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钛材的焊接机理及检测

来源:钛板,钛棒,钛管,钛丝,钛合金,钛设备,钛材 发布时间:2016-5-3 15:10:29
钛材具有优良的耐腐蚀性能,可用于其它金属材料难以胜任的高氯离子浓度介质下工作的设备,选材上一般采用加工性能及力学性能优良的工业纯钛。工业纯钛中的杂质能提高材料的强度,但会使塑性显著降低,以上3种等级的工业钛材随杂质的增多强度依次增加,塑性同时依次下降。与钛合金相比,纯钛的强度较低,但塑性及韧性较好,特别是低温冲击韧性优良, 缺点是温度升高时强度显著下降,故只能在350℃以下温度使用,与普通容器用钢相比,钛材屈强比较高,塑性韧性相对较差。
 
常温下钛材是很稳定的,但随着温度升高,钛焊缝吸收氢、氧、氮的能力随之也明显上升。试验研究表明, 钛材一般从250℃开始就吸收氢、氧、氮,在焊接时,温度越高,保温时间越长,焊缝塑性则越差,所以在焊接钛材时,如采用氩弧焊接,普通的焊枪是不能满足要求的,因为它不能使焊缝得到有效的保护,普通焊枪形成的保护气只能保护焊接熔池,对于处于已凝固的高温区的焊缝及热影响区, 不能提供保护,就会造成高温焊缝及热影响区吸收氢、氧、氮等气体。氮、氧和氢的侵入均能在焊缝形成间隙固溶体,使焊缝的强度提高,降低焊缝的塑性及韧性,而氢还会显著降低焊缝的冲击韧性进而使焊接接头脆化。因此,焊接时要对于400℃以上的高温区给予充分的保护,包括焊缝背面。
 
关于钛合金的激光焊接目前的应用趋势是越来越广泛,激光焊接的变形小,生产效率高,而且实现自动化的程度比电子束和TIG 要高。同电子束焊接相比,激光焊不需要真空室等复杂的设备,所以激光焊接实用性更强,而且激光焊可以以不同焊接状态直接焊接。CO2 激光由于功率大,使用25kW/h 可以一次性焊透20mm厚的钛板。Nd : YAG 激光由于可以使用光纤进行能量传输而使得YAG 的焊接更具灵活性,但由于功率低而使得穿透深度受到限制。激光焊接时轻易产生飞溅,这样就使得表面不清洁,在不能进行焊后处理时一定要特别小心。
 
当焊缝氢、氧、氮、碳的含量较高时,焊缝及热影响区会变脆,在较大焊接应力作用下会出现裂纹,这些裂纹一般是在较低温度下形成的,产生原因主要与焊接区气体的保护及待焊工件表面的清理有关。对于钨极氩弧焊而言,良好的气体保护,彻底地清理干净待焊区域,即可避免裂纹的产生。钛材焊接时的气孔形成原因主要是在保护气及母材焊丝中含有的氢、氧、氮、水等杂质,工件表面或钛焊丝上的油脂、氧化物等污染未能清理干净。所以消除气孔形成的方法就是要使用较高纯度的氩气进行保护,一般纯度要达到99.99%,并对焊接时400℃ 以上的区域进行充分的保护,同时焊接前仔细清理钛丝、坡口、工件上的油脂等氧化物。
 
钛及钛合金焊接对焊接时保护要求非常严格,当焊缝含碳量为0.55%时,焊缝塑性几乎全部消失而变成非常脆的材料,焊后热处置也无法消除此种脆性。国技术条件规定,钛合金母材的含碳量不大于0.1%焊缝含碳量不逾越母材含碳量。 钛合金中有很多元素,它们对钛的物理性能都有影响,其中碳是钛及钛合金中常见的杂质,当碳含量为0.13%以下时,碳因深在α钛中,焊缝强度极限有些提高,塑性有些下降,但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时,焊缝却出现网状TiC其数量随碳含量增高而增多,使焊缝塑性急剧下降,焊接应力作用下易出现裂纹。
 
大多数钛合金可以使用氧乙炔焊的方法进行焊接,并且所有的钛合金均可以使用固态焊接方法进行焊接( 如TIG、MIG 、等离子弧焊、激光和电子束焊接) 。事实上,钛合金焊接接头发生裂纹的倾向性要比玄色金属( 如铁合金、镍合金) 小得多。尽管钛合金具有如此良好的性质和其他一些优异的焊接特性,一些工程师们仍然以为钛合金的焊接是相当困难的,主要在于钛合金焊接对于气体保护的要求特别高,一般只有非常专业的职员才能保证气体保护符合要求。实际上,很多焊接手段均可以用来焊接钛合金。由于在焊接过程中引进的空气的N2 、O2 和含碳物质使得钛合金的熔化焊接头变脆,因此待焊区一定要清理干净并使用惰性气体保护。焊接材料基本上也是根据被焊材料的特性进行选取的。钛合金的焊接性一般根据焊接接头的延展性和强度来评价。对钛合金焊接部位进行目视检查,主要是为了评估气体保护的好坏。当表面呈银白色时,表示气体保护非常好;而当表面为浅黄色或深黄色,表示钛合金受到稍微污染,但仍然还是可以接受的;表面为深蓝色,表示污染比较严重,但由于使用工况的不同,有的可以使用;表面为浅蓝色,污染严重,几乎不可能使用;表面为灰蓝色或灰色时,污染非常严重,不可使用;同样表面为白色时,污染非常严重,不可用。
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