鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒的氬弧焊技術(shù)

鎢極氬弧焊是焊接鈦及鈦合金最常用的方法,常用于焊接厚度3mm以下的鈦及鈦合金。鎢極氬弧焊可以分為敞開(kāi)式焊接和箱內(nèi)焊接兩種類(lèi)型,它們又各自分為手工焊和自動(dòng)焊。敞開(kāi)式焊接是在大氣環(huán)境中的普通鎢極氬弧焊,是利用焊噴嘴、拖罩和背面保護(hù)裝置通以適當(dāng)流量的氬氣或氫氮混合氣,把焊接高溫區(qū)與空氣隔開(kāi),以防止空氣侵入而沾污焊接區(qū)的金屬。這是一種局部氣體保護(hù)的焊接方法。當(dāng)焊件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)拖罩或背面保護(hù)時(shí),則應(yīng)該采用箱內(nèi)焊接。箱體在焊接前要先抽真空,然后充氨氣或氮混合氣,焊件在箱體內(nèi)處于惰性氣氛下施焊,是一種整體氣體保護(hù)的焊接方法

一、焊前準(zhǔn)備   

    鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒焊接接頭的質(zhì)量在很大程度上取決于焊件和焊絲的焊前清理,當(dāng)清理不徹底時(shí),會(huì)在焊件和焊絲表面形成吸氣層,并導(dǎo)致焊接接頭形成裂紋和氣孔。因此焊接前應(yīng)對(duì)坡口及其附近區(qū)域進(jìn)行認(rèn)真的清理。清理通常采用機(jī)械清理和化學(xué)清理。

1、機(jī)械清理

    鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒采用剪切、沖壓和切割下料的工件需要焊前對(duì)其接頭邊緣進(jìn)行機(jī)械清理。對(duì)于焊接質(zhì)量要求不高或酸洗有困難的焊件,可以用細(xì)砂布或不銹鋼絲刷擦拭,或用硬質(zhì)合金刮刀刮削待焊邊緣去除表面氧化膜,刮深025mm即可對(duì)于采用氣焊切割下料的工件,機(jī)械加工切削層的厚度應(yīng)不小于1~2mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶劑去除坡口兩側(cè)的手印、有機(jī)物質(zhì)及焊絲表面的油污等。在除油時(shí)需使用厚棉布、毛刷或人造纖維刷刷洗。

對(duì)于焊前經(jīng)過(guò)熱加工或在無(wú)保護(hù)氣體的情況下熱處理的工件,需要進(jìn)行噴丸或噴砂清理表面,然后進(jìn)行化學(xué)清理。

       2、化學(xué)清理

如果鈦板熱軋后已經(jīng)酸洗，但由于存放太久又生成新的氧化膜時(shí)，可室溫條件下將鈦板輕泡在(2%~4%)HF+(30%40%)HNO+Ho的溶液中15-20mm,然后用清沖洗干靜烘干。對(duì)于熱軋后未經(jīng)酸洗的鈦板,由于其氧化膜較厚。

應(yīng)先進(jìn)行堿洗。堿洗時(shí),將鈦板浸泡在含燒堿80%;、碳酸氫鈉20%的濃堿水溶液中10~15min,溶液的溫度保持在40~50℃。堿洗后取出沖洗,再進(jìn)行酸洗。酸洗液的配方為:每升溶液中,硝酸55~60mL,鹽酸340~350mL,氫氟酸5mL。酸洗時(shí)間為10~15min(室溫下浸泡)。取出后分別用熱水、冷水沖洗,并用白布擦拭、晾干。經(jīng)酸洗的焊件、焊絲應(yīng)在4h內(nèi)焊完,否則要重新酸洗。焊絲可放在溫度為150~200℃的烘箱內(nèi)保存,隨取隨用,取焊絲應(yīng)戴潔凈的白手套,以免污染焊絲。對(duì)焊件應(yīng)采用塑料布掩蓋防止沾污,對(duì)已沾污的可用丙酮或酒精擦洗。

