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    鈦及鈦合金的焊接

    [ 信息發布:管理員 | 發布時間:2022-06-22 | 瀏覽:1478次 ]

    鈦具有良好的抗腐蝕性能,因此鈦設備在化工生產中被廣泛應用。但鈦的焊接具有一定的難度,特別是生產現場,沒有嚴格按焊接工藝施焊就會造成裂紋和氣孔。

    1、鈦及鈦的分類和特點

    國產工業純鈦有 TA1、TA2、TA3 三種,其區別在于含氫氧氮雜質的含量不 同,這些雜質使工業純鈦強化 ,但是塑性顯著降低 。工業純鈦盡管強度不高,但塑性及韌性優良,尤其是具有良好的低溫沖擊韌性;同時具有良好的抗腐蝕性能。所以,這種材料多用于化學工業、石油工業中。

    2、鈦及鈦合金的焊接性

    2.1 氣體及雜質污染對焊接性能的影響

    在常溫下 ,鈦及鈦合金是比較穩定的。但在焊接過程中,液態熔滴和熔 池金屬具有強烈 吸收氫 、氧、氮的作用,而且在固態下,這些氣體已與其發生作用。隨著溫度的升高,鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升 ,大約在 250℃ 左右開始吸收氫,從 400 ℃開始吸收氧,從 600 ℃ 開始吸收氮,這些氣體被吸收后 ,將會直接引起焊接接頭脆化 ,是影響焊接質量的極為重要的因素。

    (1)氫的影響

    氫是氣體雜質中對鈦的機械性能影響最嚴重的因素。焊縫含氫量變化對焊縫沖擊性能影響最為顯著 ,其主要原因是隨焊縫含氫量增加 ,焊縫中析出的片狀或針狀Tih2增多。

    (2)氧的影響

    氧在鈦的 α相和β中都有較高的熔解度。為了保證焊接性能 ,除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊縫熱影響區發生氧化外 ,同時還應 限制基本金屬及焊絲中的含氧量。

    (3)氮的影響

    在 700℃以上的高溫下 ,氮和鈦發生劇烈作用 ,形成脆硬 的氮化鈦 (TiN )而且氮化鈦形成間隙固溶體時所引起 的晶格歪挪程度 ,比適量的氧引起的后果更為嚴重,因此,氮對提高工業純鈦焊縫的抗拉強度 、硬度 ,降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著 。

    (4)碳的影響

    碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質,實驗表明,當碳含量為 0.13%時,碳因深在α鈦中,焊縫強度極限有些提高,塑性有些下降,但不及氧氮的作用強烈。但是當進一步提高焊縫含碳量時,焊縫卻出現網狀TiC ,其數量隨碳含量增高而增多,使焊縫塑性急劇下降,在焊接應力作用下易出現裂紋。因此,鈦及鈦合金母材的含碳量不大 于0.1% ,焊縫含碳量不超過母材含碳量 。

    2.2 焊接接頭裂紋問題

    鈦及鈦合金焊接時,焊接接頭產生熱裂紋的可能性很小 ,這是因為鈦及鈦合金 中 S、P 、C等雜質含量很少,由S、P 形成的低熔點共晶不易出現在晶界上 ,加之有效結晶溫度區間窄小 ,鈦及鈦合金凝固時收縮量小,焊縫金屬不會產生熱裂紋。鈦及鈦合金焊接時,熱影響區可出現冷裂紋,其特征是裂紋產生在焊后數小時甚至更長時間稱作延遲裂紋。經研究表明這種裂紋與焊接過程中氫氮的擴散有關。焊接過程中氫 由高溫深池 向較低 溫的熱影響區擴散 ,氫含量的提高使該區析出TiH2量增加,增大熱影響區脆性,另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力,再加上氫原子向該區的高應力部位擴散及聚集 ,以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產生的辦法,主要是減少焊接接頭氫的來源,焊完后需進行真空退火處理 。

    2.3 焊縫中的氣孔問題

    鈦及鈦合金焊接時,氣孔是經常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度 。防止產生氣孔的工藝措施主要有:

    (1)保護氬氣要純,純度應不低于 99.99% ;

    (2 )徹底清除焊件表面 、焊絲表面上的氧化皮油污等有機物 ;

    (3)對熔 池施 以 良好 的氣體保護,控制好氬氣的流量及流速,防止產生紊流現象,影響保護效果;

    (4)正確選擇焊接工藝參數,增加溶池停留時間 ,可有效地減少氣孔 。

    3、鈦板手工鎢極氬弧焊焊接

    鈦及鈦合金焊接生產 中應用最多是鎢板氬弧焊。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護與冷卻作用下,電弧 熱量 較為集 中,電流密度高,熱 影響區小 ,焊接質量較高。鈦及鈦合金焊接時,當溫度高于 500 ℃ 一700℃ 時,很 容 易 吸 收 空 氣 中 的氧、氫和氮,嚴重影響焊接質量。因此,鈦及鈦合金焊接時,對熔池全面及 高溫 部分 (400 ℃ ~650℃以上)的焊縫區必須嚴加保護,為此 ,鈦及鈦合金焊接時必須采取特殊的保護措施,一般采用充氬保護拖 罩 。焊 縫 和近 焊縫 區顏 色 是保 護 效果的標志。銀白色表示保護效果最好 ,黃色為輕微氧化。表面顏色應符合表 1 規定。


