钛合金焊接通用知识

钛及钛合金 1 物理化学性能 良好的耐腐蚀性能 常温表面形成致密氧化膜 优于不锈钢 10 倍 在还原性介质中稍差 经氮化 处理后增强 比强度大 工业用量最大的是 TC4 其次是工业纯钛和 TA7 纯钛抗拉强度 350 700Mpa 伸长率 20 30 冷弯角 80 130 具有良好的低温性能 线膨胀系数和 热导率小 利于焊接 钛合金中合金元素分类 相 稳定元素 中性元素 置换式置换式 Al 6 或 10 V Cr Co Cu Fe Mn Ni W Mo Pa Ta 间隙式间隙式 O 0 2 N 0 05 C 0 1 H 0 015 Sn Zr Hf 说明 稳定元素 提高 相的 稳定性 扩大 相区范围 提高同素异构体转变温度 有实用价值的只有 Al 起 到强化 钛的作用 是最 重要的合金元素 超过 10 时会形成 Ti3Al 化合物 而变脆 O N C3 元素间隙固溶与钛 使其晶格畸变 变形抗力 增加 强度 硬度和耐磨 性增加 但塑性会严重降 低 要限制其含量 牌号 差别在于间隙元素 特别 是 O 含量不同 提高 相稳定性 扩大 相区范围 降低同素异 构转变温度 大量 稳定元素加入 可使 相一 致稳定到室温以下 此外 还影响钛合金相变速度 V Mo 与 无限固溶 与 有限固溶 Cr Cu Fe Mn 能缓慢的与钛发生共析反应生成化 合物 Cu Fe Si 能与钛发生共析反应生成脆性化合物 应限制其含量 H 在共析转变温度 325 以上时 溶解度随温度 降低而急剧下降 常温时仅为 0 00009 质量 分数 过剩的 H 以片状或针状 TiH2 析出 缓慢 冷却时 TiH2 沉淀在 相及晶界上 引起缺口 敏感性增加 低速变形条件下 钛氢脆敏感性更 大 而 钛比 钛溶解氢能力大得多 固 钛 合金氢脆敏感性小 对同素异构转变 温度影响不大 他们在钛中都有 很大的溶解度 对钛起强化作用 工业纯钛在化学工业得到广泛应用 w Pd 0 2 的钛 0 2Pd 合金抗间隙腐蚀能力比工业纯钛好 TA7 美国称 ELI 级 具有良好的超低温性能 ONH 等间隙元素含量很低 可用于液氢 液氦贮箱 和其他超低温构件 钛合金分为 相 牌号分别为 TA TB TC 型钛合金不能热处理强化 可进行退火消除残余应力 型钛合金可热处理强化 代表合金 TC4 淬火 时效处理比退火状态抗拉强度提高 180Mpa 综合 性能良好 广泛应用于航空航天工业 缺点是淬透性较差 不超过 25mm 为此发展了高淬透性和强度略 高的 TC10 TB2 钛合金是近年研制的高强钛合金 属于亚稳 合金 强度高 冷成形性好 焊接性尚可 Ti 33Mo 属于稳定 合金 耐腐蚀非常好 常用钛及钛合金室温力学性能见表 13 3 2 钛及钛合金的焊接性 2 1 间隙元素玷污引起脆化 钛是一种活性金属 常温下与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性 540 以上生成的氧化膜不致密 300 以上快速吸氢 600 以上快速吸氧 700 以上快速吸氮 在空气中容易进行 必须对其焊缝及热影响区进行保护 焊接过程中 要求对其 400 以上区域进行保护 O 和 N 间隙固溶于钛 变形抗力增加 强度和硬度增加 塑性和韧性下降 H 含量增加 焊缝金属冲击韧度急剧降低 而塑性下降较少 氢化物引起脆性 C 间隙固溶于 型钛合金中 强度提高 塑性下降 超过溶解度时生成硬而脆的 TiC 呈网状分布 易于引起裂纹 焊前应注意清理工件及焊丝上的油污 2 2 焊接相变引起的性能变化 由于钛熔点高 比热及热到系数小 冷却速度慢 焊接热影响区在高温下停留时间长 使高温 晶 粒极易过热粗化 接头塑性降低 2 2 