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鈦及其合金焊接缺陷的產生及防止

[ 信息發布:本站 | 發布時間:2008-12-18 | 瀏覽:445 ]

一、導言
  被授予“21世紀金屬”的鈦及鈦合金,由于其具有高的比強度、優良的耐熱、耐蝕性及斷裂韌性等優點,在航空、航天、石化、醫療及地質等領域受到極大青睞,還越來越廣泛地被應用于民用領域,如汽車、電力、休閑等行業。隨著鈦及其合金的普遍使用,其焊接性能越來越為使用者所重視。為此,本文著重就鈦合金的焊接問題進行相關技術交流與探討。
  二、鈦及其合金的基本性能
  1.金屬鈦的基本性能
  鈦是銀白色稀有金屬,比重輕,強度高,耐腐蝕,對人體無害,有漂亮的金屬質感。工業純鈦溶點為1668℃,有兩種同素異構體。在882.5℃以下呈密集六方晶格為α鈦;在882.5℃以上呈體心立方晶格為β鈦。工業純鈦可分為TA1、TA2、TA3三種牌號,焊接性能良好。工業純鈦容易加工成型,但加工后會產生冷作硬化現象。
  2.鈦合金的基本性能
  在工業純鈦中加入合金元素便成為鈦合金,其強度、塑性、抗氧化性等性能顯著提高。按室溫組織可分為三類:α鈦合金,如TA4、TA5;β鈦合金,如TB2;α+β型合金,如TC4。
α鈦合金組織穩定,焊接性能優良,但加工性能差,不能進行熱處理強化。主要合金元素是鋁(AI),它能提高在結晶溫度和擴大氫在鈦中的溶解度,從而減少形成氫脆的敏感性,但過多鋁則會出現Ti3AI而引起脆性。
β鈦合金室溫和高溫性能都不理想,焊接性能差,易形成冷裂紋,故在焊接結構中應用甚少。
α+β型合金的基體是α相,兼有α和β鈦合金的優點,有良好的熱加工性能,可以進行熱處理強化,但焊后接頭塑性低,有形成冷裂紋傾向。
  三、鈦及其合金焊接主要缺陷及其成因分析
1.鈦及其合金焊接主要缺陷
  鈦及其合金焊接時的主要問題是易產生氣孔和裂紋這兩種缺陷。
  氣孔是鈦及其合金焊接時最常見的缺陷之一,氣孔不僅造成應力集中而且會使整個焊接接頭塑性及疲勞,壽命降低。
  冷裂紋是鈦及其合金焊接時另一種常見的缺陷。對接接頭的冷裂紋一般處于焊縫橫斷面上。
  2.導致鈦及其合金焊接主要缺陷的成因
  在常溫下,鈦及鈦合金是比較穩定的。但試驗表明,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,這是導致鈦及鈦合金焊接缺陷的重要因素。由于鈦及鈦合金的上述焊接性能,以致在其焊接實際中容易產生氣孔和裂紋這兩種缺陷。一般認為氫氣是引起氣孔的主要原因。焊縫金屬在冷卻過程中,氫的溶解度會發生變化,如焊接區周圍氣氛中氫的分壓較高時,焊縫金屬中的氫不易擴散逸出而集聚在一起形成氣孔。當鈦焊縫中的碳大于0.1%、氧大于0.133%時,由氧與碳反應生成的CO氣體也可產生氣孔。施工實踐中發現,隨著焊接電流增大或焊速增大,氣孔有增加傾向。由于鈦的化學活性強,在400℃以上高溫下極易由表面吸收氧、氮、氫、碳等,由于溶解度的變化引起β相過飽和析出并由焊接過程中體積膨脹引起較大的內應力作用而導致冷裂紋。另外,鈦的縱向彈性模量比不銹鋼的小,在同樣的焊接應力作用下,鈦及其合金的變形量比不銹鋼的大,且校形困難。
四、鈦及鈦合金焊接缺陷的防范措施
筆者根據多年來的鈦及其合金實際焊接經驗,認為預防鈦及其合金焊接時產生氣孔和裂紋可采用以下措施:
1.做好焊前準備。焊件和焊絲表面質量對焊接接頭的力學性能有很大影響,因此必須嚴格清理。鐵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:對焊接質量要求不高或酸洗有困難的焊件,可用打磨機、細砂紙、硬質合金刮刀或不銹鋼絲刷擦拭,但最好是用硬質合金刮刀刮削鈦板,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HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗后用凈水沖洗,烘干后立即施焊。或者用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭鈦板坡口及其兩側(各50mm內)、焊絲表面、工夾具與鈦板接觸的部分。清洗待焊件表面并在2小時內焊接。
正確選擇焊接設備。根據焊接技術要求與技術規范,具體選擇好相應的焊接設備。例如,進行鈦及鈦合金金鎢板氬弧焊,則應選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源,且延遲遞氣時間不少于15秒,避免焊遭受到氧化、污染。
  2.正確選擇焊接材料。氬氣純度應不低于99.99%,露點在-40℃以下,雜質總的質量分數<0.001%。重要構件背面應沖氬氣保護,當氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa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,焊絲以真空退火狀態供應。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.把握好焊接坡口。原則上應盡量減少焊接層數和焊接金屬。隨著焊接層數的增多,焊縫累計吸氣置增加,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,且不作擺動。焊絲末端不得移出氣體保護范圍,噴嘴直徑可適當加大以擴大保護區域。
4.注意觀察焊縫金屬表面。焊縫區金屬顏色與氬氣保護效果


5.注意選擇保護氣體流量。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α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。總之,要控制好氣體的流量及流速,防止產生紊流現象,影響保護效果。
6.正確選擇焊接工藝參數。增加深池停留時間使用時防止氣泡逸出,可有效地減少氣孔。同時,采用小電流、高焊速的焊接規范,焊接層數越少越好。
五、質量檢驗
1.外觀檢查符合GB/T13149-91。
2.射線深傷符合JB4730-94。
3.力學性能試驗符合GB/T13149-91。


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