钛及钛合金焊接(压力容器焊工培训)

钛及钛合金的焊接----压力容器焊工培训教材钛及钛合金的焊接第一节钛及钛合金一、概述钛是一种银白色的有色金属,其主要物理性能到于表1.钛及钛合金的特点是具有较高的比重的强度,良好的塑性,韧性和较高的耐蚀性,尤其是对碱介质,氯化物,硫化物,硝酸化合物,强腐蚀性气体(氯气、亚硫酸气、硫酸氢)等，具有很高耐蚀性（年腐蚀率在0.13mm以下）,因此广泛应用于研究航天工业,化学工业,也用于制造船舶与海洋工程及火电,核电设备中的海水淡化装置及热交换器等.表1钛与奥氏体不锈钢的物理性能原子量密度(g/cm3)熔点(℃)比热容20(℃)j/kg*k热导率20℃j/m*s*k电阻率20℃μΩ*cm热膨胀系数20℃*10-6/k弹性模量Mpa钛(Ti)47.94.5166852216428.4117*103不锈钢7.8-8.01400-1427460-50018.7-22.868-10217.0-19.2193-200*103二、钛及钛合金分类钛材分为工业纯钛和含有稳定化元素的钛合金二大类。工业纯钛根据其杂质(主要是氧和铁)含量,以及由此而引起的强度差别分为TA0、TA1、TA2、TA3等牌号.它具有良好的耐蚀性、塑性、韧性、和焊接性,主要用作化学工业的耐蚀结构材料。钛合金按所含稳定化元素形成不同的固熔相,又可分为α型钛合金α＋β型钛合金和β型钛合金。α型钛合金主要通过加入铝（Al）,有的再加入中性元素锰(Sn)等进行固溶强化而形成，例如牌号为TA7（Ti-5Al-2.5Sn）钛合金。α型钛合金的强度比工业纯钛高，具有良好的耐蚀性和焊接性能。α＋β型钛合金的组织，是以α型钛为与β型钛为基的两相固溶体组织结构。它的特点是可通过热处理强化而得到高强度，因此，其力学性能可以在较宽的范围内变化，以适应不同的用途。但是，随着其中的β相比例的提高，使焊接性能变差。β型钛合金含有较高的β相稳定化元素，在一般的工艺条件下，其组织几乎全为β相，通过时效热处理，β型钛合金强度增高。单一β相的β型钛合金，具有良好的加工硬化特性，常用作弹簧，销钉等物件，其缺点是低温脆性大，焊接性能差。三、压力容器用钛及钛合金材料1、钛制焊接压力容器对钛材的要求钛制焊接压力容器，由于其使用制造和检验要求，因此，对用于钛制焊接压力容器的钛及钛合金材料，有它特殊的要求，主要有下列三方面：⑴制造容器用钛及钛合金材料应当具有良好的耐蚀性能、力学性能、焊接性能、成形性能及其他工艺性能。⑵符合钛及钛合金材料相应的国家标准或行业标准规定的技术要求。⑶所有压力容器用钛及钛合金材料均应是退火状态供货。2、钛及钛合金材料牌号及化学成份在国家标准GB/T3620.1《钛及钛合金牌号和化学成份》中,规定了钛及钛合金品种牌号及其化学成份。在钛制焊接容器中,所用钛及钛合金材料牌号为TA0、TA1、TA2、TA3、TA9、TA10等，它们的化学成份列于表2：3、钛及钛合金板材钛及钛合金板材化学成份应符合表2的规定,钛及钛合金板材的室温力学性能列于表3：表2压力容器钛及钛合金牌号和化学成份(GB3620.1)含金牌号化学成份组化学成份（%）主要成份杂质,不大于TiMoPbNiFeCNHO其它元素单一总和TA0工业纯钛余量------0.150.100.030.0150.150.10.4TA1工业纯钛余量------0.250.100.030.0150.200.10.4TA2工业纯钛余量------0.300.100.050.0150.250.10.4TA3工业纯钛余量------0.400.100.050.0150.300.10.4TA9Ti-0.2Pb余量--0.12-0.25--0.250.100.030.0150.200.10.4TA10Ti-0.3Mo-0.8Ni余量0.20.4---0.60.90.300.080.030.0150.250.10.4表3钛及钛合金板材室温力学性能牌号状态板材厚度mm室温力学性能不小于抗拉强度规定残余伸长应力伸长率%N/mm2TA0M0.3-2.02.1-5.05.1-10.0280-420170453030TA1M0.3-2.02.1-5.05.1-10.0370-530250453030TA2M0.3-2.01.1-2.02.1-5.0,5.1-10.010.1-25.0440-6203203530252520TA3M0.3-1.01.1-2.02.1-5.05.1-10.0540-72041030252020TA9M0.8-2.02.1-5.05.1-10.0370-530250302525TA10M2.0-5.05.1-10.04853452015压力容器用钛及钛合金板材的供货状态应该是退火状态(M).板材表面应光洁,呈金属本色,板材表面不允许有裂纹、起皮、氧化皮、压折、金属与非金属夹杂等宏观缺陷。4、钛及钛合金管材钛及钛合金管材的化学成份应符合表2的规定。钛及钛合金管材室温力学性能列于表4。表4钛及钛合金管材室温力学性能压力容器用钛及钛合金管材的供货状态应是退火状态(M)。管材内外表面应清洁,不应有裂纹、折迭、起皮、针孔等肉眼可见的缺陷，管材表面允许有局部不超出外经和壁厚允许偏差的划伤、凹坑、凸点和矫直痕迹。第二节钛及钛合金的焊接性一、焊接接头易被杂质污染钛是一种化学性质非常活泼的金属，易受氧化而生成氧化钛。由于其表面氧化形成致密的氧化膜，使钛在常温下很稳定，但是在高温下，钛则有强烈的吸氢、氧、氮的能力。空气中的钛金属在250℃时开始吸氢，500℃时开始吸氧，600℃开始吸氮，随着温度升高，钛吸收气体的能力更强。牌号状态抗拉强度MPa规定残余伸长应力MPa伸长率%TA0退货状态(M)280-420≥170≥24TA1370-530≥250≥20TA2440-620≥320≥18TA9370-530≥250≥20TA10≥440----≥18钛中的氧和氮虽然也属于α稳定化元素，但在钛合金中作为有害杂质元素是严格限制其含量的。当它们的含量较少时，都作为间隙元素，固熔在钛中，使钛的强度、硬度提高，而塑性下降（见图1和图2）。氮的作用比氧更强。图1氧对钛力学的学性能的影响图2氮对钛力学性能的影响高温时，氢在钛材中的固熔量（溶解度）比较高，而在室温的固熔量则非常低，所以在温度下降至室温的过程中，将以氢化物（TiH2）的形式折出，使钛材的塑性，特别是冲击韧性急剧下降而变成氢脆（见图3）。碳在钛材中的作用类似于氧、氮，但不及于氧、氮的作用强烈（见图4）。图3不同含量对钛冲击韧性的影响图4碳对钛力学性能曲线1-0.001%H;曲线2-0.008H%曲线3-0.018%H;曲线4-0.04%H钛及钛合金焊接时，如果发生氧、氮、氢、碳、等杂质的污染，将严重影响焊接接头的力学性能。为避免空气及周围环境中的氧、氮、氢、碳等杂质对焊接接头的污染，钛及钛合金焊接时要求应有洁净的环境，要求对焊接区及温度高于400℃的部位进行保护，要求对接头坡口及其周围、焊丝等进行焊前清理。二、焊缝中气孔钛在高温下吸收空气中及周围环境中氧、氮、氢的能力很强(溶解度高),随着温度的降低,这些元素在钛中溶解度降低,如果在焊接熔池冷却凝固过程中凝聚的气体来不及从熔池中逸出,则在焊缝中形成气孔。钛和钛合金焊接时产生气孔的因素及防止措施见下表表5钛焊接时气孔产生的因素及防止措施产生气孔的因素防止措施1母材焊丝的含气量高1要求母材,焊丝的含气量符合标准要求2焊丝进行700-850℃,1小时,10-3-10-4pa真空退火脱气2氩气纯度底使用纯度≥99.99%的氩气3坡口其周围污染焊前彻底清理4焊接表面粗糙及表面污染1使用表面粗糙度小的焊丝2清理焊丝表面5焊接工艺不正确1可适当增大焊接线能量,采用低焊速,慢速送丝,薄焊层2改善对焊接区的保护三、焊接接头裂纹钛及钛合金的高温强度大、塑性好、凝固收缩量少，而且钛的结晶温度区间小,晶界上的低熔点共晶体较少,所以一般不会产生热裂纹.。钛及钛合金的焊接，有时会产生冷裂纹。冷裂纹可以是焊接后立即产生,也可以是否延迟一段时间后产生。