线来解释。氢在液态钛中的溶解度随温度的降低而降低,在凝固过程中有跳跃式的突降。高温熔池中氢向低温边缘扩散,聚集于熔合线附近的氢容易过饱和,为形成气孔提供条件。
  • b、易出现冷裂纹  这类合金中的C、S含量低杂质少,焊缝结晶时的低熔点共晶少,合金凝固时的收缩量小,一般不会出现热裂纹。而焊缝冷却过程中,由于氢溶解度的激剧变化,在熔合线附近高度集中的氢可能析出脆性相(TiH2)。较多脆性相的存在,且在TiH2析出过程中伴随着体积膨胀所产生的组织应力,加上焊接应力的作用易形成冷裂纹。
  • c、焊接接头的晶粒长大倾向严重  钛的熔点高(1668℃)、热容量大、导热性差、电阻率大。焊接时熔池的温度高、尺寸大;热传导差致使熔池高温停留时间长,造成焊接接头晶粒长大,脆性增加。因此,焊接宜采用较小的电流和较快的焊接速度。
  • d、焊接时易变形,且难校正  钛的纵向弹性模量为钢的50%,在同样焊接应力作用下,其变形量比钢大一倍,且变形后难以校正。
2. 预防焊接缺陷,获得优质焊接接头的措施
  • 1)加强焊前对工件及焊材的清理(特别是对接接头坡口端面处的表面),减少氧、氮氢的来源。
  • 2)采用高纯度保护氩气(Ar≥99.99%)。
  • 3)焊接时焊枪要带拖罩,且对温度超过400℃区域的焊道正、背都要严加保护,防止氧、氮、氢的侵入
  • 4)选择适当的焊接线能量,既要防止线能量大造成接头过热,也要避免热输入过小,相变时产生较多的脆性相,还要使熔池保护足够的时间,有利于氢气的逸出。
  • 5)采用适当的夹具、压板,同时选择合理的焊接顺序,以防止和减少变形。
  • 6)加工过程应注意防止铁离子污染,避免与铁离子接触。

钛焊接的操作技术

焊接前的清理:
材料用滚角机打好坡口,用钢丝刷打磨两侧25mm以内的氧化皮、油脂、毛刺、灰尘等,再用丙酮或乙醇擦试。
焊接保护:
焊接前先要学会氩气保护,保护时,一人拿护罩保护上面,另一人拿护罩保护下面,保护者必须与焊接者配合好,焊完后要等到焊缝冷却后才可以松开保护罩,单面焊接双面成型特别要注意背面的保护,如果没有保护好,焊液便无法流动,也就无成型。
焊接时,焊缝要留有足够的间隙3-5mm,便于形成弧坑,右手拿焊枪尽量压低焊枪钨极,左手拿焊丝,使用拇指和中指夹住焊丝往前送,送焊丝时要保持连续性和稳定性,两手之间要配合好,保持焊缝平整,眼睛要时刻观察到熔池的深浅和焊液的流动,电流要按规定调整,禁止电流过大。
喷嘴氩气保持在5ml,保护气保持在25ml,背面保持在20ml,保证保护罩过后焊缝不变色。两遍焊接时,要留一定的冷却时间,使表层温度降到200℃以下,否则极易产生裂纹脆化,焊接位置尽量采用平焊和管口转动焊。
焊接时屋内要干燥无尘土,风速小于2米/秒,风大易造成电弧不稳,封顶焊接时尽量采用脉冲装置,使焊缝成型美观。

钛设备的制造工艺和维修技术

加工钛管弯头法兰的材质要符合要求,其韧性、强度、伸缩性要有板材合格证书,每张钛板必须用拐尺调正,下料时算好尺寸,杜绝下脚料过大,割板时要采用剪板机,尽量避免使用气割,管道使用时要划线清楚准确,严格禁止重复使用气割,截好板后用倒角机打好坡口,破口要求均匀一致,卷板机卷板初次成型后,焊缝要往内凹一点,便于焊完后2次整形,因钛材料价格高(原料140元/Kg左右,加工后400元/Kg左右)要杜绝浪费。
钛板维护与加工有很大差别,主要有环境因素、材质的变化等,焊缝能保护则保护,实在不能双面保护的采用小电流单面保护,焊缝裂纹后不可在原焊缝焊接,要采用补板的方式进行焊接,焊接现场一般风大时要有避风装置,采用雨布或铁板遮挡等,接管时因里面无法保护要留有间隙或错位焊接,焊缝要适当加宽加厚。


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