鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒的氬弧焊技術

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式焊接和箱內焊接兩種類型,它們又各自分為手工焊和自動焊。敞開式焊接是在大氣環境中的普通鎢極氬弧焊,是利用焊噴嘴、拖罩和背面保護裝置通以適當流量的氬氣或氫氮混合氣,把焊接高溫區與空氣隔開,以防止空氣侵入而沾污焊接區的金屬。這是一種局部氣體保護的焊接方法。當焊件結構復雜,難以實現拖罩或背面保護時,則應該采用箱內焊接。箱體在焊接前要先抽真空,然后充氨氣或氮混合氣,焊件在箱體內處于惰性氣氛下施焊,是一種整體氣體保護的焊接方法

一、焊前準備   

    鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒焊接接頭的質量在很大程度上取決于焊件和焊絲的焊前清理,當清理不徹底時,會在焊件和焊絲表面形成吸氣層,并導致焊接接頭形成裂紋和氣孔。因此焊接前應對坡口及其附近區域進行認真的清理。清理通常采用機械清理和化學清理。

1、機械清理

    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其接頭邊緣進行機械清理。對于焊接質量要求不高或酸洗有困難的焊件,可以用細砂布或不銹鋼絲刷擦拭,或用硬質合金刮刀刮削待焊邊緣去除表面氧化膜,刮深025mm即可對于采用氣焊切割下料的工件,機械加工切削層的厚度應不小于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的手印、有機物質及焊絲表面的油污等。在除油時需使用厚棉布、毛刷或人造纖維刷刷洗。

對于焊前經過熱加工或在無保護氣體的情況下熱處理的工件,需要進行噴丸或噴砂清理表面,然后進行化學清理。

       2、化學清理

如果鈦板熱軋后已經酸洗，但由于存放太久又生成新的氧化膜時，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。對于熱軋后未經酸洗的鈦板,由于其氧化膜較厚。

應先進行堿洗。堿洗時,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。經酸洗的焊件、焊絲應在4h內焊完,否則要重新酸洗。焊絲可放在溫度為150~200℃的烘箱內保存,隨取隨用,取焊絲應戴潔凈的白手套,以免污染焊絲。對焊件應采用塑料布掩蓋防止沾污,對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,應盡量減少焊接層數和填充金屬量,以防止接頭塑性的下降。鈦及鈦合金的坡口形式及尺寸見表1。搭接接頭由于其背面保護困難,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接。對于母材厚度小于25mm的I形坡口對接接頭,可以不添加填充焊絲進行焊接。對于厚度更大的母材,則需要開坡口并添加填充金屬。一般應盡量采用平焊。采用機械方法加工的坡口,由于接頭內可能留有空氣,因而對接頭裝配要求高。在鈦板的坡口加工時最好采用創、銑等冷加工工藝,以減小熱加工時出現的坡口邊緣硬度增加的現象,減少機械加工時的難度。

由于鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒的一些特殊物理性能,如表面張力系數大、熔融態時黏度小,焊前須對焊件進行仔細的裝面點固焊的焊點間距為100-150mm,長度為10-15mm。點固焊所用的焊絲、焊接工藝參數及保護氣體等與正式焊接時相同,在每一點固焊點停弧時,應延時關閉氣。裝配時嚴禁使用鐵器敲擊、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氫氣,其純度為9.9%,點在-40℃以下,雜質總含量<0.02%,相對濕度<6%,水分≤0.0010L焊接過程中如果氨氣的壓力降至w時應停正使用,以保證焊接接頭的質量。

2、焊絲填充焊絲的成分一般應與母材金屬成分相同。常用的牌號有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,為提高焊縫塑性,可選用純鈦焊絲,但要保證焊絲中的雜質含量應比母材金屬低,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。采用無標準牌號的焊絲時,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、氣體保護措施

由于鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒對空氣中的氧、氮、氫等氣體具有很強的親和力,因此必須在焊接區采取良好的保護措施,以確保焊接熔池及溫度超過350℃的熱影響區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措施及其適用范圍如表2所示。

焊縫的保護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外,還與焊炬、噴嘴的結構形式和尺寸有關。鈦的熱導率小、焊接溶池尺寸大,因此,噴嘴的孔徑也應相應增大,以擴大保護區的面積。常用的焊炬噴嘴及拖罩見圖1。

