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涨知识:钛及钛合金的焊接

浏览:3 发表时间:2019-01-22 17:51:56

钛及钛合金的分类及特性

钛是一种非磁性材料,具有密度小(4.5g/cm3)、强度高(比铁约高1 倍)、较好的高温强度和低温韧性以及良好的耐腐蚀性等特点。钛在885℃以下时,具有密集六方晶格称为α 钛。在885℃产生同素异晶转变,晶格变为体心立方晶格称为β 钛。钛长时间在高温停留,晶粒容易长大,快速冷却时,容易生成不稳定的针状α 钛组织称为“钛马氏体”,其强度较高,塑性较低。

钛加入合金元素后可改善加工性能和力学性能,常加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo 等,按照成分和在室温时的组织不同,钛和钛合金可分为:

工业纯钛 按其纯度可分为TA1、TA2、TA3 等牌号,其中TA1 的杂质少,少量杂质将使强度增高、塑性降低,故TA1 的强度最低(σb 为300~500MPa)、塑性最好(δ 为30%)。工业纯钛有良好的焊接性。

α 钛合金 钛中加入了Al、Sn 等元素,牌号为TA6、TA7,有良好的高温强度和抗氧化性。α 钛合金有良好的焊接性。

β 钛合金 钛中加入了Mn、V、Mo、Cr 等元素,牌号为TB1、TB2。热处理后强度较高(TB1 的σb为700MPa),塑性也较好,而且具有良好的加工性,但耐热性稍差,体积质量大、成本高。β 钛合金的焊接性不良。

α+β 钛合金 钛中加入了Al、Se、Mo、Mn、Cr 等元素,牌号为TC1、TC2。可通过热处理如化,加工性能良好,但高温强度低于α 钛合金。α+β 钛合金焊接性很差,很少用于焊接结构。

钛及钛合金的焊接性

化学活性大 钛和钛合金不仅在熔化状态,即使在400℃以上的高温固态也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染,吸收O2、N2、H2、C 等元素,使焊接接头的塑性及冲击韧度下降,并易引起气孔。因此,施焊时对焊接熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要妥善保护。

热物理性能特殊 钛和钛合金和其它金属比较,具有熔点高、热容量较小、热导率小的特点,因此焊接接头易产生过热组织,晶粒变得粗大,特别是β 钛合金,易引起塑性降低,所以在选择焊接参数时,既要保证不过热,又要防止淬硬现象。由于淬硬现象可通过热处理改善,而晶粒粗大却很难细化,因此为防止晶粒粗大,应选择硬参数。

冷裂倾向较大 溶解于钛中的氢在320℃时和钛会发生共析转变,析出TiH2,引起金属塑性和冲击韧度的降低,同时发生体积膨胀而引起较大的应力,严重时会导致产生冷裂纹。

易产生气孔 产生气孔的气体是氢。因氢在钛中的溶解度随温度升高而下降,焊接时,沿熔合线附近加热温度高,会引起氢的析出,因此气孔常在熔合线附近形成。

变形大 钛的弹性模量约比钢小一半,所以焊接残余变形较大,并且焊后变形的矫正较为困难。钛及钛合金焊接方法的选择及常用的焊前清理方法。

由于钛及钛合金的化学活性大,易被氧、氮、氢所污染,所以不能采用手弧焊、CO2 气体保护焊等焊接方法进行焊接。目前常用的焊接方法是氩弧焊、埋弧焊和真空电子束焊等,其中尤以钨极氩弧焊用得最为普遍。

近年来等离子弧焊、电阻点焊、缝焊、钎焊和扩散焊得到应用。

钛和钛合金焊件的表面,焊前一定要进行认真的清理,因污物易在焊缝中产生气孔和非金属夹杂,使焊缝的塑性和耐腐蚀性显着下降。常用的清理方法如下:

机械清理 用切削加工、喷砂、喷丸或钢丝刷清除焊接区的污物和氧化皮等。

化学清理 将焊件及焊丝在酸液中进行清洗,使焊件表面去净氧化物,呈银白色金属光泽为止,酸洗液的配方见表60。酸洗后在流动的清水中洗净,焊前再用丙酮或酒精擦净焊丝及焊件焊接区域的表面。

钛及钛合金的酸洗溶液配方

钛及钛合金钨极氩弧焊的焊接工艺

局部保护 钛及钛合金焊接时,不仅要保护焊缝区和熔池区,并且对加热温度超过400℃的热影响区和焊缝背面也要进行保护,常用的局部保护方法见图12。保护效果以焊缝及热影响区表面颜色为标志见表61。

