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常用金屬材料的焊接(鈦及鈦合金)

[ 來源: | 作者:本站 | 發(fā)布時間:2018-02-28 | 瀏覽:467次 ]

鈦是一種非磁性材料,具有密度?。?/span>4.5g/cm3)、強度高(比鐵約高1倍)、較好的高溫強度和低溫韌性以及良好的耐腐蝕性等特點。鈦在885℃以下時,具有密集六方晶格稱為α鈦。在885℃產生同素異晶轉變,晶格變?yōu)轶w心立方晶格稱為β鈦。鈦長時間在高溫停留,晶粒容易長大,快速冷卻時,容易生成不穩(wěn)定的針狀α鈦組織稱為“鈦馬氏體”,其強度較高,塑性較低。

鈦加入合金元素后可改善加工性能和力學性能,常加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo等,按照成分和在室溫時的組織不同,鈦和鈦合金可分為:
⑴工業(yè)純鈦 按其純度可分為TA1、TA2、TA3等牌號,其中TA1的雜質最少,少量雜質將使強度增高、塑性降低,故TA1的強度最低(σb為300~500MPa)、塑性最好(δ為30%)。
工業(yè)純鈦有良好的焊接性。
⑵α鈦合金 鈦中加入了Al、Sn等元素,牌號為TA6、TA7,有良好的高溫強度和抗氧化性。
α鈦合金有良好的焊接性。
⑶β鈦合金 鈦中加入了Mn、V、Mo、Cr等元素,牌號為TB1、TB2。熱處理后強度較高(TB1的σb為700MPa),塑性也較好,而且具有良好的加工性,但耐熱性稍差,體積質量大、成本高。β鈦合金的焊接性不良。
⑷α+β鈦合金 鈦中加入了Al、Se、Mo、Mn、Cr等元素,牌號為TC1、TC2??赏ㄟ^熱處理如化,加工性能良好,但高溫強度低于α鈦合金。
α+β鈦合金焊接性很差,很少用于焊接結構。
鈦及鈦合金的焊接性。
⑴化學活性大 鈦和鈦合金不僅在熔化狀態(tài),即使在400℃以上的高溫固態(tài)也極易被空氣、水分、油脂、氧化皮等污染,吸收O2、N2、H2、C等元素,使焊接接頭的塑性及沖擊韌度下降,并易引起氣孔。因此,施焊時對焊接熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區(qū)都要妥善保護。
⑵熱物理性能特殊 鈦和鈦合金和其它金屬比較,具有熔點高、熱容量較小、熱導率小的特點,因此焊接接頭易產生過熱組織,晶粒變得粗大,特別是β鈦合金,易引起塑性降低,所以在選擇焊接參數(shù)時,既要保證不過熱,又要防止淬硬現(xiàn)象。由于淬硬現(xiàn)象可通過熱處理改善,而晶粒粗大卻很難細化,因此為防止晶粒粗大,應選擇硬參數(shù)。
⑶冷裂傾向較大 溶解于鈦中的氫在320℃時和鈦會發(fā)生共析轉變,析出TiH2,引起金屬塑性和沖擊韌度的降低,同時發(fā)生體積膨脹而引起較大的應力,嚴重時會導致產生冷裂紋。
⑷易產生氣孔 產生氣孔的氣體是氫。因氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而下降,焊接時,沿熔合線附近加熱溫度高,會引起氫的析出,因此氣孔常在熔合線附近形成。
⑸變形大 鈦的彈性模量約比鋼小一半,所以焊接殘余變形較大,并且焊后變形的矯正較為困難。

鈦及鈦合金焊接方法的選擇及常用的焊前清理方法。
由于鈦及鈦合金的化學活性大,易被氧、氮、氫所污染,所以不能采用手弧焊、CO2氣體保護焊等焊接方法進行焊接。目前常用的焊接方法是氬弧焊、埋弧焊和真空電子束焊等,其中尤以鎢極氬弧焊用得最為普遍。
近年來等離子弧焊、電阻點焊、縫焊、釬焊和擴散焊得到應用。
鈦和鈦合金焊件的表面,焊前一定要進行認真的清理,因污物易在焊縫中產生氣孔和非金屬夾雜,使焊縫的塑性和耐腐蝕性顯著下降。常用的清理方法如下:
⑴機械清理 用切削加工、噴砂、噴丸或鋼絲刷清除焊接區(qū)的污物和氧化皮等。
⑵化學清理 將焊件及焊絲在酸液中進行清洗,使焊件表面去凈氧化物,呈銀白色金屬光澤為止,酸洗液的配方見表60。酸洗后在流動的清水中洗凈,焊前再用丙酮或酒精擦凈焊絲及焊件焊接區(qū)域的表面。

