钛合金的焊接要领是什么,钛棒的焊接方法

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2022-11-22 20:42:35 0 评论 77 阅读

前言用于焊接钛的技术和设备类似于其他高性能材料，如不锈钢或镍基合金。然而，钛要比这些材料更注重清洁和使用辅助惰性气体保护。熔化的钛金属焊接金属必须完全避免受到空气污染。此外，热热受热区和钛焊缝根部必须被屏蔽，直到温度降至427°C以下。
钛能与空气、湿气、油脂、污垢、耐火材料以及其他大多数金属形成易碎的化合物。同样地，将钛焊接到大多数不同的金属上是不可行的，因为钛与大多数其他金属形成了易碎的化合物;然而，钛可以被焊接到锆、钽和镍钛上。
随着温度的增高钛金属的化学活性强，活性将迅速

前言

用于焊接钛的技术和设备类似于其他高性能材料，如不锈钢或镍基合金。然而，钛要比这些材料更注重清洁和使用辅助惰性气体保护。熔化的钛金属焊接金属必须完全避免受到空气污染。此外，热热受热区和钛焊缝根部必须被屏蔽，直到温度降至427°C以下。

钛能与空气、湿气、油脂、污垢、耐火材料以及其他大多数金属形成易碎的化合物。同样地，将钛焊接到大多数不同的金属上是不可行的，因为钛与大多数其他金属形成了易碎的化合物;然而，钛可以被焊接到锆、钽和镍钛上。

随着温度的增高钛金属的化学活性强，活性将迅速增大，并在固态下能强烈地吸收各种气体。加热到 300℃时，钛板表面就会吸附氢气；加热至400℃时即吸收氧气；600℃吸收氮气。含有氧、氮、氢等杂质元素的纯钛，焊接接头的强度显著提高，而塑性和韧性急剧下降，

1.焊接环境：

大部分的钛焊接都是在露天的制造车间完成的，尽管室内焊接仍在进行中。现场焊接是常见的。无论焊接在哪里，都是干净的环境是焊接钛的必要条件。一个单独的区域，专门为焊接钛，有助于提高焊接质量。这个区域应该保持清洁，应该是从磨削、喷砂、油漆等生产作业中分离出来。此外,焊接区域应不受空气气流的限制，应控制湿度。

钛和它的合金最常焊接在钨-弧(GTA或TIG)和气体金属弧(GMA或MIG)焊接过程中。电阻、等离子电弧、电子束和摩擦焊接也在一定程度上使用在钛上。所有这些过程都为特定的情况提供了优势。下面的讨论主要涉及到GTA和GMA焊接。讨论的许多原则适用于所有工艺。

2.焊接保护：

为了防止空气污染，需要对钛焊件进行保护，使其冷却至800华氏度(427摄氏度)，以及熔焊池。在GTA和GMA焊接过程中，氩或氦屏蔽气体的结露点为-46°C或更低的焊接等级，以提供必要的保护。需要单独的供应:

主保护熔焊池的；

次级保护冷却焊缝和相关的热影响区；

背面保护和相关的热影响区。

2.1 主保护

由于具有更好的电弧稳定性特性，氩气通常优先于氦气用于割炬的主要保护。如果需要更高的电压，更热的电弧和更大的穿透率，则可以使用氩氦混合物。应使用制造商建议的喷枪的气体流量。 10l/min 附近的流量在实践中证明是令人满意的。过量的焊枪可能会导致湍流和屏蔽损失。在生产焊接之前应评估主要屏蔽的有效性。熔池形成后应继续保护气体，电弧熄灭，直至焊缝冷却。未受污染的，即正确屏蔽的焊缝在外观上将是光亮的和银色的。

2.2 次保护

次保护通常由尾部保护提供。作用是保护固化的钛焊缝金属和相关的热影响区，直到温度达到800°F（427℃）或更低。尾随保护通常定制以适合特定的焊炬和特定的焊接操作。尾部保护的设计应该是紧凑的并且允许装置内的惰性气体均匀分布。也应考虑可能需要水冷，特别是对于大保护罩。多孔青铜扩散器使惰性气体从屏蔽层到焊缝均匀和非扰动地流动。

