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钛合金焊接工艺及缺陷预防浅析

发布日期:2018-09-28  浏览次数:72
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  【摘要】目前针对钛合金的焊接,国内外开展了大量研究,对于焊接工艺、焊接技术和低成本焊接方面提出了苛刻的要求。针对以上要求依据测试结果进一步改进合金的焊接技术工艺,对加强缺陷预防能力以提高钛合金结构件的质量,具有重要的理论意义和工程应用价值。
  【关键词】钛合金;焊接工艺
  钛合金属于较难焊接的金属,密度较小,强度较高,耐腐蚀,具有良好的塑、韧性,但是很容易氧化、氮化、脆化,常见的钛合金焊接缺陷有三种:脆化、裂纹、气孔,当前有很多机构致力于钛合金焊接工艺优化和缺陷预防。
  1、钛合金焊接工艺
  1.1焊接材料
  钛合金焊接一般使用成分与母材相同的焊丝,有时为了提高接头的韧性,在焊接接头强度方面降低要求,应当选择低于母材强度的焊丝。通常将在真空有条件下经过退火处理TA1~TA6和TC3等焊丝用做钛合金焊接,如果以上提到的焊丝无法供应时,可将母材剪切成窄条作为焊丝。
  1.2焊前清理
  钛合金的焊前清理工作非常重要,通常因为附着污物会引发气孔和夹杂杂质等问题影响焊丝焊接后焊缝的抗腐蚀性和强度,因而钛合金在焊接前必须进行清理。表面处理的常见方法为物理处理和化学处理法,物理处理主要包括表面污垢通过喷砂喷丸和抛光等方式的处理,化学处理主要是通过酸碱等化学物质将钛合金表面的污垢溶解,除去钛合金表面的氧化物,直至表面为钛合金基材为止。
  1.3常见的钛合金焊接方法
  对于钛合金的焊接方法一发展多年,众多的研究主要集中在极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊等方法等常见的钛合金焊接方法。
  1.3.1钨极氩弧焊工艺
  对于焊接10mm以上的钛合金母材通常选择钨极氩弧焊工艺,常采用直流正接。张装生等研究人员对对钨极氩弧焊工艺的研究结果表明,在母材焊接过程中要要使用氩气保护气氛来保护焊件的正面、背面,尽可能的使用拖罩保护进行气氛保护。
  1.3.2熔化极氩弧焊工艺
  MIG焊主要用于焊接钛合金厚板,常采用直流反接。焊接方式依据焊接母材薄厚而不同,通常薄板采用工艺为短路过渡的熔滴过渡焊接方法,而厚板采用工艺为喷射过渡的熔滴过渡方法。该工艺对保护气氛的要求很高,保护气氛气体纯度、焊前清理的要求,MIG焊比TIG焊更为严格。
  1.3.3等离子弧焊工艺
  一般的等离子弧焊,除了使用热压缩、机械压缩、磁压缩三种基本手段收缩电弧外,是保护气氛中该工艺一般使用氩气与一定比例的氢气来保护,该保护气氛可以提高焊接过程中焊接电弧的收缩性,基于以上原因,使用等离子弧焊焊接工艺焊接钛合金母材时,钛很容易与保护气中的氢形成氢化物,只能使用纯氩气或氩与氦的混合气作为保护气体。当钛板厚度为较薄时,通常采用小孔法焊接,而厚板母材使用熔入法加反面成形垫板焊接工艺。
  1.3.4电子束钛合金焊工艺
  该工艺通常电子是以热发射或场致发射的方式从发射体逸出功率密度很高的电子束撞击到焊材表面,电子的动能就转变为热能,使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开,电子束就能继续撞击深处的固态金属,很快在被焊工件上形成小孔,小孔的周围被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动,液态金属沿小孔周围流向熔池后部,逐渐冷却、凝固形成了焊缝。但电子束焊焊接钛合金会在接头中产生较大的残余应力,并随着焊接件厚度的增大而增加,只有焊后对焊件进行完全真空退火方可消除。