产生冷裂纹的主要因素,是由于氢从固溶体中折出形成TiH2(氢化钛),使金属脆化,再加上焊接残余应力的作用,便产生了冷裂纹。防止钛焊接出现冷裂纹的方法.就是采取措施降低焊缝金属中的有害杂质,尤其是氢的含量,再就是对有些钛合金可以通过予热和焊后立即消除应力热处理来防止冷裂纹。四、焊接热循环对接头组织和性能的影响钛及钛合金的焊缝金属和焊接热影响区在焊接热循环的作用下发生相变，引起组织变化，也使得焊接接头的性能发生变化。1、工业纯钛与α型钛合金，其焊缝金属和近缝热影响区在焊接后快速冷却时，会出现α′的钛马氏体，在显微镜下，呈现为针状组织，由于程度微弱，所以焊接接头仍有较好的塑性和韧性。2、α+β型钛合金，随着β稳定化元素量的增大，发生马氏体相变主义的温度也降低（相变温度区间小）使形成的马氏体也越细小，使焊接接头的强度增高而塑性、韧性下降。冷却速度越大，将加剧这种趋势。所以，对β稳定化元素含量较高的α+β型钛合金，宜采用较大线能量的规范进行焊接。α+β型钛合金的焊接接头的塑性和韧性往往低于母材。为改善α+β型钛合金焊接接头的塑性和韧性，可采用如下两种方法：①采用纯钛焊丝或合金元素含量及杂质含量较母材低的焊丝进行焊接；②进行合适的焊后热处理；3、β型钛合金，它受焊接热循环的影响不如α+β型钛合金那么显著，即使在较高的冷却速度下，焊缝金属和热影响区都为β相组织。焊态的焊接接头塑性好，但强度不很高。通常通过时效热处理来提高接头的强度。第二节钛及钛合金焊接工艺一、钛及钛合金焊接工艺要点由于钛及钛合金的焊接特点，钛及钛合金的焊接应重点注意以下各方面：1、焊接的环境⑴钛和钢等许多金属不能熔焊，因此，钛及钛合金焊接时严禁混合钢铁和其他金属，若在有钢材作业的车间内，应分设独立的、封闭的钛焊接区域（独立区域）。⑵钛及钛合金应在空气洁净、无尘的环境下进行焊接（洁净环境）。⑶下列任一情况禁止施焊（JB/T4745）a.风速≥1.5m/sb.空气中相对湿度＞80%c.焊件温度低于5℃d.无防雨,防雪措施的室外作业(在有雨雪时)2、焊接清理⑴钛及钛合金焊件,应用于无油污,杂物污染。⑵焊接坡口及两侧至少25mm范围内,焊前除去氧化膜,并用丙酮或乙醇脱脂。⑶清洗过的焊件应在4小时内进行焊接。逾期未焊,则须重新清修理。3、焊丝选用⑴选用的焊丝应符合规范,标准的要求,不得从母材上截条充当焊丝。⑵选用的焊丝应能使焊后状态下的焊缝抗拉强度不得低于退火状态下母材标准规定值的下限,塑性和耐蚀性不得低于母材或与母材相当。⑶焊丝的焊接性能良好,能满足钛容器的制造和使用要求。⑷焊丝中的氮、氢、氧、碳、铁等杂质元素的标准含量应低于母材标准含量值的上线。⑸焊丝应保持清洁、干燥;焊前进行清洗(除氧化膜、脱脂)。4、焊接过程中的保护⑴为了防止杂质对于焊接区的污染,必须对焊接区温度高于400℃的部位,加以惰性气体保护,以隔绝空气。⑵通常采用尾随拖罩加背面保护板的方法对焊接区进行保护。拖罩及背面保护板的形状，大小根据工件确定，其结构如图5和图6所示。图5拖罩示意图图6背面保护板示意图⑶焊接区的正面保护和背面保护使用与焊接保护气体相同的高纯度的惰性气体，保护气体流量一般要比焊枪中保护气体流量大。二、钛及钛合金主要焊接工艺方法由于钛及钛合金的冶金化学性质和他们的焊接特点，工业生产中的熔化焊工艺主要采用钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、惰性气体保护的等离子弧焊，精密机械零部件也使用电子束焊、激光焊等。这些焊接方法特点如下：表6钛材主要焊接方法及其特点焊接方法特点钨极氩弧焊（T1G焊）1熔深浅，焊道平滑2可用于薄板及厚板焊接，厚度3mm上用多层焊3适用手工和自动焊4手工钨极氩弧焊操作灵活，适用于返修焊接熔化极氩弧焊（M1G焊）1熔深大，熔敷量大，焊接效率高2焊接飞溅较大3适合来自动和自动焊接4焊缝外形比T1G焊差等离子弧焊1熔深大，厚10mm板可一次焊成2容易产生咬边缺陷3手工操作困难电子束焊接1熔深大，污染少，焊缝窄，热影区还小，变