鈦具有良好的抗腐蝕性能,因此鈦設備在化工生產(chǎn)中被廣泛應用。但鈦的焊接具有一定的難度,特別是生產(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)工業(yè)純鈦有 TA1、TA2、TA3 三種,其區(qū)別在于含氫氧氮雜質(zhì)的含量不 同,這些雜質(zhì)使工業(yè)純鈦強化 ,但是塑性顯著降低 。工業(yè)純鈦盡管強度不高,但塑性及韌性優(yōu)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(yè)、石油工業(yè)中。
2、鈦及鈦合金的焊接性
2.1 氣體及雜質(zhì)污染對焊接性能的影響
在常溫下 ,鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。但在焊接過程中,液態(tài)熔滴和熔 池金屬具有強烈 吸收氫 、氧、氮的作用,而且在固態(tài)下,這些氣體已與其發(fā)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(zhì)量的極為重要的因素。
(1)氫的影響
氫是氣體雜質(zhì)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(qū)發(fā)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(fā)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(yè)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(zhì),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(xiàn)網(wǎng)狀TiC ,其數(shù)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(xiàn)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(chǎn)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(zhì)含量很少,由S、P 形成的低熔點共晶不易出現(xiàn)在晶界上 ,加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄小 ,鈦及鈦合金凝固時收縮量小,焊縫金屬不會產(chǎn)生熱裂紋。鈦及鈦合金焊接時,熱影響區(qū)可出現(xiàn)冷裂紋,其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時甚至更長時間稱作延遲裂紋。經(jīng)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(qū)擴散 ,氫含量的提高使該區(qū)析出TiH2量增加,增大熱影響區(qū)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(qū)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(chǎn)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(jīng)常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結(jié)果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度 。防止產(chǎn)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(chǎn)生紊流現(xiàn)象,影響保護效果;
(4)正確選擇焊接工藝參數(shù),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(chǎn) 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(qū)小 ,焊接質(zhì)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(zhì)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(qū)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(qū)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(guī)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(jīng)銅管孔均勻的進入保護區(qū),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(shù)的選擇
3.1 焊前準備
焊件和焊絲表面質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(cè)(各50mm內(nèi))、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(qū)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(zhì)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(shù)和焊接金屬。隨著焊接層數(shù)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(shù)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(guī)范。焊接電流為95A、115A、120A,按此參數(shù)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(shù)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(wěn)定的層流,并增大焊縫的冷卻速度,使焊縫表面層出現(xiàn)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(xiàn)出不同的氧化色澤 ;而流量過大時,將對主噴嘴的氣流產(chǎn)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(wěn)、均勻的送人熔池,不得將焊絲端部移出氬氣保護區(qū)。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(xù)通氬氣保護,直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到350 °以下時方可移開焊槍。
4、結(jié)論
(1)鈦及鈦合金焊接的氣體保護問題是影響焊接接頭質(zhì)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(chǎn)生 ,同時應注意防止氣孔 的產(chǎn)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(qū)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(zhì)量的焊接接頭。
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