      二、坡口的制備與裝配

    鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒為減少焊縫的累積及氣量,在選擇坡口形式及尺寸時(shí),應(yīng)盡量減少焊接層數(shù)和填充金屬量,以防止接頭塑性的下降。鈦及鈦合金的坡口形式及尺寸見(jiàn)表1。搭接接頭由于其背面保護(hù)困難,接頭受力條件差,盡可能不采用,一般也不采用永久性墊板對(duì)接。對(duì)于母材厚度小于25mm的I形坡口對(duì)接接頭,可以不添加填充焊絲進(jìn)行焊接。對(duì)于厚度更大的母材,則需要開(kāi)坡口并添加填充金屬。一般應(yīng)盡量采用平焊。采用機(jī)械方法加工的坡口,由于接頭內(nèi)可能留有空氣,因而對(duì)接頭裝配要求高。在鈦板的坡口加工時(shí)最好采用創(chuàng)、銑等冷加工工藝,以減小熱加工時(shí)出現(xiàn)的坡口邊緣硬度增加的現(xiàn)象,減少機(jī)械加工時(shí)的難度。

由于鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒的一些特殊物理性能,如表面張力系數(shù)大、熔融態(tài)時(shí)黏度小,焊前須對(duì)焊件進(jìn)行仔細(xì)的裝面點(diǎn)固焊的焊點(diǎn)間距為100-150mm,長(zhǎng)度為10-15mm。點(diǎn)固焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及保護(hù)氣體等與正式焊接時(shí)相同,在每一點(diǎn)固焊點(diǎn)停弧時(shí),應(yīng)延時(shí)關(guān)閉氣。裝配時(shí)嚴(yán)禁使用鐵器敲擊、劃傷待焊工件表面

三、焊接材料的選擇

1、氨氣適用于鈦及鈦合金焊接用的氣為一級(jí)氫氣,其純度為9.9%,點(diǎn)在-40℃以下,雜質(zhì)總含量<0.02%,相對(duì)濕度<6%,水分≤0.0010L焊接過(guò)程中如果氨氣的壓力降至w時(shí)應(yīng)停正使用,以保證焊接接頭的質(zhì)量。

2、焊絲填充焊絲的成分一般應(yīng)與母材金屬成分相同。常用的牌號(hào)有TA1鈦棒、TA2鈦棒、TA3鈦棒、TA4鈦棒、TA5鈦棒、TA6鈦棒及TC3鈦棒等。為提高焊縫金屬的塑性,可選用強(qiáng)度比母材金屬稍低的焊絲。如焊接TA7鈦棒及TC4鈦棒等鈦合金時(shí),為提高焊縫塑性,可選用純鈦焊絲,但要保證焊絲中的雜質(zhì)含量應(yīng)比母材金屬低,僅為一半左右,例如0≤0.12%、N≤0.03%、H≤0.006%、C≤0.04%。

焊絲以真空退火狀態(tài)供貨,表面不得有燒皮、裂紋、氧化色、非金屬夾雜等缺陷存在。焊絲在焊前須進(jìn)行徹底清理,否則焊絲表面的油污等可能成為焊縫金屬的污染源。采用無(wú)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的焊絲時(shí),可從基體金屬上裁切出狹條作焊絲,狹條寬度和厚度相同。

四、氣體保護(hù)措施

由于鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒對(duì)空氣中的氧、氮、氫等氣體具有很強(qiáng)的親和力,因此必須在焊接區(qū)采取良好的保護(hù)措施,以確保焊接熔池及溫度超過(guò)350℃的熱影響區(qū)的正反面與空氣隔絕。采用鎢極氬弧焊焊接鈦及鈦合金的保護(hù)措施及其適用范圍如表2所示。

焊縫的保護(hù)效果除了與氬氣純度、流量、噴嘴與焊件間距離、接頭形式等因素有關(guān)外,還與焊炬、噴嘴的結(jié)構(gòu)形式和尺寸有關(guān)。鈦的熱導(dǎo)率小、焊接溶池尺寸大,因此,噴嘴的孔徑也應(yīng)相應(yīng)增大,以擴(kuò)大保護(hù)區(qū)的面積。常用的焊炬噴嘴及拖罩見(jiàn)圖1。

該結(jié)構(gòu)可以獲得具有一定挺度的氣流層,保護(hù)區(qū)直徑達(dá)30m左右。如果噴嘴的結(jié)構(gòu)不合理時(shí),則會(huì)出現(xiàn)紊流和挺度不大動(dòng)流,兩者都會(huì)使空氣混入焊接區(qū)。為了改善焊縫金屬的組織,提高焊縫、熱影響區(qū)的性能,可采用增強(qiáng)焊縫冷卻速度的方法,即在焊縫兩側(cè)或焊縫反面設(shè)置空冷或水冷銅壓塊。對(duì)已脫離噴嘴保護(hù)區(qū),但仍在350℃以上的焊縫熱影響區(qū)表面,仍需繼續(xù)保護(hù)。通常采用能通。