2.3 背面保护

主要目的是为焊接和热影响区的根部提供惰性气体保护。水冷的铜衬垫(或巨大的金属条)也可用作散热片来冷却焊缝。这些条棒是槽形的，槽直接位于(或以上)焊接接头处。为了保证足够的保护，每一个直线破口槽内的惰性气体流量约为5l/min。

在车间或现场条件下，临时屏蔽装置通常使用钛焊件非常有效。这些材料包括用塑料将工件完全密封，然后用惰性气体将其淹没。同样地，铝或不锈钢箔的“帐篷”被用在焊接上，并被大量的惰性气体所淹没，用作备用的保护。当使用这些方法时，重要的是所有的空气都会污染焊缝，要从系统中清除。在焊接完成之前，应保持适当的惰性气体的比例。

和氦气比较氩通常被选，用于拖尾和背部保护装置，主要是由于成本，但也因为它密度更大。氦的密度较低，当焊接在设备上方时，可以选择它用于拖尾和背面保护。在主、次和背面保护装置，重要的：可以使用单独的流量控制。预送气和尾气的时间控制以及气阀的动作。

3. 破口设计和准备

钛合金设计与其他金属相似。选择的破口形式也是至关重要，在焊接的两侧都有焊后的检查。破口表面必须是光滑的，干净的完全避免的污染。所有由研磨或机械锉磨所产生的烧伤痕迹必须清除。使用砂纸或钢丝绒留下颗粒会成为污染源。良好的破口配合对钛很重要。均匀的装配可以最大限度地减少烧穿，并控制衬垫成型的轮廓。装配不良可能会增加破口内空气污染的可能性，尤其是薄材上的对接接头。在焊接过程中维修焊缝是非常重要的。建议在焊接过程中进行夹紧以防止破口运动。如果使用平头焊接，则必须在清洁和惰性气体防护方面采取同样的措施，如同任何和所有的钛焊接一样，以防止污染。在最终焊接之前，必须除去任何裂纹或污染的点焊。

钛材焊接前，应对坡口及两侧25MM范围区域内进行严格的机械清理和脱脂处理。在焊接过程中应采取措施防止坡口污染

4. 清洁

在焊接钛之前，重要的是焊接接头和焊丝不要有氧化皮，灰尘，油脂，油，湿气和其他潜在的污染物。将这些异物包含在钛焊缝金属中会降低性能和耐腐蚀性。由制造商包装的焊丝是干净的。如果电线看起来很脏，在使用之前用非氯化溶剂擦拭是最好的做法。在严重的情况下，可能需要酸洗。基板的所有接合表面和表面距离接头至少一英寸的距离需要被清洁。

普通的酸洗机表面通常只需要用家用稀释剂或清洁剂擦洗，然后用热水和空气干燥彻底冲洗。另外，如果没有残留物，可以用干净的无绒布或纤维素海绵用无氯溶剂如甲苯，甲苯或甲基乙基酮（MEK）擦拭焊缝和邻近区域。这些溶剂在去除痕量油脂和油方面特别有效。应使用新的不锈钢刷子进行溶剂清洁。在任何情况下，由于嵌入铁粒子构成的抗腐蚀性的危险，在钛上不应使用钢刷或钢丝绒。

光氧化膜，成形在600°-800°F（316-427°）范围内的加热而产生的，可以通过用新的不锈钢丝刷来刷除。轻磨，锉屑和酸洗也是有效的。用于钛的可接受的酸洗浴是在室温下使用35体积％硝酸（70％浓度）和5体积％氢氟酸（48％浓度）。焊接区域浸泡1到15分钟（取决于浴缸的活动）应该是足够的。

用冷水冲洗去除酸，然后用热水冲洗以利干燥，完成清洗。高温热处理之后可能存在的重垢和氧污染表面最好通过机械方法去除。通常使用研磨和砂或喷砂。熔化的苛性碱浴尽管有用，但要求小心将氢吸收的可能性降至最低。除垢后，应使用酸洗除去所有残留物，并改善表面外观。