1 型钛合金 工业纯钛 TA7 和耐蚀合金 Ti 0 2Pd 合金焊缝和热影响区是锯齿状 和针状 组织 焊接性能良好 接头强度系数接近 100 塑性稍差 原因为 焊缝为铸造组织 比轧制状态塑性低 粗晶 焊接时若加快冷却 易产生针状 组织 对接头 塑性不利 冷速以 10 200 s 较好 太慢过热 太快易产生针状 组织 2 2 2 型钛合金 TC1 TC4 TC10 三种 室温平衡组织为 TC1 合金退火状态下 相少 焊接性能良好 冷却速度以 12 150 s 较好 TC4 合金以 相为主 加热到 转变温度 996 14 以上快冷时 为钛过饱和针状马氏体 晶粒粗大的原始 相晶界清晰可见 焊接接头塑性 特别是断面收缩率较低 但断裂韧性较高 可提高 20 TC4 合金可淬火状态下焊接 焊后时效 退火状态下焊接时接头强度系数可达 100 塑性约为母 材的一半 焊接时合适的冷却速度 2 40 s 可以采用较大的热输入 不宜采用太小的热输入 TC10 合金元素含量较高 焊接性较差 12mm 合金焊接时会出现热影响区裂纹 预热 250 可预防 裂纹并能提高接头塑性 2 2 3 型钛合金 分为亚稳和稳定两种 亚稳是 相 TB2 加入极少量 相 焊后热处理析出 相 容易引起脆性 TB2 合金抗拉强度可达 1320Mpa 焊后进行 520 580 8h 时效处理 接头强度可达 1180Mpa 伸长率可 达 7 而经 500 8h 620 0 5h 时效处理 接头强度可达 1080Mpa 伸长率可达 13 Ti 33Mo 合金组织为稳定 相 耐腐蚀钛合金 焊接时无相变 焊接性良好 2 3 裂纹 S P C 等杂质很少 低熔点共晶很难在晶界出现 有效结晶温度区间窄 加之焊缝凝固时收缩量 小 因此很少出现焊接热裂纹 但当焊丝有裂纹 夹层等缺陷 含有大量有害杂质时可能出现热裂纹 保护不良或 型钛合金中含 稳定元素较多时会出现热应力裂纹和冷裂纹 加强焊接保护 防止 有害杂质玷污和焊前预热 焊后缓冷可以减少甚至消除热应力裂纹和冷裂纹 钛合金焊接时 热影响区可能出现延迟裂纹 这是由于焊接时熔池和低温区母材中的氢向热影响区 扩散 引起热影响区氢含量增加 生成氢化钛 加上不利的应力状态引起的 应降低焊接接头氢含量 选用氢含量低的材料 包括焊丝 母材 氩气 注意焊前清理 焊后进行真空去氢处理 及时消除残余 应力 薄壁 型钛合金用工业纯钛做填充材料时不会出现氢化钛 厚板 型钛合金多层焊时 若用工 业纯钛做填充材料可能出现氢化钛并引起氢脆 2 4 气孔 焊接热输入量大时 气孔位于熔合线附近 热输入量小时 气孔位于焊缝中部 气孔能使疲劳强度降低一半甚至 3 4 一般情况下 氢不是气孔主要来源 焊丝和坡口表面清洁度是影响气孔最主要因素 如拉丝时表面 润滑剂 磨粒 增塑剂 粗糙端面等 去掉毛刺和减少表面粗糙度可以大大减少气孔 熔池停留时间增加使气泡浮出 周围气体扩散促使气泡长大 3 焊接材料和工艺 3 1 焊接材料 一般填充金属与母材标称成分相同 为改善接头韧性 塑性 有时采用强度低于母材的填充材料 如用 TA1TA2 焊接 TA7 和厚度不大的 TC4 用 TC3 焊 TC4 填充金属的间隙元素含量要低于母材一半 如 w O 0 12 w N 0 03 w H 0 006 w C 0 04 填充丝直径 1 3 保护气 以及纯氩 99 99 露点低于 60 用环氧基或乙烯基塑料软管输送保护气 增加熔深可用 氦气 3 2 焊前清理 除油 3 氢氟酸 35 硝酸水溶液 低于 40 防止增氢 或机械磨光 刮削待焊表面用无水乙醇清洗 除氧化皮 不锈钢丝 锉刀 喷丸 蒸汽喷沙 磨削 用碳化硅砂轮 3 3 钨极氩弧焊 喷嘴直径 16 18 厚度大于 