有氬氣流的拖罩。拖罩的長(zhǎng)度為100~180mm,寬度30~40mm,具體長(zhǎng)度可根據(jù)焊件形狀、板厚、焊接工藝參數(shù)等條件確定,但要使溫度處于350℃以上的焊縫及熱影響區(qū)金屬得到充分的保護(hù)。拖罩外殼的四角應(yīng)圓滑過(guò)渡,要盡量減少死角,同時(shí)拖罩應(yīng)與焊件表面保持一定距離。

焊接長(zhǎng)焊縫,當(dāng)焊接電流大于200A時(shí),在拖罩下端帽沿處需設(shè)置冷卻水管,以防拖罩過(guò)熱,甚至燒壞銅絲和外殼。鈦及鈦合金薄板手工TG焊用拖罩通常與焊炬連接為一體,并與焊炬同時(shí)移動(dòng)。管子對(duì)接時(shí),為加強(qiáng)對(duì)于管子正面后端焊縫及熱影響區(qū)的保護(hù),一般是根據(jù)管子的外徑設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用環(huán)形拖罩,如圖2所示。

鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒焊接中背面也需要加強(qiáng)保護(hù)。通常采用在局部密閉氣腔內(nèi)或整個(gè)焊件內(nèi)充氬氣,以及在焊縫背面加通氬氣的墊板等措施。對(duì)于平板對(duì)接焊時(shí)可采用背面帶有通氣孔道的紫銅墊板,如圖3所示。

氬氣從焊件背面的紫銅墊板出氣孔流出(孔徑小m,孔距15~20m),并短暫地儲(chǔ)存在墊板的小槽內(nèi),以保護(hù)焊縫背面不受有害氣體的侵害。為了加強(qiáng)冷卻,墊板應(yīng)采用紫銅,其凹槽的深度和寬度要適當(dāng),否則不利于氬氣的流通和儲(chǔ)存。對(duì)于厚度為4m以?xún)?nèi)的鈦板,其焊接墊板的成形槽尺寸見(jiàn)表3。焊縫背面不采用墊板的,可加用手工移動(dòng)的氬氣拖罩。批量生產(chǎn)鈦管時(shí),對(duì)接焊可在氬氣保護(hù)罩內(nèi)焊接,管子轉(zhuǎn)動(dòng)焊炬不動(dòng)。

氬氣流量的選擇以達(dá)到良好的焊接表面色澤為準(zhǔn),過(guò)大的流量不易形成穩(wěn)定的氣流層,而且增大焊縫的冷卻速度,容易在焊縫表面出現(xiàn)鈦馬氏體。拖罩中的氬氣流量不足時(shí),焊接接頭表面呈現(xiàn)出不同的氧化色澤;而流量過(guò)大時(shí),將對(duì)主噴嘴的氣流產(chǎn)生干擾。焊縫背面的氬氣流量過(guò)大也會(huì)影響正面第一層焊縫的氣體保護(hù)效果。

焊縫和熱影響區(qū)的表面色澤是保護(hù)效果的標(biāo)志,鈦材在電弧作用后,表面形成一層薄的氧化膜,不同溫度下所形成的氧化膜顏色是不同的。一般要求焊后表面最好為銀白色,其次為金黃色。工業(yè)純鈦焊縫的表面顏色與接頭冷彎角的關(guān)系見(jiàn)表4。多層、多道焊時(shí),不能單憑蓋面層焊縫的色澤來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭的保護(hù)效果。因?yàn)槿舻讓雍缚p已被雜質(zhì)污染,而焊蓋面層時(shí)保護(hù)效果良好,結(jié)果仍會(huì)由于底層的污染而明顯降低接頭的塑性。

五、焊接工藝參數(shù)的選擇

鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒焊接有晶粒長(zhǎng)大傾向,尤以β鈦合金最為顯著,而晶粒長(zhǎng)大難以用熱處理方法加以調(diào)整。所以鈦及鈦合金焊接工藝參數(shù)的選擇,既要防止焊縫在電弧作用下出現(xiàn)晶粒粗化的傾向,又要避免焊后冷卻過(guò)程中形成脆硬組織。焊接應(yīng)采用較小的焊接線能量,使溫度剛好高于形成焊縫所需要的最低溫度。如果線能量過(guò)大,則焊縫容易被污染而形成缺陷。

