毕业设计论文范文—焊接专业技术.doc

西安航空职业技术学院 毕业设计论文摘要本论文阐述了钛及钛合金的作用、特点及焊接性，TC2钛合金作为重要的新型结构材料具有密度小、抗拉强度高、比强度大等优点，被广泛应用于航空工业、航天工业、化学工业、造船工业等方面。通过对TC2薄板钛合金化学成分、组织、性能和焊接工艺规范的不断摸索，以及对焊接过程容易出现的问题的综合分析，总结出钛及钛合金的焊接工艺特点及操作要领，并简要论述了钨极氩弧焊的原理和工艺特性以及焊件的焊后质量检测原则。关键词：钛及钛合金 焊接工艺 钨极氩弧焊 质量检测This paper expounds the role of titanium and titanium alloy, characteristics and weldability, TC2 titanium alloy as important new structural materials with low density, high tensile strength than intensity big, etc., are widely used in aviation industry, the aerospace industry, chemical, shipbuilding, etc. Through TC2 sheet of titanium alloy chemical composition, microstructure, properties and welding process standard fumble ceaselessly, and the welding process easily the problems of comprehensive analysis, this paper summarizes the titanium and titanium alloy welding technology characteristics and operating essentials, and describes briefly tungsten pole argon arc welding principle and process characteristics and welding quality testing principle of after welding.Keywords: titanium and titanium alloy welding process tungsten pole argon arc welding quality examination目录前言41钛和钛合金的发展概况、作用及特点52钛和钛合金的分类及性能72.1工业纯钛的性能及特点72.2钛合金的分类及特性82.2.1钛合金82.2.2钛合金82.2.3（+）钛合金82.3钛和钛合金的焊接性92.3.1气体及杂质污染对焊接性能的影响92.3.2焊接接头裂纹问题102.3.3焊缝中的气孔问题102.3.4粗晶倾向112.3.5焊接变形113钨极氩弧焊的技术特点及应用123.1钨极氩弧焊的原理及设备123.2钨极氩弧焊的特点123.3钨极氩弧焊的分类133.3.1直流钨极氩弧焊133.3.2交流钨极氩弧焊143.4钨极氩弧焊的焊接工艺参数143.5钨极氩弧焊的工艺影响因素163.5.1钨极、喷嘴、焊丝与焊件的相对位置163.5.2焊接规范的影响173.6钨极氩弧焊的应用173.7钨极氩弧焊的安全规程174TC2薄板钨极氩弧焊的工艺流程194.1焊前准备194.1.1焊前清理194.1.2坡口的制备与装配194.2 TC2薄板钨极氩弧焊的焊接工艺204.2.1焊接材料的选择204.2.2氩气流量的选择214.2.3气体保护224.2.4焊接工艺参数的选择234.2.5 TC2薄板钛合金钨极氩弧焊焊缝分布原则254.2.6 TC2薄板钛合金手工钨极氩弧焊焊接工艺卡264.2.7 TC2薄板钛合金手工钨极氩弧焊操作要领284.2.8焊后热处理285 TC2钛合金焊接质量检验295.1焊缝外观形状及尺寸的检验295.2焊接缺陷的检验及焊接接头的无损检测296结束语327谢辞338参考文献34前言焊接是现代工业生产中不可缺少的先进制造技术，已经成为金属加工的重要手段之一。随着科学技术的不断发展，焊接技术越来越受到各行各业的密切关注，广泛应用于机械、冶金、电力锅炉和压力容器、建筑、桥梁、船舶、汽车、电子、航空航天、军工和军事装备等产业部门和海洋工程、核电工程、电子技术工程中。钛和钛合金是20世纪50年代后期发展起来的一种新型优良的结构材料，钛合金具有良好的高温强度，优良的抗腐蚀性能，比强度大、塑韧性好、密度小、可加工性较好等优点。