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钛及其合金焊接缺陷的产生及防止

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钛及其合金焊接缺陷的产生及防止

发布日期:2017-07-30 作者: 点击:

  被授予“21世纪金属”的钛及钛合金,由于其具有高的比强度、优良的耐热、耐蚀性及断裂韧性等优点,在航空、航天、石化、医疗及地质等领域受到极大青睐,还越来越广泛地被应用于民用领域,如汽车、电力、休闲等行业。随着钛及其合金的普遍使用,其焊接性能越来越为使用者所重视。为此,本文着重就钛合金的焊接问题进行相关技术交流与探讨。

  

  第一、钛及其合金的基本性能

  

  1.金属钛的基本性能

  

  钛是银白色稀有金属,比重轻,强度高,耐腐蚀,对人体无害,有漂亮的金属质感。工业纯钛溶点为1668℃,有两种同素异构体。在882.5℃以下呈密集六方晶格为α钛;在882.5℃以上呈体心立方晶格为β钛。工业纯钛可分为TA1、TA2、TA3三种牌号,焊接性能良好。工业纯钛容易加工成型,但加工后会产生冷作硬化现象。

  

  2.钛合金的基本性能

  

  在工业纯钛中加入合金元素便成为钛合金,其强度、塑性、抗氧化性等性能显著提高。按室温组织可分为三类:α钛合金,如TA4、TA5;β钛合金,如TB2;α+β型合金,如TC4。

  

  α钛合金组织稳定,焊接性能优良,但加工性能差,不能进行热处理强化。主要合金元素是铝(AI),它能提高在结晶温度和扩大氢在钛中的溶解度,从而减少形成氢脆的敏感性,但过多铝则会出现Ti3AI而引起脆性。

  

  β钛合金室温和高温性能都不理想,焊接性能差,易形成冷裂纹,故在焊接结构中应用甚少。

  

  α+β型合金的基体是α相,兼有α和β钛合金的优点,有良好的热加工性能,可以进行热处理强化,但焊后接头塑性低,有形成冷裂纹倾向。

  

  第二、钛及其合金焊接主要缺陷及其成因分析

  

  1.钛及其合金焊接主要缺陷

  

  钛及其合金焊接时的主要问题是易产生气孔和裂纹这两种缺陷。

  

  气孔是钛及其合金焊接时最常见的缺陷之一,气孔不仅造成应力集中而且会使整个焊接接头塑性及疲劳,寿命降低。

  

  冷裂纹是钛及其合金焊接时另一种常见的缺陷。对接接头的冷裂纹一般处于焊缝横断面上。

  

    2.导致钛及其合金焊接主要缺陷的成因

  

  在常温下,钛及钛合金是比较稳定的。但试验表明,在焊接过程中,液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用,而且在固态下,这些气体已与其发生作用。随着温度的升高,钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升,大约在250℃左右开始吸收氢,从400℃开始吸收氧,从600℃开始吸收氮,这些气体被吸收后,将会直接引起焊接接头脆化,这是导致钛及钛合金焊接缺陷的重要因素。由于钛及钛合金的上述焊接性能,以致在其焊接实际中容易产生气孔和裂纹这两种缺陷。一般认为氢气是引起气孔的主要原因。焊缝金属在冷却过程中,氢的溶解度会发生变化,如焊接区周围气氛中氢的分压较高时,焊缝金属中的氢不易扩散逸出而集聚在一起形成气孔。当钛焊缝中的碳大于0.1%、氧大于0.133%时,由氧与碳反应生成的CO气体也可产生气孔。施工实践中发现,随着焊接电流增大或焊速增大,气孔有增加倾向。由于钛的化学活性强,在400℃以上高温下极易由表面吸收氧、氮、氢、碳等,由于溶解度的变化引起β相过饱和析出并由焊接过程中体积膨胀引起较大的内应力作用而导致冷裂纹。另外,钛的纵向弹性模量比不锈钢的小,在同样的焊接应力作用下,钛及其合金的变形量比不锈钢的大,且校形困难。

  

  第三、钛及钛合金焊接缺陷的防范措施

  

  笔者根据多年来的钛及其合金实际焊接经验,认为预防钛及其合金焊接时产生气孔和裂纹可采用以下措施:

  

  1.做好焊前准备。焊件和焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响,因此必须严格清理。铁板及钛焊丝可采用机械清理及化学清理两种方法。

  

  (1)机械清理:对焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件,可用打磨机、细砂纸、硬质合金刮刀或不锈钢丝刷擦拭,但最好是用硬质合金刮刀刮削钛板,去除氧化膜。

  

  (2)化学清理:焊前可先对试件及焊丝进行酸洗,酸洗液可用HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗后用净水冲洗,烘干后立即施焊。或者用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭钛板坡口及其两侧(各50mm内)、焊丝表面、工夹具与钛板接触的部分。清洗待焊件表面并在2小时内焊接。

  

  正确选择焊接设备。根据焊接技术要求与技术规范,具体选择好相应的焊接设备。例如,进行钛及钛合金金钨板氩弧焊,则应选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源,且延迟递气时间不少于15秒,避免焊遭受到氧化、污染。

  

  2.正确选择焊接材料。氩气纯度应不低于99.99%,露点在-40℃以下,杂质总的质量分数<0.001%。重要构件背面应冲氩气保护,当氩气瓶中的压力降至0.981MPa时,应停止使用,以防止影响焊接接头质量。原则上应选择与基本金属成分相同的钛丝,焊丝以真空退火状态供应。有时为了提高焊缝金属塑性,也可选用强度比基本金属稍低的焊丝。

  

  3.把握好焊接坡口。原则上应尽量减少焊接层数和焊接金属。随着焊接层数的增多,焊缝累计吸气置增加,以至影响焊接接头性能,又由于钛及钛合金焊接时焊接熔池尺寸较大,因此试件开单V型70°~80°坡口,且不作摆动。焊丝末端不得移出气体保护范围,喷嘴直径可适当加大以扩大保护区域。

  

  4.注意观察焊缝金属表面。焊缝区金属颜色与氩气保护效果

  

  5.注意选择保护气体流量。气体流量的选择以达到良好的保护效果为准,过大的流量不易形成稳定的层流,并增大焊缝的冷却速度,使焊缝表面层出现较多的α相,以至引起微裂纹。拖罩中的氩气流量不足时,焊缝呈现出不同的氧化色泽;而流量过大时,将对主喷嘴的气流产生干扰作用。焊缝背面的氩气流量也不能太大,否则会影响到正面第一层焊缝的气体保护效果。总之,要控制好气体的流量及流速,防止产生紊流现象,影响保护效果。

  

  6.正确选择焊接工艺参数。增加深池停留时间使用时防止气泡逸出,可有效地减少气孔。同时,采用小电流、高焊速的焊接规范,焊接层数越少越好。

  

  第四、质量检验

  

  1.外观检查符合GB/T13149-91。

  

  2.射线深伤符合JB4730-94。

  

  3.力学性能试验符合GB/T13149-91。


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