1mm 的焊件用托罩 宽 25 60mm 长 40 100mm 分布管靠近进气一侧钻有直径 0 8 1mm 小孔 孔距 10mm 经不锈钢网或多孔板 厚 0 8 1mm 孔径 1mm 距离 8 10mm 进入保护区 自动焊 托罩长 60 200mm 距焊件距离 10 20mm 自动焊时加冷却水 注意保护焊缝背面 钛及合金密度小 熔池表面张力大 焊漏可能性比钢小 只要保护良好 容易获得 良好的背面成形 为加强冷却 自动焊背面垫板采用纯铜板 凹槽深 2mm 宽 3 8mm 槽下有通气孔 孔径 1 0mm 孔距 10mm 通氩气 真空充氩舱 刚性采用不锈钢制造 柔性采用薄橡胶 透明塑料制造 抽真空 1 3 13Pa 充氩气或氩 氦混合气焊接 自动氩弧焊焊接钛合金参数 氩气流量 母材厚度 焊丝直 径 钨极 直径 电流强度 电弧电 压 焊接速度 送丝速 度正面背面托罩 0 5 1 520 40 0 8 1 545 55 1 0 1 550 65 8 10 0 2 0 58 122 410 15 1 5 290 12010 120 15 0 4 10 153 612 18 1 01 0 1 61 570 80 1 21 61 580 100 8 122 410 15 1 51 62 090 120 0 25 0 5 2 01 6 2 02 5150 190 0 2 0 45 0 25 0 6 2 51 6 2 03 0180 250 10 14 0 15 0 40 3 0 75 10 153 612 18 手工氩弧焊焊焊接钛合金参数 氩气流量 母材厚度焊丝直径钨极直径电流电压 正面背面托罩 0 414 20 0 518 25 0 6 1 1 5 20 25 0 825 40 1 035 45 8 1311 15 1 550 80 2 060 90 2 590 100 3 0 1 6 1 5 110 140 10 1510 15 4 6 3 4 熔化极氩弧焊 热功率较大 用于中厚度产品焊接 可减少焊接层数 提高焊接速度和生产率 降低成本 气孔比 钨极氩弧焊也少 飞溅较多 影响成形和保护 短路过渡用于薄板 喷射过渡适用于厚件 焊接破口角 度较大 厚 15 25mm 一般选用 90 度单面 v 形坡口或不开坡口 留 1 2mm 间隙两面各焊一道 托罩须加 强 3 5 等离子弧焊接 能量集中 单面焊双面成形 弧长变化对熔透程度影响小 无钨夹杂 气孔少和接头性能好等优点 适于钛合金焊接 小孔型一次焊透 2 5 15mm 钛材 熔透型 3mmm 以上需开坡口 背面沟槽尺寸宽深各 20 30mm 背面保护气流量也要增加 15mm 以上钛材开 V 形或 U 形坡口 钝 边取 6 8mm 用小孔型等离子弧封底 然后再用其他方法填满坡口 TC4 TC3 焊丝 接头塑性可达 70 等离子弧焊接典型工艺参数 氩气流量 L min 厚度喷嘴孔径电流强度电弧电压焊接速度送丝速度焊丝直径 离子气保护气托罩背面 0 20 857 50 25102 0 40 867 50 25102 11 53518120 512152 33 51502423601 5415206 63 51603018681 57202515 83 51723018721 57202515 103 5250259461 57202515 3 6 真空电子束焊 优点 冶金质量好 焊缝窄 深宽比大 焊缝角变形小 焊缝及热影响区晶粒细 接头性能好 焊 缝和热影响区保护好 焊厚件时效率高 缺点 焊缝向母材过渡不平滑 容易出现气孔 结构尺寸受真空室限制 焊前认真清理 多用酸洗和机械加工 采用 2 道焊改善表面成形 第一道高功率密度深熔焊 第二 道低功率密度修饰焊 可提高接头疲劳性能