因此钛和钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一，近年来，钛在石油、化工、汽车、生物医学和文体用品等领域开始得到应用，并已成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个崭新的发展阶段。根据钛和钛合金的化学成分，组织性能及特点，采用的焊接方法有：氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊、电阻焊、缝焊、钎焊和扩散焊等，且目前氩弧焊是众多焊接方法中应用最普遍的。以高熔点的纯钨或钨合金作电极，用惰性气体氩气为保护气的非熔化极电弧焊方法钨极氩弧焊在钛和钛合金的焊接中应用最为广泛。随着科学技术的不断发展和各种新材料的不断出现，可以预料，在推动我国的经济建设，国防建设和发展科学事业上，焊接技术起到越来越重要的作用。1钛和钛合金的发展概况、作用及特点钛是地壳中储量十分丰富的元素，居于第四位。钛是1791年被英国牧师格累高尔发现的。1795年马丁，克拉普罗特在分析一种金红石时，认识到这种矿石是一种金属氧化物，并将这种金属命名为钛，由于钛很容易和常见的金属形成合金，在发现后很多年内，许多人企图从它的化合物中将它分离出来，都未获成功，直到1910年才由美国化学家亨特将很纯的TiCl4和金属Na一齐放进耐高压的钢缸中，将缸加热到红热，冷却后，洗去NaCl得到纯度高达99.9的钛。钛及钛合金是一种优良的结构材料，具有密度小、比强度高、塑韧性好、耐热耐蚀性好、可加工性较好等优点。20世纪50年代，军用飞机进入了超声速时代,航空发动机相应地进入喷气发动机时代,原有的铝、钢结构已不能满足新的需求。钛及钛合金恰恰在这个时候进入了工业性发展阶段,由于它具有比强度高、使用温度范围宽(-269600)、抗蚀性好和其他一些可利用的特性,因此很快被选用于航空航天工业，后来逐渐应用到化学工业、造船工业、仪器仪表、生物医学和文体用品等领域。自从人类1790年发现钛元素，1951年进入工业化生产以来，钛逐渐显示出它独特的优越性能，钛的应用可以获得明显的技术进步和经济效益。钛的蕴藏量是铜的十倍，是继铁、铝之后的“第三金属”，被称为“空间金属”。由于钛所具有的一系列优良性能，资源又很丰富，钛的工业生产问世后，立即受到普遍高度重视，随着航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨，钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-4Al-1.5Mn(TC2)、Ti-6Al-4V(TC4)、Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。钛合金的性能：钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1，但其强度低、塑性高。99.5工业纯钛的性能为：密度=4.5g/cm3，熔点为1800，导热系数=15.24W/(m.K)，抗拉强度b=539MPa，伸长率=25，断面收缩率=25，弹性模量E=1.078105MPa，硬度HB195。 (1)比强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 (2)热强度高使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500，铝合金则在200以下。(3)抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。(4)低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。(5)化学活性大钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.10.15 mm，硬化程度为2030。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。(6)导热系数小、弹性模量小，钛的导热系数=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。TC2是一种a型钛合金，化学成分为Ti-4Al-1.5Mn，属于中强钛合金，具有良好的可焊性，主要用作连接管路。该合金变形能力较差，压力加工成形较困难。在我国，该牌号钛合金的熔炼、锻造、棒材和板材加工技术已趋成熟，但管材加工仍属空白。针对该合金的特点，采用挤压后机加工的方法生产热加工管材。重点对化学成分、挤压温度、挤压比、退火温度对管材挤压成形、组织性能等的影响进行了研究，确定了合理的工艺参数，研制的管材表面质量、组织性能及尺寸精度完全满足相关钨极氩弧焊时常被称为TIG焊，是一种在非消耗性电极和工作物之间产生热量的电弧焊接方式；电极棒、溶池、电弧和工作物临近受热区域都是由气体状态的保护隔绝大气混入，此保护是由气体或混合气体流供应，通常是惰性气体，必须是能提供全保护，因为甚至很微量的空气混入也会污染焊道。