  1.3.5激光束钛合金焊工艺
  激光束焊接适合于某些特殊的焊接,已经成为钛合金焊接的重要手段。邹世坤等采用激光焊接TC4钛合金,获得接头性能与母材相当。郭鹏等人对采用激光束焊接TC4钛合金进行焊接研究,研究结果表明TC4钛合金通过焊接后焊缝平整光滑,外观色泽漂亮,对焊接试样通过无损检测结果表明钛合金焊缝质量达到国标Ⅱ级要求。
  1.3.6摩擦焊工艺
  钛合金自身良好性能很适合摩擦焊,工艺若调整到合适的范围,也可以在无特殊保护措施的条件下,获得良好的焊接接头。摩擦焊焊接钛合金获得的焊缝硬度略低于母材,进行拉伸试验时试样断裂于母材侧,断口呈现韧性断裂特征。研究人员对TC4钛合金进行搅拌摩擦焊接方式进行焊接,研究结果表明焊接接头的抗拉强度达到母材的92%,焊接接头的搅拌区域为焊接质量最差区域,该区域韧性和强度都较差。
  2、钛及钛合金焊接常见缺陷与防止措施
  2.1钛合金焊接常见缺陷
  2.1.1脆化
  高温下钛与氧、氮、氢很容易发生反应,而氧和氮在空气中广泛存在。因此,在焊接热循环作用下钛很难不受影响。因氧和氮固溶于钛中,导致钛金属晶格畸变,因钛合金晶格结构的改变使钛合金拥有高的强度,但塑韧性却弱于母材。随着氢含量在钛合金焊缝中增加,会以片状或针状化合物形态析出,致使焊接接头的冲击韧性降低。焊接过程中焊缝金属和高温近缝区必须受到有效的保护,正反面都很容易在焊接高温下与空气等杂质发生反应导致脆化。
  2.1.2焊接裂纹
  钛合金因含有硫、磷、碳等杂质很少,钛合金具有很窄的有效结晶温度区间,因而钛合金低熔点共晶很难在晶界出现,因此对热裂纹不敏感。但是焊接过程中保护不好,会有应力裂纹和冷裂纹出现。焊接时由于焊接过程中母材中的氢会向热影响区扩散,导致影响区氢含量增加,在不当的应力情况下就会出现裂纹。另外在气氛中氧氮含量高时,钛合金焊接接头产生一定程度的脆化,因而在出现的强焊接应力导致出现裂纹。
  2.1.3焊接气孔
  在钛合金的焊接过程中,由于焊接母材和焊丝含有污染物、水或其他气氛杂质,很容易造成在焊缝中形成气孔缺陷,在众多的研究结果同样表面母材或焊丝中的氢、水、氧都会使焊缝的气孔产生率增加。因此,必须严格做好母材及焊丝的焊前清理工作,在焊接前要对母材进行抛光打磨处理,务必保证基材和焊丝的干净,确保焊接的质量。
  2.2缺陷的防止措施
  从以往的钛合金焊接研究可知,气焊与通用手工电弧焊常会出现焊接焊缝脆化现象,该问题主要是焊接气氛中含有污染物所致,为了避免以上问题的出现,通常在焊接中采用氩弧焊焊接工艺,同时还需着重注意一下几方面内容。
  (1)要针对焊接钛合金材料母材的材质,依据母材中杂质等问题针对性的选择适合的焊接工艺及焊丝。
  (2)用高质量的保护气体。所使用保护气体的纯度不低于99.99%,焊前进行干燥处理。
  (3)在焊接前必须对焊接母材及焊丝进行处理清理以防因焊丝及母材出现裂纹和夹层等问题影响焊接的质量。
  (4)在钛合金焊接过程中要对熔池及焊缝热影响区域采取必要的氩气保护措施,确保焊接的质量。
  参考文献
  [1]陶醉.钛及钛合金焊接特性及工艺要点[J].现代焊接,2012,8(116):25-27.
  [2]韦生,费东,田雷,徐连勇等.钛及钛合金焊接工艺探讨[J].焊接技术,2013,42(4):73-75.
  作者简介
  王莉(1986-)女,汉,甘肃酒泉、学士、助教,材料成型及控制。

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