該結構可以獲得具有一定挺度的氣流層,保護區直徑達30m左右。如果噴嘴的結構不合理時,則會出現紊流和挺度不大動流,兩者都會使空氣混入焊接區。為了改善焊縫金屬的組織,提高焊縫、熱影響區的性能,可采用增強焊縫冷卻速度的方法,即在焊縫兩側或焊縫反面設置空冷或水冷銅壓塊。對已脫離噴嘴保護區,但仍在350℃以上的焊縫熱影響區表面,仍需繼續保護。通常采用能通。

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

焊接長焊縫,當焊接電流大于200A時,在拖罩下端帽沿處需設置冷卻水管,以防拖罩過熱,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,并與焊炬同時移動。管子對接時,為加強對于管子正面后端焊縫及熱影響區的保護,一般是根據管子的外徑設計制造專用環形拖罩,如圖2所示。

鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒焊接中背面也需要加強保護。通常采用在局部密閉氣腔內或整個焊件內充氬氣,以及在焊縫背面加通氬氣的墊板等措施。對于平板對接焊時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),并短暫地儲存在墊板的小槽內,以保護焊縫背面不受有害氣體的侵害。為了加強冷卻,墊板應采用紫銅,其凹槽的深度和寬度要適當,否則不利于氬氣的流通和儲存。對于厚度為4m以內的鈦板,其焊接墊板的成形槽尺寸見表3。焊縫背面不采用墊板的,可加用手工移動的氬氣拖罩。批量生產鈦管時,對接焊可在氬氣保護罩內焊接,管子轉動焊炬不動。

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

焊縫和熱影響區的表面色澤是保護效果的標志,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。工業純鈦焊縫的表面顏色與接頭冷彎角的關系見表4。多層、多道焊時,不能單憑蓋面層焊縫的色澤來評價焊接接頭的保護效果。因為若底層焊縫已被雜質污染,而焊蓋面層時保護效果良好,結果仍會由于底層的污染而明顯降低接頭的塑性。

五、焊接工藝參數的選擇

鈦合金鈦鍛件TC4鈦棒焊接有晶粒長大傾向,尤以β鈦合金最為顯著,而晶粒長大難以用熱處理方法加以調整。所以鈦及鈦合金焊接工藝參數的選擇,既要防止焊縫在電弧作用下出現晶粒粗化的傾向,又要避免焊后冷卻過程中形成脆硬組織。焊接應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TIG焊的工藝參數,主要適用于對接長焊縫及環焊縫。表7是鈦管手

工TIG焊的工藝參數。

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,第一層一般不加焊絲,從第二層再加焊絲。已加熱的焊絲應處于氣體的保護之下。多層焊時,應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,以防止過熱。

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

當鈦及鈦合金板很厚時,采用熔化極氨弧焊(MG)可以減少焊接層數,提高焊接速度和生產率,降低成本,也可減少焊縫氣孔。但G焊采用的是細顆粒過度,填充金屬受污染的可能性大,因此對保護要求較TIG焊更嚴格。此外,MG焊的飛濺較大,影響焊縫成形和保護效果。薄板焊接時通常采用短路過渡,厚板焊接時則采用噴射過渡。

MIG焊時填絲較多,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、高溫區長,拖罩應加長,并采用流水冷卻。MG焊時焊材的選擇與T焊相同,但是對氣體純度和焊絲表面清潔度的要求更高,焊前須對焊絲進行徹底的清理。表9是TC4鈦合金自動MG焊的工藝參數

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力。如果不消除,將會引起冷裂紋,增大應力腐蝕開裂的敏感性,降低接頭的疲勞強度,因此焊后必須進行消除應力處理。按合金的化學成分、原始狀態和結構使用要求,有焊后退火處理和淬火時效處理。

1、退火退火的目的是消除應力、穩定組織、改善力學性能。退火工藝分為完全退火和不完全退火兩類。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行。不完全退火由于加熱度較低,可在空氣中進行,空氣對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a和B鈦合金不敏感,對a+B鈦合金十分敏感。對于這種合金,須以規定的速度冷卻到一定溫度,然后分階段冷卻或直接空冷,而且開始空冷的溫度不應低于使用溫度

       2、 淬火-時效處理淬火時效處理的目的是提高焊后接頭的強度。但由于高溫加熱氧化嚴重,淬火時發生的變形難于矯正,而且焊件較大時不易進行淬火處理,因此一般很少采用,僅對結構簡單、體積不大的壓力容器適用。

消除應力處理前,焊件表面須進行徹底的清理,然后在惰性氣氛中進行熱處理。幾種鈦及鈦合金焊后熱處理的工藝參數見表10。