2钛和钛合金的分类及性能2.1工业纯钛的性能及特点工业纯钛的性质与其纯度有关，纯度越高，强度和硬度越底，塑性越高，越容易加工成形。钛在885时发生同素异构转变，在885以下为密排六方晶格结构，称为钛；在885以上为体心力方晶格结构，称为钛。钛合金的同素异构转变温度则随加入的合金元素的种类和数量的不同而变化。工业纯钛的再结晶温度为550650。工业纯钛中的主要杂质有氢、氧、铁、硅、碳、氮等，其中氧、氮、碳与钛形成间隙固溶体，铁、硅等元素与钛形成置换固溶体，起固溶强化作用，显著提高钛的强度和硬度，降低其塑性和韧性。氢以置换方式固溶于钛中，微量的氢即能够使钛的冲击韧性急剧降低，增大缺口敏感性，并引起氢脆。工业纯钛根据其杂质（主要是氧和铁）的含量以及强度差别分为TA1、TA2、TA3三个牌号。随着工业纯钛牌号的顺序数字增大，其杂质含量增加，强度增加，塑性降低。钛的主要物理性能见表2.1-1，钛和钛合金的比强度很高，是很好的热强合金材料。钛的导热性差，摩擦因数大，其切削，磨削加工性能和耐磨性较差。钛的弹性模量较低，不利于结构的刚度，也不利于钛及钛合金的成形和校直。钛的主要物理性能（20）密度g-3熔点比热容J.-1K-1热导率J.m-1s-1k-1电阻率u.线膨胀系数10-6k-1弹性模量Mpa4.5166852216428.416表2.1-1工业纯钛容易加工成形，但在加工后会产生加工硬化。为恢复塑性，可以采用真空退火处理，退火温度为700，保温1h。工业纯钛具有很高的化学活性，钛和氧的亲和力很强，在室温条件下就能在表面生成一层致灭密而稳定的氧化膜。由于氧化膜的保护作用，使钛在大气、高温气体（550以下），中性及氧化性介质，不同浓度的硝酸、稀硫酸、氯盐溶液以及碱溶液中都有良好的耐蚀性，但氢氟酸对钛具有很大的腐蚀作用。工业纯钛的化学活性随着加热温度的增加而迅速增大，并在固态下具有很强的吸收各种气体的能力。工业纯钛是一种常用的-Ti合金，具有良好的耐腐蚀性、塑性、韧性和焊接性。其板材和棒材可以用于制造350以下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器、化学工业的耐蚀结构等。2.2钛合金的分类及特性工业纯钛的强度还不高，在其中加入合金元素便可以得到钛合金，其强度、塑性、抗氧化等性能显著提高，并使钛合金的相变温度和结晶组织发生相应的变化。钛合金根据其退火组织可分为三大类：钛合金、钛合金和（+）钛合金。其牌号分别以T加A、B、C和顺序数字表示。TA4TA10表示钛合金，TB2TB4表示钛合金，TC1TC12表示+钛合金。2.2.1钛合金加入铝可使钛合金的同素异晶转变温度提高，在室温和工作温度下获得单相组织，故称为钛合金。钛合金具有很好的热稳定性、热强性和焊接性，但室温强度比其他钛合金低，塑性变形能力也较差，且不能热处理强化，主要是固溶强化，通常在退火状态下使用。其牌号有TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等。TA7是典型牌号，可制作在500以下工作的零件，如导弹燃料罁，超音速飞机的涡轮记机匣，发动机压气机盘和叶片等。2.2.2钛合金在钛中加入钼、铌、钒等稳定相合金元素，可获得稳定的相组织，故称为钛合金。钛合金淬火后具有良好塑性、可进行冷变形加工。经淬火时效后，使合金强度提高，焊接性好，但热稳定性差。其牌号有TB1、TB2，适于制作在350以下使用的重载荷回转件（如压气机叶片、轮盘等）以及飞机构件等。2.2.3（+）钛合金在钛中加入稳定的相元素（Mn、Cr、V等），再加入稳定相（Al），在室温下即获得（+）双向组织，故称为（+）钛合金。这种合金塑性好，易于锻压，经淬火时效强化后强度可提高50100，但热稳定性差。其牌号有TC1、TC2、TC10，TC2、TC4是典型牌号，经淬火和时效处理后，强度高、塑性好，在400时组织稳定，蠕变强度较高，低温时韧性好，并优良好的海水应变腐蚀及抗热盐应力腐蚀的能力，适于制造400室温以下长期工作的零件，要求有一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。（+）钛合金兼有和钛合金的特点，但随着相比例的增加，其加工性能变差，随着相比例的增加，其焊接性能变差。（+）钛合金退火状态时断裂韧性高，热处理状态时比强度大，硬化倾向较和钛合金大。（+）钛合金的室温，中温强度比钛合金高，并且由于相溶解氢等杂质的能力较相大，因此，氢对（+）钛合金的危害较钛合金小。由于（+）钛合金力学性能可以在较宽的范围内变化，从而可以使其适应不同的用途。TC2（Ti-4Al-1.5Mn）是目前应用较广泛的（+）钛合金，其基本相组成是相和相，但在不同的热处理忽然热加工条件下，两相的比例，性质和形态是不同的。