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α稳定元素β中性元素置换式置换式SnZrHfAl(6%或10%)VCrCoCuFeMnNiWMoPaTa间隙式间隙式O(0.2%)N(0.05)C(0.1)H(0.015%)说明Α稳定元素，提高α相的稳定性，扩大α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α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；ONC3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β相稳定性，扩大β相区范围，降低同素异构转变温度，大量β稳定元素加入，可使β相一致稳定到室温以下。此外，还影响钛合金相变速度，VMo与β无限固溶，与α有限固溶；CrCuFeMn能缓慢的与钛发生共析反应生成化合物；CuFeSi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α相及晶界上，引起缺口敏感性增加，低速变形条件下α钛氢脆敏感性更大，而β钛比α钛溶解氢能力大得多，固α+β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α、β、α+β相，牌号分别为TA、TB、TC。α型钛合金不能热处理强化，可进行退火消除残余应力；α+β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β合金，强度高、冷成形性好、焊接性尚可。Ti-33Mo属于稳定β合金，耐腐蚀非常好。常用钛及钛合金室温力学性能见表13-32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α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β晶粒极易过热粗化，接头塑性降低。2.2.1α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α和针状α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α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α组织。2.2.2α+β型钛合金TC1、TC4、TC10三种，室温平衡组织为α+β。TC1合金退火状态下β相少，焊接性能良好，冷却速度以12-150℃/s较好；TC4合金以α相为主，加热到β转变温度996±14℃以上快冷时β-α’，α’为钛过饱和针状马氏体，晶粒粗大的原始β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。2.2.3β型钛合金分为亚稳和稳定两种，亚稳是β相（TB2）加入极少量α相，焊后热处理析出α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β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α+β型钛合金中含β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α+β型钛合金用工业纯钛做填充材料时不会出现氢化钛，厚板α+β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氩气流量正面背面托罩0.5——1.520-408-10——0.8——1.545-550.2-0.58-122-410-151.0——1.550-651.5——290-12010-120.15-0.410-153-612-181.01.0-1.61.570-8010-140.2-0.450.25-0.58-122-410-151.21.61.580-1001.51.62.090-12010-153-612-182.01.6-2.02.5150-1900.25-0.62.51.6-2.03.0180-2500.15-0.40.3-0.75手工氩弧焊焊焊接钛合金参数母材厚度焊丝直径钨极直径电流电压氩气流量正面背面托罩0.41.61-1.514-208-1311-154-6——0.518-250.620-250.81.525-401.035-451.550-8010-1510-152.060-902.590-1003.0110-1403.4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氩气流量L/min离子气保护气托罩背面0.20.857.50.251020.40.867.50.2510211.53518120.51215233.51502423601.541520663.51603018681.5720251583.51723018721.57202515103.5250259461.572025153.6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。电子束摆动可改善焊缝成形、细化晶粒和减少气孔，接头性能也随之提高。有时加背面垫板，预防未焊透或成型不良。钛材真空电子束焊工艺参数材料厚度mm加速电压kv焊接束流mA焊接速度m·min113502.1218.5901.93.220950.85281702.516302601.525403501.350454500.73.7激光焊3.8闪光焊3.9高频焊3.10摩擦焊3.11扩散焊3.12扩散钎焊3.13电阻点缝焊4焊缝缺陷及补焊工艺