表61

接头形式 钛及钛合金的接头形式及坡口尺寸见表62。

焊丝 焊丝牌号有TA 和TC 两大系列,通常采用同质材料,为改善接头塑性,可用比母材合金化程度稍低的焊丝,例如焊接TC4 时可以用TC3 焊丝。

焊接工艺参数 钛及钛合金手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊的焊接工艺参数,分别见表63、表64。

表63 钛和钛合金手工钨极氩弧焊焊接工艺参数

表64 钛和钛合金自动钨极氩弧焊焊接工艺参数

钛及钛合金钨极氩弧焊介绍

1.焊接特点

工业上用于焊接的钛及钛合金多为α型和α+β型,其焊接特点为:

(1)化学活性强,焊接过程中不仅易引发气孔、裂纹等缺陷,而且易形成脆化。钛及其合金在常温下能与氧形成致密的氧化膜,焊接高温下极易被空气、水份、油脂等污染。钛在300℃以上吸氢、600℃以上快速吸氧、700℃以上快速吸氮,不仅降低焊接接头的力学性能,而且易引发气孔、裂纹等缺陷。

1)焊接接头容易氧化。工件加热到400℃以上,钛就吸氧,500℃以上钛在空气中氧化加剧,并随着焊接接头中氧含量的增加,材料的强度、硬度提高,而塑性、韧性降低。焊接过程中防止氧化要贯穿始终。

2)焊接接头容易氮化。钛与氮的亲合力很大,工件达700℃左右,氮与钛就会形成硬脆的TiN,剧烈地降低塑性、韧性。因此,焊接全过程要严防焊缝吸氮。

3)焊接接头易出现氢脆。氢在钛中的溶解度随温度的升温而增加,随温度的降低而减少,降温过程中氢的溶解度随温度的降低而降低,并以化合物的形式析出,这种化合物呈脆性,不仅使材料的冲击韧性下降,而且易产生微裂纹。因此,焊接过程囊应严防焊缝吸氢。

4)碳的影响。碳在钛合金中属杂质,它的影响虽然小于氧、氮,但焊缝中的碳超过它在α钛中的溶解度(0.13%)时,会生成硬而脆、呈网状分布的TiC,易引发裂纹。因此,有关标准限定钛材中的C≤0.10%。

a、对气孔敏感 这类合金主要的焊接缺陷是气孔,有时很难避免。形成气孔的因素很多(例如,氧与碳生成CO气孔),但主要由氢引起。若焊件清理不善、氩气中含杂质及水分或焊枪及管线系统有水分、油脂等均会成为氢的来源。

这类合金的气孔往往分布在焊缝熔合唱 线附近,人们常用氢在液态金属中的溶解度曲线来解释。氢在液态钛中的溶解度随温度的降低而降低,在凝固过程中有跳跃式的突降。高温熔池中氢向低温边缘扩散,聚集于熔合线附近的氢容易过饱和,为形成气孔提供条件。

b、易出现冷裂纹 这类合金中的C、S含量低杂质少,焊缝结晶时的低熔点共晶少,合金凝固时的收缩量小,一般不会出现热裂纹。而焊缝冷却过程中,由于氢溶解度的激剧变化,在熔合线附近高度集中的氢可能析出脆性相(TiH2)。较多脆性相的存在,且在TiH2析出过程中伴随着体积膨胀所产生的组织应力,加上焊接应力的作用易形成冷裂纹。

c、焊接接头的晶粒长大倾向严重 钛的熔点高(1668℃)、热容量大、导热性差、电阻率大。焊接时熔池的温度高、尺寸大;热传导差致使熔池高温停留时间长,造成焊接接头晶粒长大,脆性增加。因此,焊接宜采用较小的电流和较快的焊接速度。

d、焊接时易变形,且难校正 钛的纵向弹性模量为钢的50%,在同样焊接应力作用下,其变形量比钢大一倍,且变形后难以校正。

2.预防焊接缺陷,获得优质焊接接头的措施

1)加强焊前对工件及焊材的清理(特别是对接接头坡口端面处的表面),减少氧、氮氢的来源。

2)采用高纯度保护氩气(Ar≥99.99%)。

3)焊接时焊枪要带拖罩,且对温度超过400℃区域的焊道正、背都要严加保护,防止氧、氮、氢的侵入

4)选择适当的焊接线能量,既要防止线能量大造成接头过热,也要避免热输入过小,相变时产生较多的脆性相,还要使熔池保护足够的时间,有利于氢气的逸出。

5)采用适当的夹具、压板,同时选择合理的焊接顺序,以防止和减少变形。

6)加工过程应注意防止铁离子污染,避免与铁离子接触。


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