将TC2钛合金加热到不同温度后空冷即可以得到不同的组织。TC2钛合金的室温强度高，在150350时具有良好的耐热性。此外，还具有良好的压力加工和焊接性能。焊后可以不做任何处理即可使用，而且可以通过焊后的固熔和时效处理进一步获得强化。2.3钛和钛合金的焊接性钛和钛合金具有特定的物理，化学性质和热处理性能，为掌握钛和钛合金的焊接工艺，提高焊接质量，必须深入了解钛和钛合金的焊接性。钛及钛合金的焊接性能，具有许多显著特点，这些焊接特点是由于钛及钛合金的物理化学性能决定的。2.3.1气体及杂质污染对焊接性能的影响在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但试验表示，在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250左右开始吸收氢，从400开始吸收氧，从600开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。（1）氢是影响氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2 强度很低，故片状或针状卫HiH2 的作用例以缺口，合冲击性能显著降低；焊缝含氢量变化对强度的提高及塑性的降低的作用不很时显。（2）氧的影响氧在钛的相和想中都有有较高的熔解度，并能形成间隙固深相，使用权钛的晶伤口严重扭曲，从而提高钛及钛合金的硬度和强度，使塑性却显著降低。为了保证焊接接应的性能，除了在焊接过程中严防焊缝及焊按热影响区发主氧化外，同时还应限制基本金属及焊丝中的含氧量。（3）氮的影响在700以上的高温下，氮和钛发生剧作用，形成脆硬的氮化钛（TiN）而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更为严重，因此，氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显著。（4）碳的影响碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为0.13%时，碳因深在钛中，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，在焊接应力作用下易出现裂纹。因此，钛及钛合金母材的含碳量不大于0.1%，焊缝含碳量不超过母材含碳量。2.3.2焊接接头裂纹问题钛及钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上，加之有效结晶温度区间窄小，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。钛及钛合金焊按时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢弹的扩散有关。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出TiH2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源。2.3.3焊缝中的气孔问题钛及钛合金焊接时，气孔是经常碰到的问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果，氢在高温时溶入熔池，冷却结晶时过饱和的氢来不及从熔池溢出时便在焊缝中聚集形成气孔。氢在钛中的溶解度随着液体温度的升高反而下降，并在凝固温度时发生溶解度突变。焊接时熔池中部比熔池边缘的温度高，使熔池中部的氢除像气泡核扩散外，同时也向熔合线扩散，因此，氢气孔多数产生在焊缝中部和熔合线。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。防止产生气孔的工艺措施主要有：（1）、保护氩气要纯，纯度应不低于99.99%，焊炬上通氩气的管道不宜采用橡皮管，以尼龙软管为好。（2）、彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物，严格限制原材料中氢、氧、氮等杂质气体的含量，焊前对焊丝进行针孔去氢处理来改善焊丝的含氢量和表面状态。（3）、尽量缩短焊件清理后到焊接的时间，一般不要超过2小时，否则要妥善保存，以防吸潮。（4）、对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。（5）、正确选择焊接工艺参数，延长熔池停留时间，以便于气泡溢出，控制氩气的流量，防止絮流现象，尽可能有效地减少气孔。2.3.4粗晶倾向钛的熔点高，热容量大，导热性差，因此，在焊接时容易形成较大的熔池，并且熔池的温度很高，这使得焊缝及热影响区金属在高温的停留时间比较长，晶粒长大倾向比较大，使接头塑性和断裂韧性降低。