表5、表6是鈦及鈦合金手工和自動(dòng)TIG焊的工藝參數(shù),主要適用于對(duì)接長(zhǎng)焊縫及環(huán)焊縫。表7是鈦管手

工TIG焊的工藝參數(shù)。

鎢極氬弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊電源,并采用直流正接,以獲得較大的熔深和較窄的熔寬。在多層焊時(shí),第一層一般不加焊絲,從第二層再加焊絲。已加熱的焊絲應(yīng)處于氣體的保護(hù)之下。多層焊時(shí),應(yīng)保持層間溫度盡可能低,等到前一層冷卻至室溫后再焊下一道焊縫,以防止過(guò)熱。

對(duì)于厚度在0.1~2.0m的純鈦及鈦合金板材、對(duì)焊接熱循環(huán)敏感的鈦合金以及薄壁鈦管全位置焊接時(shí),宣采用脈沖氬弧焊。該方法可成功地控制鈦焊縫的成形,減少焊接接頭過(guò)熱和粗晶傾向,提高焊接接頭的塑性。而且焊縫易于實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形,獲得質(zhì)量高、變形量小的焊接接頭。表8是厚度0.8~2.0m鈦板脈沖自動(dòng)TIG焊的工藝參數(shù)。其中脈沖電流對(duì)焊縫的熔深起著主要作用,基值電流的作用是保持電弧穩(wěn)定的燃燒,待下一次脈沖作用時(shí)不需要重新引弧。

當(dāng)鈦及鈦合金板很厚時(shí),采用熔化極氨弧焊(MG)可以減少焊接層數(shù),提高焊接速度和生產(chǎn)率,降低成本,也可減少焊縫氣孔。但G焊采用的是細(xì)顆粒過(guò)度,填充金屬受污染的可能性大,因此對(duì)保護(hù)要求較TIG焊更嚴(yán)格。此外,MG焊的飛濺較大,影響焊縫成形和保護(hù)效果。薄板焊接時(shí)通常采用短路過(guò)渡,厚板焊接時(shí)則采用噴射過(guò)渡。

MIG焊時(shí)填絲較多,這就要求焊接坡口角度較大,厚度15~25m的板材,可選用90°單面V形坡口。鎢極氬弧焊的拖罩可用于熔化極焊接,但由于MG焊焊速高、高溫區(qū)長(zhǎng),拖罩應(yīng)加長(zhǎng),并采用流水冷卻。MG焊時(shí)焊材的選擇與T焊相同,但是對(duì)氣體純度和焊絲表面清潔度的要求更高,焊前須對(duì)焊絲進(jìn)行徹底的清理。表9是TC4鈦合金自動(dòng)MG焊的工藝參數(shù)

六、焊后熱處理

    鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒的接頭在焊接后存在著很大的殘余應(yīng)力。如果不消除,將會(huì)引起冷裂紋,增大應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性,降低接頭的疲勞強(qiáng)度,因此焊后必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理。按合金的化學(xué)成分、原始狀態(tài)和結(jié)構(gòu)使用要求,有焊后退火處理和淬火時(shí)效處理。

1、退火退火的目的是消除應(yīng)力、穩(wěn)定組織、改善力學(xué)性能。退火工藝分為完全退火和不完全退火兩類(lèi)。α和β鈦合金(TB2除外)一般只作退火熱處理。由于完全退火的加熱溫度較高,為避免焊件表面被空氣污染,必須在氬氣或真空中進(jìn)行。不完全退火由于加熱度較低,可在空氣中進(jìn)行,空氣對(duì)焊縫及焊件表面的輕微污染,可用酸洗方法去除。

退火后的冷卻速度對(duì)a和B鈦合金不敏感,對(duì)a+B鈦合金十分敏感。對(duì)于這種合金,須以規(guī)定的速度冷卻到一定溫度,然后分階段冷卻或直接空冷,而且開(kāi)始空冷的溫度不應(yīng)低于使用溫度

       2、 淬火-時(shí)效處理淬火時(shí)效處理的目的是提高焊后接頭的強(qiáng)度。但由于高溫加熱氧化嚴(yán)重,淬火時(shí)發(fā)生的變形難于矯正,而且焊件較大時(shí)不易進(jìn)行淬火處理,因此一般很少采用,僅對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積不大的壓力容器適用。

消除應(yīng)力處理前,焊件表面須進(jìn)行徹底的清理,然后在惰性氣氛中進(jìn)行熱處理。幾種鈦及鈦合金焊后熱處理的工藝參數(shù)見(jiàn)表10。