表60 鈦及鈦合金的酸洗溶液配方


鈦及鈦合金鎢極氬弧焊的焊接工藝。
⑴局部保護 鈦及鈦合金焊接時,不僅要保護焊縫區(qū)和熔池區(qū),并且對加熱溫度超過

400℃的熱影響區(qū)和焊縫背面也要進行保護,常用的局部保護方法見圖12。保護效果以焊縫

及熱影響區(qū)表面顏色為標志見表61。


表61 焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色



⑵接頭形式 鈦及鈦合金的接頭形式及坡口尺寸見表62


⑶焊絲 焊絲牌號有TA和TC兩大系列,通常采用同質材料,為改善接頭塑性,可用比母材合金化程度稍低的焊絲,例如焊接TC4時可以用TC3焊絲。

⑷焊接工藝參數(shù) 鈦及鈦合金手工鎢極氬弧焊和自動鎢極氬弧焊的焊接工藝參數(shù),分別見表63、表64。


表63 鈦和鈦合金手工鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

表64 鈦和鈦合金自動鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

鈦及鈦合金熔化極氬弧焊的焊接工藝。

熔化極氬弧焊有較大的熱功率,適用于3~20mm中厚板的焊接。這種方法具有焊接速度

高、成本低、氣孔傾向也比鎢極氬弧焊少的優(yōu)點。但主要缺點是飛濺較大,影響焊縫成形和

區(qū)域保護。短路過渡適于較薄件焊接,噴射過渡適于較厚件焊接。由于熔化極焊接時填絲較

多,故焊件的坡口角度較大,厚15~25mm一般選用90°、Y形坡口。焊接工藝參數(shù),見表65。

表65 鈦和鈦合金自動熔化極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

鈦及鈦合金埋弧焊的焊接工藝。
埋弧焊已成功地用于焊接中厚板的鈦及鈦合金焊件。由于鈦及鈦合金具有活潑的化學性

能,所用焊劑除應具備一般焊劑所共同的性質外,還需具有特別良好的隔絕空氣的保護作用,

確保焊縫金屬不發(fā)生氧化反應、不受氫的有害影響。因此,現(xiàn)有各種焊劑都不能使用。目前

生產中使用成功的一種特殊焊劑成分(質量分數(shù))為:
CaF279.5%;BaCl219%;NaF1.5%。這是一種無氧焊劑,要用化學純原料配制。其中CaF2

為基本造渣劑,BaCl2用于穩(wěn)弧,NaF含量不多,作用是細化晶粒。焊接電源采用交、直流均

可,但用直流反接時焊縫原成形較好,生產率也較高。焊接接頭反面的保護,可用于母材上

切取的鈦墊板,也可用緊貼背面的焊劑墊。工業(yè)純鈦埋弧焊的焊接工藝參數(shù),見表66。

表66 工業(yè)純鈦埋弧焊焊接工藝參數(shù)


焊后除渣工作必須在焊縫金屬冷至300℃以下時進行。
埋弧焊的主要缺點是成本較高,靈活性較差,工藝設備也較復雜。

鈦及鈦合金等離子弧焊的焊接工藝。
鈦及鈦合金等離子弧焊具有能量集中、單面焊雙面成形、弧長變化對熔深程度影響小、

無鎢無雜、氣孔少和接頭性能好等優(yōu)點,可用“小孔型”和“熔透型”兩種方法進行焊接。

“小孔型”一次焊透的適合厚度為2.5~15mm,“熔透型”適用于各種厚度,但一次焊透的

厚度較小,厚度3mm以上需開坡口,填絲多層焊。為加強保護,可以使用氬弧焊拖罩,只是

隨厚度增加和焊速提高,拖罩長度要適當加長。由于高溫等離子焰流過小孔,為保證小孔的

穩(wěn)定,焊件背面不得使用墊板。15mm以上鈦材焊接時可以開Y形或∪形坡口,鈍邊取6~8mm,

“小孔型”等離子弧焊封底,然后用埋弧焊、鎢極氬弧焊或“熔透型”等離子弧焊填滿坡

口。由于氬弧焊封底時,鈍邊僅1mm左右,故用等離子弧焊封底可大大減少焊接層數(shù)、填絲

量和角變形,并能提高生產率和降低焊接成本。
等離子弧焊的焊接工藝參數(shù)見表67。

表67 等離子弧焊的焊接工藝參數(shù)