长大的晶粒难以用热处理的方法恢复，所以焊接时应该严格控制焊接的热输入量。为了避免相和相产生不良结合以及避免W相的形成，应该采用较大的线能量。2.3.5焊接变形钛的弹性模量比不锈钢小，在同样的焊接应力条件下，钛和钛合金的焊接变形是不锈钢的1倍，因此焊接时应该采用垫板和压板将待焊件压紧，以减少焊接变形。此外，垫板和压板还可以传导焊接区的热量，缩短焊接区的高温停留时间，减小焊缝的氧化。3钨极氩弧焊的技术特点及应用3.1钨极氩弧焊的原理及设备氩弧焊技术是在普通电弧焊的原理的基础上，利用氩气对金属焊材的保护，通过高电流使焊材在被焊基材上融化成液态形成溶池，使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术，由于在高温熔融焊接中不断送上氩气，使焊材不能和空气中的氧气接触，从而防止了焊材的氧化。钨极氩弧焊结构示意图如图3.1-1所示。图3.1-11填充细棒 2喷嘴 3导电嘴 4焊枪 5钨极 6焊枪手柄 7氩气流 8焊接电弧 9金属熔池 10焊丝盘 11送丝机构 12焊丝 钨极氩弧焊的设备一般由焊接电源、引弧和稳弧装置、焊枪、供气系统、水冷系统和控制系统等组成，其中引弧和稳弧装置、焊接控制系统都位于控制箱内。3.2钨极氩弧焊的特点 钨极氩弧焊与手工焊条电弧焊相比主要有以下特点： （1）氩气是惰性气体，高温下不分解，与焊缝金属不发生反应，不溶解于液态金属，故保护效果最佳，能有效的保护熔池金属，是一种高质量的焊接方法。（2）氩气是单原子气体，高温无二次吸放热分解反应，导电能力差,以及氩气流产生的压缩效应和冷却作用，使电弧热集中，温度高，电弧稳定性好，即使在低电流下电弧还能稳定燃烧。 （3）氩弧焊热量集中，从喷嘴中喷出的氩气有冷却作用，因此焊缝热影响区窄，焊件变形小。 （4）用氩气保护无熔渣，提高了工作效率，而且焊缝成形美观，质量好。 （5）氩弧焊明弧操作，熔池可观性好，便于观察和操作，技术容易掌握，适合各种位置焊接。 （6）除黑色金属外，可用于焊接不锈钢、铝、铜等有色金属及合金钢。但氩弧焊成本高；而且氩气电离势高，引弧困难；氩弧焊产生紫外线强度高于手工焊条电弧焊530倍；另外，钨极有一定放射性，对焊工也有一定的危害，目前推广使用的铈钨极对焊工的危害较小。3.3钨极氩弧焊的分类 钨极氩弧焊按操作方法可分为手工钨极氩弧焊和机械化焊接两种。对于直线焊缝和规则的曲线焊缝，可采用机械化焊接。而对于不规则的或较短的焊缝，则采用手工钨极氩弧焊。钨极氩弧焊使用的电流种类一般有直流钨极氩弧焊、交流钨极氩弧焊和脉冲钨极氩弧焊三种，目前使用较多的是直流手工钨极氩弧焊。3.3.1直流钨极氩弧焊直流钨极氩弧焊通常分为两种：直流反极性和直流正极性，一般金属（除铝镁及其合金外）选用选用直流正极性钨极氩弧焊最好，交流次之。铝、镁及其合金的薄件可选用直流反极性进行焊接。（1）直流反极性 在钨极氩弧焊中，虽很少用直流反极性，原因是钨极易氧化烧损，焊缝宽而窄，电弧不稳定。但是，它具有“阴极破碎”作用。所谓“阴极破碎”作用，在交流焊的反极性半波也同样存在，它是成功地焊接铝、镁及其合金的重要因素。铝、镁及其合金的表面存在一层致密难熔的氧化膜覆盖在焊接熔池表面，如不及时清除，焊接时会造成未熔合，在焊缝表面还会形成皱皮或产生内气孔、夹渣，直接影响焊接质量。实践证明，反极性时，被焊金属表面的氧化膜在电弧的作用下，可以被清除掉而获得成形美观的焊缝。这种作用要求阴极斑点的能量密度要很高和被质量很大的正离子撞击，致使氧化膜破碎。 （2）直流正极性 直流正极性时，焊件接正极，焊件接受电子轰击放出的全部动能和逸出功，产生大量的热，且其熔点高，这时电弧阴极的导电机构是以热阴极导电机构为主，钨极的热发射（电子）能力强，这一点有利于电弧的引燃和稳定燃烧，因此，在电流较小的情况下电弧也非常稳定，熔池深而窄，生产率高，焊件的收缩和变形都小，这对于焊接薄件非常有利。因此除焊接铝、镁及其合金外，一般均采用直流正极性接法进行焊接。3.3.2交流钨极氩弧焊交流钨极氩弧焊焊接时电流的极性周期性的变化。在交流正极性（焊件为正）半周，因钨极承载能力较大，电弧稳定、集中，使焊缝得到足够的熔深。而在交流反极性（焊件为负）半周，则利用“阴极破碎”作用，可以彻底清除熔池及其附近区域的氧化膜，并使钨极得到冷却，因此它兼有直流正、反极性钨极氩弧焊的优点。此外，交流钨极氩弧焊设备简单，成本低，维修方便。因此，交流钨极氩弧焊被广泛用于铝、镁及其合金的焊接生产中。3.4钨极氩弧焊的焊接工艺参数 （1）焊接电流与钨极直径：通常根据工件的材质、厚度和接头的空间位置选择焊接电流。钨极氩弧焊使用钨极的直径是比较重要的，必须根据焊接电流选择合适的钨极直径。钨极直径一定时，在不同的电源和极性条件下，充许使用的电流范围不同，直流正接时许用电流最大，直流反接时，许用电流最小。