钛合金钛锻件TC4钛棒的氩弧焊技术

钛合金钛锻件TC4钛棒的氩弧焊技术

钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常用的方法,常用于焊接厚度3mm以下的钛及钛合金。钨极氩弧焊可以分为敞开式焊接和箱内焊接两种类型,它们又各自分为手工焊和自动焊。敞开式焊接是在大气环境中的普通钨极氩弧焊,是利用焊喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩气或氫氮混合气,把焊接高温区与空气隔开,以防止空气侵入而沾污焊接区的金属。这是一种局部气体保护的焊接方法。当焊件结构复杂,难以实现拖罩或背面保护时,则应该采用箱内焊接。箱体在焊接前要先抽真空,然后充氨气或氮混合气,焊件在箱体内处于惰性气氛下施焊,是一种整体气体保护的焊接方法

一、焊前准备   

    钛合金钛锻件TC4钛棒焊接接头的质量在很大程度上取决于焊件和焊丝的焊前清理,当清理不彻底时,会在焊件和焊丝表面形成吸气层,并导致焊接接头形成裂纹和气孔。因此焊接前应对坡口及其附近区域进行认真的清理。清理通常采用机械清理和化学清理。

1、机械清理

    钛合金钛锻件TC4钛棒采用剪切、冲压和切割下料的工件需要焊前对其接头边缘进行机械清理。对于焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件,可以用细砂布或不锈钢丝刷擦拭,或用硬质合金刮刀刮削待焊边缘去除表面氧化膜,刮深025mm即可对于采用气焊切割下料的工件,机械加工切削层的厚度应不小于1~2mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶剂去除坡口两侧的手印、有机物质及焊丝表面的油污等。在除油时需使用厚棉布、毛刷或人造纤维刷刷洗。

对于焊前经过热加工或在无保护气体的情况下热处理的工件,需要进行喷丸或喷砂清理表面,然后进行化学清理。

       2、化学清理

如果钛板热轧后已经酸洗，但由于存放太久又生成新的氧化膜时，可室温条件下将钛板轻泡在(2%~4%)HF+(30%40%)HNO+Ho的溶液中15-20mm,然后用清冲洗干静烘干。对于热轧后未经酸洗的钛板,由于其氧化膜较厚。

应先进行碱洗。碱洗时,将钛板浸泡在含烧碱80%;、碳酸氢钠20%的浓碱水溶液中10~15min,溶液的温度保持在40~50℃。碱洗后取出冲洗,再进行酸洗。酸洗液的配方为:每升溶液中,硝酸55~60mL,盐酸340~350mL,氢氟酸5mL。酸洗时间为10~15min(室温下浸泡)。取出后分别用热水、冷水冲洗,并用白布擦拭、晾干。经酸洗的焊件、焊丝应在4h内焊完,否则要重新酸洗。焊丝可放在温度为150~200℃的烘箱内保存,随取随用,取焊丝应戴洁净的白手套,以免污染焊丝。对焊件应采用塑料布掩盖防止沾污,对已沾污的可用丙酮或酒精擦洗。

      二、坡口的制备与装配

    钛合金钛锻件TC4钛棒为减少焊缝的累积及气量,在选择坡口形式及尺寸时,应尽量减少焊接层数和填充金属量,以防止接头塑性的下降。钛及钛合金的坡口形式及尺寸见表1。搭接接头由于其背面保护困难,接头受力条件差,尽可能不采用,一般也不采用永久性垫板对接。对于母材厚度小于25mm的I形坡口对接接头,可以不添加填充焊丝进行焊接。对于厚度更大的母材,则需要开坡口并添加填充金属。一般应尽量采用平焊。采用机械方法加工的坡口,由于接头内可能留有空气,因而对接头装配要求高。在钛板的坡口加工时最好采用创、铣等冷加工工艺,以减小热加工时出现的坡口边缘硬度增加的现象,减少机械加工时的难度。

由于钛合金钛锻件TC4钛棒的一些特殊物理性能,如表面张力系数大、熔融态时黏度小,焊前须对焊件进行仔细的装面点固焊的焊点间距为100-150mm,长度为10-15mm。点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等与正式焊接时相同,在每一点固焊点停弧时,应延时关闭气。装配时严禁使用铁器敲击、划伤待焊工件表面

三、焊接材料的选择

1、氨气适用于钛及钛合金焊接用的气为一级氫气,其纯度为9.9%,点在-40℃以下,杂质总含量<0.02%,相对湿度<6%,水分≤0.0010L焊接过程中如果氨气的压力降至w时应停正使用,以保证焊接接头的质量。