一旦清洁，关节应该小心保存。应尽可能减少搬运，尽可能在清洁后尽快开始焊接。不作业时，焊缝应保持覆盖纸或塑料，以避免积聚污染物。

5. 焊接技术

除了清洁的接头和焊丝，适当的参数以及适当的惰性气体保护外，焊接技术在焊接钛时也需要注意。不正确的技术可能是焊接污染的来源。在开始焊接钛金属的焊接之前，最好预先准备焊枪，尾部护罩和背面护罩，以确保所有的空气都被清除。应尽可能使用高频起弧。从钨电极开始的划痕是钛焊缝中钨夹杂物的来源。在熄灭电弧时，鼓励使用当前的下坡路和由单脚踏板控制的接触器。应继续焊枪保护，直到焊接金属冷却到800°F（427°C）以下。

次级和背面保护应该继续。焊缝上的毛刺或蓝色表示保护气过早地被去除。车间焊缝钛合金通常不需要预热。但是，如果怀疑有湿气存在，由于温度低，湿度高或湿的工作区域，可能需要预热。气体焊枪加热（轻微氧化火焰）的焊接表面至150°F（66°）通常足以去除水分。

不含填充金属的钛焊接，其弧长应与电极直径大致相等。如果添加填充金属，最大电弧长度应该是电极直径的1-1 / 2倍。应将填充焊丝送入焊接接头和电弧锥体连接处的焊接区。焊丝应平稳连续地进入熔池。断断续续浸渍技术会引起湍流，并可能导致在从护罩上移除时焊丝的热端受到污染。然后将污染物转移到下一次浸渍处的焊接熔池。每当将焊丝从惰性气体屏蔽中取出时，应将其末端向后夹紧约1/2英寸以除去污染的金属。层间温度应保持足够低，额外的保护是不需要的。

如果焊道保持光亮和银色，则不需要通过清洁。毛刺或淡蓝色的焊接污点可以通过钢丝刷用干净的不锈钢丝刷除去。被污染的焊点如深蓝色，灰色或白色粉末状的，必须通过研磨完全去除。接着必须在焊接之前仔细地准备和清洁接头。

目前国内在钛产品焊接过程中使用最普遍的是钨极氩弧焊(TIG), 包括手工、自动或半自动氩弧焊。除氩弧焊外，其它焊接方法如真空电子束焊、等离子焊、熔化极氩弧焊等工艺也可用于钛产品的焊接，但这些焊接方法使用很少。在国内钛设备制造过程中，几乎 95%以上的焊接工作是采用手工钨极氩弧焊完成的

钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低，所以钛的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。故在焊接时应采用小电流、高焊速的焊接规范

钛的导热率不高，焊接过程也不难，和奥氏体不锈钢焊接很类似。只是钛合金极易氧化，焊接过程要采取特别的保护措施才行

5.1 部分缺陷

钛及钛合金的焊接中易产生气孔，细小且数量多。钛及钛合金的焊接中气孔似乎是不可避免的焊接缺陷，形成气孔的因素很多，且很复杂。一方面有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存在氧化物等直接因素，这些气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属中形成的。气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或氮化钛；另一方面，还有一些间接因素包括氩弧焊时焊接电流过大，焊接速度过快以及坡口角度太小等。但一般认为：氢气是引起气孔的主要原因。在焊缝金属冷却过程中，氢的溶解度会发生变化，如焊接区周围气氛中氢的分压较高时，焊缝金属中的氢不易扩散逸出，而聚集在一起形成气孔。

为防止气孔的产生，需采取的措施如下：

1) 严格控制基体金属、焊丝、保护气体氩气中氧、氮、氢等杂质气体的含量；

2) 采用等离子弧焊，特别是脉冲等离子弧焊接比用氩弧焊气孔少；

3) 焊前彻底清洗板材、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物；

4) 增加熔池停留时间便于气泡逸出，可有效地减少气孔。即采用低速焊和焊道重熔等。

5) 焊件、焊丝在焊前进行真空处理。这不仅可以改变焊件、焊丝的氢含量，而且能改变焊件、焊丝的表面状态

6）在焊接过程中，每焊完一道，都必须进行焊层表面颜色检查，焊缝及热影响区的表面颜色应呈银白色或金共黄色。对表面颜色不合格的，应全部除去，然后重焊。表面颜色检查应参照有关标准的规定