（2）电弧电压：电弧电压主要由弧长决定，弧长增加，电弧电压增加，焊缝宽度增加，熔深减小，容易引起未焊透及咬边，保护效果也不好，电弧太短，难看清熔池，送丝易碰钨极引起短路，容易夹钨，通常弧长近似等于钨极直径。 （3）焊接速度：焊接速度增加，熔深和熔宽减小，容易未焊透，焊缝高而窄，两侧熔合不好，焊接速度太慢时，焊缝很宽，可能产生焊漏烧穿等缺陷。通常焊工根据熔池大小，熔池形状和两侧熔合情况，随时调整焊接速度，如图3.4-1所示为焊接速度对氩气保护效果的影响，焊接速度过大，保护气流严重偏后，可能使钨极端部、弧柱、熔池暴露在空气中。因此必须采用相应措施如加大保护气体流量或将焊炬前倾一定角度，以保持良好的保护作用。焊接速度对氩气保护效果的影响图3.4-1（4）钨极直径和端部形状：钨极直径的选择取决于焊件的厚度、焊接电流大小、电源种类和极性。表3.4-2列出了不同钨极直径所允许的电流使用范围。通常焊件厚度越大，焊接电流越高，所采用的钨极直径越大。此外，从表中还可以看出对不同直径的钨极，采用不同的电流种类或极性时，所允许的电流范围也不同。其直流正极性时电流值最大，交流次之，直流反极性最小。焊接时，钨极直径一定要选择适当，否则会影响焊接质量。不同钨极直径所允许的电流使用范围钨极直径mm直流A交流A正极性反极性1265150102020100314018020401001604250340305014022053004004080200280635050060100250300表3.4-2钨极端部的形状对电弧的稳定性和焊缝成形也有很大影响。一般在焊接薄板和焊接电流很小时，可采用小直径的钨极并将其末端磨成尖锥角（约20角），这样电弧容易引燃和稳定。但在焊接电流较大时若仍采用尖锥角电极，则会因电流密度过大而使电极末端过热熔化、加剧烧损，同时电弧斑点也会扩展到钨极末端的锥面上，使弧柱明显地扩散飘荡不稳，而影响焊缝成形。所以大电流焊接时要求钨极末端磨成钝角（大于90）或带有平顶的锥角形，这样可使电弧燃烧稳定，焊缝成形均匀，并减小钨极烧损。根据所用焊接电流种类，选用不同的端部形状如图3.4-3所示，尖端角度 的大小会影响钨极的许用电流、引弧及稳弧性能，钨极尖端角度对焊缝熔深和熔宽也有一定影响，减小锥角，焊缝熔深减小，熔宽增大，反之则熔深增大，熔宽减小。图3.4-3（5）填丝速度和焊丝直径：焊丝的填丝速度受焊丝直径、焊接电流、焊接速度和接头间隙等因素的影响。通常，焊接电流、焊接速度和接头间隙大时，填丝速度要快；焊丝越粗，填丝速度要越慢。如果填丝速度选择不合理，就可能造成焊缝出现未焊透、烧穿、凹陷、堆高过大以及成形不光滑等缺陷。焊丝直径的选择与母材的厚度、间隙有关。当板厚间隙大时，焊丝可选粗一点的；反之，则选细一些的。假如选择不当，就有可能造成焊缝成形不好的缺陷。3.5钨极氩弧焊的工艺影响因素3.5.1钨极、喷嘴、焊丝与焊件的相对位置喷嘴到焊件的距离大小影响到保护作用的效果如图3.5.1-1所示，一般取10mm为宜。钨极、喷嘴、焊丝与焊件的相对位置图3.5.1-1钨极放置应与喷嘴同心，当钨极与焊件垂直是具有最好保护作用，但这时喷嘴将会挡住焊工的视线，因此一般使钨极与焊件的角度成75左右为宜，而焊丝与焊件的角度成15左右。3.5.2焊接规范的影响一般来说，氩气流量增大时，保护气流挺度大，保护效果也好。但气体流量过大，当它与焊件接触反射回来时，就会把气流扰乱，而在保护区内产生涡流，这时就会将空气卷入而降低保护作用。增大焊接速度，氩气流将会后托，若焊接速度过大，就会使钨极，焊丝与熔池暴漏在空气中而失去保护作用。因此增大焊接速度时，必须同时加大气体流量，以增加保护气流的挺度，使保护作用不被破坏。当焊接电流过大时，保护区内气体运动加剧，这时也要采用较大的喷嘴并加大气体流量，以扩大焊接区。3.6钨极氩弧焊的应用钨极氩弧焊适用几乎可以焊接所有金属及合金，但从经济性和生产效率考虑，钨极氩弧焊主要用于焊接不锈钢、高温合金和铝、镁、铜、钛等金属及其合金，以及难熔金属（如锆、钼、铌）与异种金属。钨极氩弧焊所焊板材的厚度，由于受承载能力的限制，一般适用于焊接薄件，钨极氩弧焊一般焊接厚度小于6mm的构件，目前钨极氩弧焊广泛应用于航空航天、原子能、化工、纺织、锅炉、压力容器、医疗器械及炊具等工业部门的生产中。3.7钨极氩弧焊的安全规程（1）焊接工作场地必须备有防火设备，如砂箱、灭火器、消防栓、水桶等。易燃物品距离焊接场所不得小于5。若无法满足规定距离时，可用石棉板、石棉布等妥善覆盖，防止火星落入易燃物品。易爆物品距离焊接所不得小于10。氩弧焊工作场地要有良好的自然通风和固定的机械通风装置，减少氩弧焊有害气体和金属粉尘的危害。（2）手工钨极氩弧焊机应放置在干燥通风处，严格按照使用说明书操作。使用前应对焊机进行全面检查。确定没有隐患，再接通电源。空载运行正常后方可施焊。保证焊机接线正确，必须良好、牢固接地以保障安全。