鈦材焊接 - 影響鈦材焊接質(zhì)量的因素
時(shí)間:2021-06-02 點(diǎn)擊次數:
焊接是臺設備制造過(guò)程中一項重要工藝。焊接方法很多,要根據鈦設備或構件的設計構造和具體應用條件來(lái)選擇適宜的焊接方法。
選擇焊接方法所遵循的原則是保證焊接接頭的質(zhì)量、生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便、成本較低等。其中保證焊縫質(zhì)量應該放在第一位。只有充分認識到影響焊接質(zhì)量的方方面面因素,才能達到保證焊接接頭質(zhì)量的目的。
氣體雜質(zhì)對焊縫金屬性能的影響
鈦具有很高的化學(xué)活潑性,與空氣中的氧、氮有極高的親和力。在較低溫度下,鈦與氧相互作用生成一層致密的氧化膜,隨著(zhù)溫度升高,氧化膜的厚度隨之增厚,超過(guò)600攝氏度后,鈦開(kāi)始吸收氧并使氧溶解到鈦中。溫度再升高,鈦的活性就急劇增加,并與氧發(fā)生激烈反應而生成鈦的氧化物。鈦在300°C以上開(kāi)始吸氫,在700°C以上開(kāi)始吸收氮。氧和氮對鈦污染的結果是使鈦強度和硬度增高,而塑性降低。氧比氮的影響程度更大。
鈦中氫的質(zhì)量分數為0.01%~0.05%時(shí),會(huì )使焊縫金屬的沖擊韌性急劇下降,而塑性卻下降較少。這說(shuō)明是氫化物引起的脆性(氫脆)。氫也是引發(fā)焊縫產(chǎn)生氣孔的根源。
熔化焊焊接過(guò)程中,熔池像一個(gè)小的冶金爐,熔融金屬暴露在大氣中。如果不采取相應的防護措施使熔融的金屬與空氣隔絕,則氧、氮、氫等氣體元素會(huì )融入鈦中,形成脆性氧化物或氮化物,致使焊縫金屬塑性降低,拉伸強度提高,嚴重的情況下將發(fā)生脆斷,塑性等于0。
其他雜質(zhì)對焊縫金屬性能的影響
其他雜質(zhì)指的是除去氣體雜質(zhì)外可能融入熔池的雜質(zhì)。其來(lái)源可能是焊接操作環(huán)境不清潔,焊工戴臟手套觸摸焊接件遺留下油污、焊接前用棉紗擦洗接頭可能留下棉絮、焊接生產(chǎn)環(huán)境與鋼鐵焊接產(chǎn)生混合可能產(chǎn)生的鐵銹、水分和其他一些有機物等。這些污染物在電弧高溫作用下分解出氧、氫、氮、碳等元素,然后溶于溶觸的鈦中。當這些元素的量超過(guò)在鈦中的溶解度時(shí),便形成相應的化合物,如二氧化鈦,氫化鈦,氮化鈦,碳化鈦等。這些化合物隨著(zhù)熔池結晶而進(jìn)入鈦的晶格中,導致畸變外區,從而改變鈦的力學(xué)性能。
有些微量元素少量融入鈦中,如果量不超過(guò)允許的范圍還是可以的,有時(shí)也是人們希望的。但超量的雜質(zhì)元素含量是不允許的,特別是有機物雜質(zhì),有百害而無(wú)一利,這是因為這些雜質(zhì)元素使得鈦焊縫的力學(xué)性能變差,減低耐腐蝕特性外,還是寒風(fēng)中產(chǎn)生氣孔的根源。
焊縫金屬和接頭熱影響區的組織變化
鈦是有同素異形體轉變的金屬。在886°C時(shí)開(kāi)始發(fā)生組織的固態(tài)轉變。886°C一下晶體結構為密排六方結構,成為α鈦;高于886°C時(shí)α結構的鈦轉變?yōu)轶w心立方結構的β鈦。這個(gè)轉變過(guò)程是在熔池由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的瞬間完成的。而這個(gè)瞬間長(cháng)短差異對熔池的結晶形式有影響,瞬間越長(cháng)越有利于柱狀晶生長(cháng)。由于鈦具有熔點(diǎn)高(1668°C)、熱容量大和導熱性能差等特性,所以焊接時(shí)焊縫收到焊接線(xiàn)能量大小和焊縫強制冷卻的好壞影響,寒風(fēng)處于高溫下滯留的瞬間就有差異。瞬間稍長(cháng)給熔池結晶柱狀晶長(cháng)大和接頭熱影響區加寬提供了條件。這也是焊接接頭塑性下降的主要原因之一。接頭的拉伸強度端口往往發(fā)生在焊縫熱影響區。為了降低這一不良影響,鈦焊接時(shí)盡量采用較軟的焊接規范,即用較小的焊接線(xiàn)能量和較快的冷卻速度。
氣孔是鈦焊縫中常見(jiàn)和較難避免的缺陷
氣孔是鈦材焊接中常見(jiàn)的工藝缺陷。氣孔生成的機制是:焊接過(guò)程中融入液態(tài)金屬的氣體經(jīng)過(guò)擴散、脫溶、成核、長(cháng)大等過(guò)程而形成氣泡。由于熔池的凝固結晶速度很快,長(cháng)大的氣泡來(lái)不及逸出液態(tài)金屬時(shí)就以氣孔的形式殘留在固態(tài)金屬中。釀成氣孔的氫氣和一氧化碳等氣體主要由有機物的污染物晶電弧熱作用產(chǎn)生的。有時(shí)焊接前對焊件和焊材做了充分清潔、清洗、清漆保護的效果也理想,但寒風(fēng)中仍然有氣孔。這說(shuō)明了起重要作用的污染源沒(méi)有徹底清除。實(shí)踐證明,有一個(gè)重要的氣源往往被忽略,那就是空氣中的水分。一個(gè)對比實(shí)驗證明了這一點(diǎn)。在兩種不通空氣濕度的環(huán)境中焊接:一種情況是在陰雨天氣環(huán)境中,相對濕度在90%以上焊接,另一種是在陽(yáng)光明媚晴朗天氣環(huán)境中,濕度小于40%焊接。其他的焊前清潔、清洗及焊接操作等完全相同。陰雨天空氣濕度較大時(shí)鈦焊縫中存在的氣孔既多又大,而空氣濕度較小的情況下的焊縫中沒(méi)有見(jiàn)到氣孔。這也充分說(shuō)明了氣孔產(chǎn)生和空氣濕度大小是有重要關(guān)聯(lián)的。