    鈦及鈦合金氬弧焊時,還應注意焊道 的背面保護 ,考慮到焊接變形 ,采用開槽 固定銅墊板的方法進行充氬保護,為了使焊道背面充分保護,又在槽中加多孔銅管,使氬氣經銅管孔均勻的進入保護區,保護效果良好,焊道背面呈銀白色。

    手工鎢板氬弧焊焊接工藝及參數的選擇

    3.1 焊前準備

    焊件和焊絲表面質量對焊接接頭的力學性能有很大影響必須嚴格清理 。鈦板及鈦焊絲可采用機械清理及化學清理兩種方法。①機械清理對焊按質量要求不高或酸洗有困難的焊件,可用細砂紙或不銹鋼絲刷擦拭,但最好是用硬質合金刮削鈦板 ,去除氧化膜。②化學清理 焊前可先對試件及焊絲進行酸洗 ,酸洗液可用 H F5% + HNO 5%的水熔液。酸洗后用凈水沖洗,烘干后立即施焊?;蛘哂帽?、乙醇 、四氯化碳 、甲醇等擦拭鈦板坡口及其麗側(各50mm內)、焊絲表面、工夾具與鈦板接觸的部分 。

    3.2 焊接設備的選擇

    鈦及鈦合金金鎢板氬弧焊應選用具有下降外特性 、高頻 引弧 的直流氬弧焊電源,且延遲送氣時間不少于 15 S,避免焊接區域遭受到氧化 、污染。

    3.3 焊接材料的選擇

    氬氣純度應不低于99.99% ,當氬氣瓶中的壓力 降至 0.981 M Pa 時,應停止使用 ,以防止影響焊接接頭質量。原則上應選擇與基本金屬成分相 同的鈦絲,有時為了提 高焊縫金屬塑性 ,也可選用強度 比基本金屬稍低的焊絲 。

    3.4 坡口形式的選擇

    原則上盡量減少焊接層數和焊接金屬。隨著焊接層數的增多,焊縫累計吸氣值增加,以至影響焊接接頭性能,又由于鈦及鈦合金焊接時焊接熔池尺寸較大,因此試件開單 V 型70°~80°坡 口。

    3.5 焊接參數選擇

    通過對不 同工藝下的焊接接頭性能的對比,摸索出較合適的焊接工藝規范。焊接電流為95A、115A、120A,按此參數施焊,焊縫表面呈銀白、淺黃色,x 射線探傷無缺陷,機械性能彎曲試驗合格、拉伸強度也符合要求,焊接接頭性能達到技術要求,此工藝比較合適。氣體流量的選擇以達到良好的保護效果為準,過大的流量不易形成穩定的層流,并增大焊縫的冷卻速度,使焊縫表面層出現較多的 O/相 ,以至引起微裂紋。拖罩中的氬氣流量不足時,焊縫呈現出不同的氧化色澤 ;而流量過大時,將對主噴嘴的氣流產生干擾作用。焊縫背面的氬氣流量也不能太大,否則會影響到正面第一層焊縫的氣體保護效果。

    3.6 鈦及鈦合金手工鎢極氬弧焊操作要領

    ①手工氬弧焊時,焊絲與焊件 間應盡量保持最小 的夾角(10°~15°)。焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送人熔池,不得將焊絲端部移出氬氣保護區。②焊接時,焊槍基本不作橫向擺動,當需要擺動時,頻率要低,擺動幅度也不宜太大,以防止影響氬氣的保護。③斷弧及焊縫收尾時,要繼續通氬氣保護,直到焊縫及熱影響區金屬冷卻到350 °以下時方可移開焊槍。

    4、結論

    (1)鈦及鈦合金焊接的氣體保護問題是影響焊接接頭質量的首要因素;

    (2)鈦及鈦合金焊接時應盡量采用小的熱輸入;

    (3)手工鎢極氬 弧焊 時,應嚴格控制氫 的來源 , 防止冷裂紋的產生 ,同時應注意防止氣孔 的產生;

    (4)焊接場所保持清潔、干燥、無灰塵飛揚;

    (5)焊件表面清理后不宜久放 ,應立即組裝進行焊接,以避免重新受污染;

    (6)因板厚需要多道施焊時,每道 焊接前均需檢查上道焊是否受污染或表面是否有污物 。若是受污染或污物 ,必須處理干凈才能焊下一道 ;

    (7)在焊接過程中,每焊完一道,都進行焊層表面顏色檢查 ,焊縫及熱影響區的表面顏色應呈銀 白 色或金黃色 ;

    (8)只要嚴格按照焊接工藝要求施焊 ,并采取有效的氣體保護措施 ,即可獲得高質量的焊接接頭。


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