焊机电源的通、断由电源板上的开关控制，严禁负载扳动开关，以免形状触头烧损。（3）应经常检查氩弧焊枪冷却水系统的工作情况，发现堵塞或泄漏时应即刻解决，防止烧坏焊枪和影响焊接质量。（4）焊人员离开工作场所或焊机不使用时，必须切断电源。若焊机发生故障，应由专业人员进行维修，检修时应作好防电击等安全措施。焊机应至少每年除尘清洁一次。（5）钨极氩弧焊机高频振荡器产生的高频电磁场会使人产生一定的头晕、疲乏。因此焊接时应尽量减少高频电磁场作用的时间，引燃电弧后立即切断高频电源。焊枪和焊接电缆外应用软金属编织线屏蔽（软管一端接在焊枪上，另一端接地，外面不包绝缘）。如有条件，应尽量采用晶体脉冲引弧取代高频引弧。（6）氩弧焊时，紫外线强度很大，易引起电光性眼炎、电弧灼伤，同时产生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。因此，焊工操作时应穿白帆布工作服，戴好口罩、面罩及防护手套、脚盖等。为了防止触电，应在工作台附近地面覆盖绝缘橡皮，工作人员应穿绝缘胶鞋。4TC2薄板钨极氩弧焊的工艺流程TC2属于钛合金，化学成分为Ti-4Al-1.5Mn，其性质非常活波，溶解氮、氢、氧的能力很大，故普通的焊条电弧焊、气焊、CO2气体保护焊不适用，最常用的焊接方法是钨极氩弧焊。4.1焊前准备4.1.1焊前清理钛和钛合金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，焊接前应对焊件坡口及其附近区域至少20 mm范围内的油污、水分等进行彻底的清理，清理通常采用机械清理和化学清理。（1）机械清理 采用剪切、冲压和切割下料的工件均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难度的焊件，可以用细纱布或不锈钢丝刷擦拭，或用硬质合金刮刀削待焊边缘去除表面氧化膜，刮深0.025mm即可。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，有机物及焊丝表面的油污等。在除油时需要使用厚棉布，毛刷或人造纤维刷刷洗。（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，可在室温条件下将钛板浸泡在24HF+3040HNO3+H2O(余量)的溶液中1520min，然后用清水冲洗干净并烘干。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1015min，溶液的温度保持在4050，碱洗后取出冲洗，在进行酸洗。酸洗液的配方为：每升溶液中硝酸5560ml，盐酸340350ml，氢氟酸5ml，酸洗时间为1025min（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内用完，否则要重新进行酸洗。焊丝可放在温度为150200的烘箱内保存，随用随取，取焊丝应戴洁净的白手套，以免污染焊丝。4.1.2坡口的制备与装配为减少焊缝的累积吸气量，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。钛和钛合金的坡口形式及尺寸见表4.1.2-1。搭接接头由于其背面保护困难，街头受力条件差，而尽可能不采用，一般也不采用永久性带垫板对接。对于母材厚度小于2,5mm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。采用机械方法加工坡口，由于接头内可能留有空气，因而对于接头装配的要求必须比焊接其它金属高。在钛板的坡口加工时最好采用刨、铣等冷加工工艺。以减少热加工时容易出现的坡口边缘硬度增高的现象，减少机械加工时的难度。钛和钛合金的坡口形式及尺寸坡口形式板厚mm坡口尺寸间隙mm钝边mm角度()I形0.252.30-0.83.200.1-V形1.66.400.10.10.2530603.0133090X形6.43800.10.10.253090U形6.4251530双U形19511530表4.1.2-1 从上表中可以看出，对于=3mm的TC2钛合金焊接时常采用I形坡口或V形坡口，当采用I形坡口时，坡口间隙为00.3mm；当采用V形坡口时，坡口间隙为00.3mm，钝边高度为0.10.75mm，坡口角度为3060为宜。由于钛的一些特殊的物理性能，如表面张力系数大，熔融状态黏度小，使得焊前必须对焊接进行仔细的装配。点固焊是减少焊接变形的措施之一，一般焊点间距为100150mm，其长度约1015mm。点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体条件与正式焊接时相同，在每一点固焊点停弧时，应延时关闭氩气，同时装配时应严禁使用铁器敲击划伤待焊工件表面。