2、焊丝填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同。常用的牌号有TA1钛棒、TA2钛棒、TA3钛棒、TA4钛棒、TA5钛棒、TA6钛棒及TC3钛棒等。为提高焊缝金属的塑性,可选用强度比母材金属稍低的焊丝。如焊接TA7钛棒及TC4钛棒等钛合金时,为提高焊缝塑性,可选用纯钛焊丝,但要保证焊丝中的杂质含量应比母材金属低,仅为一半左右,例如0≤0.12%、N≤0.03%、H≤0.006%、C≤0.04%。

焊丝以真空退火状态供货,表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂等缺陷存在。焊丝在焊前须进行彻底清理,否则焊丝表面的油污等可能成为焊缝金属的污染源。采用无标准牌号的焊丝时,可从基体金属上裁切出狭条作焊丝,狭条宽度和厚度相同。

四、气体保护措施

由于钛合金钛锻件TC4钛棒对空气中的氧、氮、氢等气体具有很强的亲和力,因此必须在焊接区采取良好的保护措施,以确保焊接熔池及温度超过350℃的热影响区的正反面与空气隔绝。采用钨极氬弧焊焊接钛及钛合金的保护措施及其适用范围如表2所示。

焊缝的保护效果除了与氬气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、接头形式等因素有关外,还与焊炬、喷嘴的结构形式和尺寸有关。钛的热导率小、焊接溶池尺寸大,因此,喷嘴的孔径也应相应增大,以扩大保护区的面积。常用的焊炬喷嘴及拖罩见图1。

该结构可以获得具有一定挺度的气流层,保护区直径达30m左右。如果喷嘴的结构不合理时,则会出现紊流和挺度不大动流,两者都会使空气混入焊接区。为了改善焊缝金属的组织,提高焊缝、热影响区的性能,可采用增强焊缝冷却速度的方法,即在焊缝两侧或焊缝反面设置空冷或水冷铜压块。对已脱离喷嘴保护区,但仍在350℃以上的焊缝热影响区表面,仍需继续保护。通常采用能通。

有氩气流的拖罩。拖罩的长度为100~180mm,宽度30~40mm,具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等条件确定,但要使温度处于350℃以上的焊缝及热影响区金属得到充分的保护。拖罩外壳的四角应圆滑过渡,要尽量减少死角,同时拖罩应与焊件表面保持一定距离。

焊接长焊缝,当焊接电流大于200A时,在拖罩下端帽沿处需设置冷却水管,以防拖罩过热,甚至烧坏铜丝和外壳。钛及钛合金薄板手工TG焊用拖罩通常与焊炬连接为一体,并与焊炬同时移动。管子对接时,为加强对于管子正面后端焊缝及热影响区的保护,一般是根据管子的外径设计制造专用环形拖罩,如图2所示。

钛合金钛锻件TC4钛棒焊接中背面也需要加强保护。通常采用在局部密闭气腔内或整个焊件内充氩气,以及在焊缝背面加通氩气的垫板等措施。对于平板对接焊时可采用背面带有通气孔道的紫铜垫板,如图3所示。

氬气从焊件背面的紫铜垫板出气孔流出(孔径小m,孔距15~20m),并短暂地储存在垫板的小槽内,以保护焊缝背面不受有害气体的侵害。为了加强冷却,垫板应采用紫铜,其凹槽的深度和宽度要适当,否则不利于氩气的流通和储存。对于厚度为4m以内的钛板,其焊接垫板的成形槽尺寸见表3。焊缝背面不采用垫板的,可加用手工移动的氬气拖罩。批量生产钛管时,对接焊可在氩气保护罩内焊接,管子转动焊炬不动。

氩气流量的选择以达到良好的焊接表面色泽为准,过大的流量不易形成稳定的气流层,而且增大焊缝的冷却速度,容易在焊缝表面出现钛马氏体。拖罩中的氩气流量不足时,焊接接头表面呈现出不同的氧化色泽;而流量过大时,将对主喷嘴的气流产生干扰。焊缝背面的氩气流量过大也会影响正面第一层焊缝的气体保护效果。

