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钛及钛合金的焊接

发布时间:2019-02-18 19:54:27人气:

试述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:
⑴工业纯钛  按其纯度可分为TA1、TA2、TA3等牌号,其中TA1的杂质最少,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。
⑵α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。
⑶β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。
⑷α+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。
84  试述钛及钛合金的焊接性。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
⑸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。
85  试述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著下降。常用的清理方法如下:
⑴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。
⑵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。

表60  钛及钛合金的酸洗溶液配方
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86  试述钛及钛合金钨极氩弧焊的焊接工艺。
⑴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。

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表61  焊缝和热影响区的表面颜色
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⑵接头形式  钛及钛合金的接头形式及坡口尺寸见表62。

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⑶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。
⑷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。

 

 

 

 

 

 

 

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87  试述钛及钛合金熔化极氩弧焊的焊接工艺。
熔化极氩弧焊有较大的热功率,适用于3~20mm中厚板的焊接。这种方法具有焊接速度高、成本低、气孔倾向也比钨极氩弧焊少的优点。但主要缺点是飞溅较大,影响焊缝成形和区域保护。短路过渡适于较薄件焊接,喷射过渡适于较厚件焊接。由于熔化极焊接时填丝较多,故焊件的坡口角度较大,厚15~25mm一般选用90°、Y形坡口。焊接工艺参数,见表65。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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88  试述钛及钛合金埋弧焊的焊接工艺。
埋弧焊已成功地用于焊接中厚板的钛及钛合金焊件。由于钛及钛合金具有活泼的化学性能,所用焊剂除应具备一般焊剂所共同的性质外,还需具有特别良好的隔绝空气的保护作用,确保焊缝金属不发生氧化反应、不受氢的有害影响。因此,现有各种焊剂都不能使用。目前生产中使用成功的一种特殊焊剂成分(质量分数)为:   
CaF279.5%;BaCl219%;NaF1.5%。这是一种无氧焊剂,要用化学纯原料配制。其中CaF2为基本造渣剂,BaCl2用于稳弧,NaF含量不多,作用是细化晶粒。
焊接电源采用交、直流均可,但用直流反接时焊缝原成形较好,生产率也较高。
焊接接头反面的保护,可用于母材上切取的钛垫板,也可用紧贴背面的焊剂垫。工业纯钛埋弧焊的焊接工艺参数,见表66。

\焊后除渣工作必须在焊缝金属冷至300℃以下时进行。
埋弧焊的主要缺点是成本较高,灵活性较差,工艺设备也较复杂。
89  试述钛及钛合金等离子弧焊的焊接工艺。
钛及钛合金等离子弧焊具有能量集中、单面焊双面成形、弧长变化对熔深程度影响小、无钨无杂、气孔少和接头性能好等优点,可用“小孔型”和“熔透型”两种方法进行焊接。“小孔型”一次焊透的适合厚度为2.5~15mm,“熔透型”适用于各种厚度,但一次焊透的厚度较小,厚度3mm以上需开坡口,填丝多层焊。为加强保护,可以使用氩弧焊拖罩,只是随厚度增加和焊速提高,拖罩长度要适当加长。由于高温等离子焰流过小孔,为保证小孔的稳定,焊件背面不得使用垫板。15mm以上钛材焊接时可以开Y形或∪形坡口,钝边取6~8mm,用“小孔型”等离子弧焊封底,然后用埋弧焊、钨极氩弧焊或“熔透型”等离子弧焊填满坡口。由于氩弧焊封底时,钝边仅1mm左右,故用等离子弧焊封底可大大减少焊接层数、填丝量和角变形,并能提高生产率和降低焊接成本。
等离子弧焊的焊接工艺参数见表67。

 

 

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