4.2 TC2薄板钨极氩弧焊的焊接工艺4.2.1焊接材料的选择（1）氩气：适用于钛合金焊接用的氩气为一级氩气，其纯度应不低于99.99%，露点在-40以下，杂质总的质量分数0.001%，相对温度5，水分0.001mgL，焊接过程中当氩气瓶中的压力降至0.981MPa时，应停止使用，以防止影响焊接接头质量。（2）焊丝：原则上应选择与基本金属成分相同的钛丝，有时为了提高焊缝金属塑性，也可选用强度比基本金属稍低的焊丝。焊接TC2钛合金时，为提高焊缝塑性，可选用纯钛焊丝，此时接头的效率低于100，焊丝中的杂质含量应比母材金属的低的多，仅为一半左右，如氧0.12，氮0.03，氢0.006，碳0.04。焊丝表面不得有烧皮，裂纹，氧化膜，金属或非金属夹杂等杂质缺陷存在，同时注意焊丝在焊接前必须进行彻底的清理，否则焊丝表面的油污等杂质可能成为焊缝金属的污染源。4.2.2氩气流量的选择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道焊缝的气体保护效果。焊接时焊缝表面是否保护良好，可根据焊缝表面的颜色进行判断，表4.2.2-1表示了焊缝不同颜色时氩气的保护情况及对焊缝质量的影响。氩气的保护情况及对焊缝质量的影响焊缝表面颜色氩气保护情况焊缝质量银白色良好良好金黄色尚好对焊缝质量没有影响蓝色一般焊缝表面氧化，焊缝区表面塑性稍有下降，但不影响焊接质量青紫色较差焊缝氧化严重，塑性显著降低暗灰色极差焊缝完全氧化，焊接区完脆化，易产生裂缝，气孔，渣等缺陷表4.2.2-1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，表面形成一层氧化膜，不同温度下所形成的氧化膜颜色时不同的。一般要求焊后表面最好为银白色，其次为金黄色。4.2.3气体保护由于TC2钛合金对空气中的氧、氮、碳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。采用钨极氩弧焊焊接钛和钛合金的保护措施及其适用范围见表4.2.3-1。焊缝的保护效果除了和氩气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、接头形式等因素有关外，决定因素是焊炬、喷嘴的结构形式和尺寸。钛的导热系数小，焊接熔池尺寸大，因此，喷嘴的孔径也应相应增大，以扩大保护区的面积。如果喷嘴的结构不合理时，则会出现絮流和挺度不大的层流，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，可采用增大焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或焊缝背面设置空冷或水冷铜压板。对已脱离喷嘴保护区，但仍在350以上的焊缝热影响区表面，仍需继续进行保护，通常采用通有氩气流的拖罩，拖罩的长度为100180mm，宽度3040mm具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等条件决定，但要使温度处于350以上的焊缝及热影响区的金属得充分的保护。拖罩外壳的四角应圆滑过渡，要尽量减少死角，同时焊件应与焊件表面保持一定的距离。焊接长焊缝，当焊接电流大于200A时，在拖罩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。钛和钛合金薄板手工钨极氩弧焊用拖罩通常与焊炬连接为一体，并与焊炬同时移动。钛和钛合金焊接中背面也需要加强保护，通常采用在局部密闭气枪内或整个焊接内充氩气，以及在焊缝背面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，氩气从焊件背面的紫铜垫板出气孔流出（孔径1mm，孔距1520mm），并短暂的贮存在垫板的小槽内，以保护焊缝背面不受有害气体的侵害。钨极氩弧焊焊接钛和钛合金的保护措施类别保护位置保护措施用途及特点局部保护熔池及其周围采用保护效果好的圆柱形或椭圆形喷嘴，相应增加氩气流量适用于焊缝形状规则、结构简单的焊件，操作方便，灵活性大温度400的焊缝及热影响区 附加保护罩或双层喷嘴； 焊缝两侧吹氩； 适应焊件形状的各种限制氩气流动的挡板温度400的焊缝背面及热影响区 通氩气的垫板或焊件内腔充氩； 局部通氩； 紧靠金属板充氩箱保护整个工件 柔性箱体（尼龙薄膜、橡胶等）采用不抽真空多次充氩的方法提高箱体内的氩气纯度，但焊接时仍需喷嘴保护； 刚性箱体或柔性箱体附加刚性罩，采用抽真空（10-210-4）再充氩的方法适用于结构形状复杂的 焊件，焊接可达性较差增强冷却焊缝及热影响区 冷却块（通水或不通水）； 用适用焊件形状的工装导热； 减小热输入配合其他保护措施以增强保护效果表4.2.3-1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贮存。对于板厚在4mm以内的钛板，其焊接垫