焊缝和热影响区的表面色泽是保护效果的标志,钛材在电弧作用后,表面形成一层薄的氧化膜,不同温度下所形成的氧化膜颜色是不同的。一般要求焊后表面最好为银白色,其次为金黄色。工业纯钛焊缝的表面颜色与接头冷弯角的关系见表4。多层、多道焊时,不能单凭盖面层焊缝的色泽来评价焊接接头的保护效果。因为若底层焊缝已被杂质污染,而焊盖面层时保护效果良好,结果仍会由于底层的污染而明显降低接头的塑性。

五、焊接工艺参数的选择

钛合金钛锻件TC4钛棒焊接有晶粒长大倾向,尤以β钛合金最为显著,而晶粒长大难以用热处理方法加以调整。所以钛及钛合金焊接工艺参数的选择,既要防止焊缝在电弧作用下出现晶粒粗化的倾向,又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。焊接应采用较小的焊接线能量,使温度刚好高于形成焊缝所需要的最低温度。如果线能量过大,则焊缝容易被污染而形成缺陷。

表5、表6是钛及钛合金手工和自动TIG焊的工艺参数,主要适用于对接长焊缝及环焊缝。表7是钛管手

工TIG焊的工艺参数。

钨极氩弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊电源,并采用直流正接,以获得较大的熔深和较窄的熔宽。在多层焊时,第一层一般不加焊丝,从第二层再加焊丝。已加热的焊丝应处于气体的保护之下。多层焊时,应保持层间温度尽可能低,等到前一层冷却至室温后再焊下一道焊缝,以防止过热。

对于厚度在0.1~2.0m的纯钛及钛合金板材、对焊接热循环敏感的钛合金以及薄壁钛管全位置焊接时,宣采用脉冲氬弧焊。该方法可成功地控制钛焊缝的成形,减少焊接接头过热和粗晶倾向,提高焊接接头的塑性。而且焊缝易于实现单面焊双面成形,获得质量高、变形量小的焊接接头。表8是厚度0.8~2.0m钛板脉冲自动TIG焊的工艺参数。其中脉冲电流对焊缝的熔深起着主要作用,基值电流的作用是保持电弧稳定的燃烧,待下一次脉冲作用时不需要重新引弧。

当钛及钛合金板很厚时,采用熔化极氨弧焊(MG)可以减少焊接层数,提高焊接速度和生产率,降低成本,也可减少焊缝气孔。但G焊采用的是细颗粒过度,填充金属受污染的可能性大,因此对保护要求较TIG焊更严格。此外,MG焊的飞溅较大,影响焊缝成形和保护效果。薄板焊接时通常采用短路过渡,厚板焊接时则采用喷射过渡。

MIG焊时填丝较多,这就要求焊接坡口角度较大,厚度15~25m的板材,可选用90°单面V形坡口。钨极氩弧焊的拖罩可用于熔化极焊接,但由于MG焊焊速高、高温区长,拖罩应加长,并采用流水冷却。MG焊时焊材的选择与T焊相同,但是对气体纯度和焊丝表面清洁度的要求更高,焊前须对焊丝进行彻底的清理。表9是TC4钛合金自动MG焊的工艺参数

六、焊后热处理

    钛合金钛锻件TC4钛棒的接头在焊接后存在着很大的残余应力。如果不消除,将会引起冷裂纹,增大应力腐蚀开裂的敏感性,降低接头的疲劳强度,因此焊后必须进行消除应力处理。按合金的化学成分、原始状态和结构使用要求,有焊后退火处理和淬火时效处理。

1、退火退火的目的是消除应力、稳定组织、改善力学性能。退火工艺分为完全退火和不完全退火两类。α和β钛合金(TB2除外)一般只作退火热处理。由于完全退火的加热温度较高,为避免焊件表面被空气污染,必须在氩气或真空中进行。不完全退火由于加热度较低,可在空气中进行,空气对焊缝及焊件表面的轻微污染,可用酸洗方法去除。

退火后的冷却速度对a和B钛合金不敏感,对a+B钛合金十分敏感。对于这种合金,须以规定的速度冷却到一定温度,然后分阶段冷却或直接空冷,而且开始空冷的温度不应低于使用温度

       2、 淬火-时效处理淬火时效处理的目的是提高焊后接头的强度。但由于高温加热氧化严重,淬火时发生的变形难于矫正,而且焊件较大时不易进行淬火处理,因此一般很少采用,仅对结构简单、体积不大的压力容器适用。

消除应力处理前,焊件表面须进行彻底的清理,然后在惰性气氛中进行热处理。几种钛及钛合金焊后热处理的工艺参数见表10。