5.2 工艺种类

5.2.1钨极氩弧焊

钨极氩弧焊是焊接钛合金最常用的焊接方法，主要用于厚 10 mm 以下钛及钛合金的焊接。采用直流正接，设备包括逆变电源、高频引弧装置。保户气氩气为一级氩气，其纯度99.99％以上，杂质的总质量分数不超过0．02％，露点低于-40 ℃，空气相对湿度不超过5％，水分含量不大于 0.001 mg/L。氩气流量的选择，以得到良好的焊缝表面色泽为准。钛会与氧接触，在表面形成氧化膜，并且该氧化膜的颜色会随着自身形成时的温度不同而出现差异。出现银白色氧化膜，则表明气体保护效果最佳，当颜色为金黄色时，保护效果也可以接受，其他颜色则为不合格。

为了得到良好的氩气保护效果，焊接时若发现氩气瓶的压力降至1 MPa，就应停止使用。选用精确的氩气流量计以控制气流量，送气软管选用塑料管，不宜采用橡胶管输送氩气。焊丝的选择：填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同，同时要求焊丝中的有害杂质越少越好。为了得到更好的焊接质量，必要时还可以使用环缝气体保护拖罩，保护罩的材质应当选用奥氏体不锈钢或铝、铜。

5.2.2 熔化极氩弧焊

熔化极氩弧焊比钨极氩弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，采用直流反接方法。为了避免焊枪摆动而影响保护效果及扩大热影响区，宜采用直线行进方式焊接。

5.2.3 等离子弧焊

采用氩气保护的等离子弧焊也常用于钛及钛合金的焊接。等离子弧焊接使用恒流电源的直流产生的传热型等离子体。常常通过在氩气中添加5％～7％的氢来避免产生钛的氢化物，使用无氢的纯氩气或氩与氦的混合气体来提高电弧的收缩性。但在焊接钛及钛合金时，为了采用小孔法焊接时，可焊钛板厚度为1.5～15 mm；当钛板厚度小于1.5 mm 时，应当采用熔入法试焊，同时加反面成形垫；而板厚在 0.5 mm 以下时，应当采用微束等离子弧进行焊接才能保证焊接质量。

5.2.4 电子束焊

电子束焊接目前也越来越多地应用到钛合金板材的焊接中。电子束焊是对电子束加速并将其撞击工件表面，实现动能和热能之间的转化，熔化被焊金属。真空电子束焊，由于在真空条件下进行，杜绝了空气对焊缝的影响，可完全防止大气污染，易获得质量高于非真空环境下得到的焊缝。真空电子束焊接还具有深宽比大、热影响区小的优点，这是因为电子束焊的能束焦点小、热量集中。电子束焊焊后产生的晶粒大多是较均匀的等轴晶，焊接接头有较高的强度，但塑性相对降低。当然，在真空室焊接时会限制工件的形状和尺寸，厚度从1-300mm不等。

5.3 比较

6. 热处理钛

钛制品的热处理通常是不必要的。如果需要恢复延展性或改善机械加工性，则在严寒工作之后可能需要退火。在严格的成形或焊接之后有时采用应力消除处理，以避免由于高残余应力造成的开裂或变形，或者改善耐疲劳性。由于钛在高温下对污染的敏感性，热处理的钛部件的清洁是重要的。在加热之前，应使用无氯溶剂或洗涤剂清洗，仔细清洗钛制品，然后彻底清洗水。

大多数钛牌号通常在约1000°F（538℃）下释放应力45分钟，并在1300°F（704℃）退火2小时。对于5级合金，稍高的应力释放温度[1100°F（593℃），2小时]和退火温度[1450°F（788℃），4小时]是合适的。空气冷却通常是可接受的。

尽管钛不需要特殊的炉子设备或保护气，但建议使用稍微氧化的气氛以防止氢气的吸收。由于可能存在污染和脆化，应避免长时间直接火焰冲击，导致温度超过1200°F（649°C）。氢气或裂解的氨气也不应该使用，因为它们的使用会导致过量的氢气吸收和脆化。

如果在高温（1200°F; 649°C）退火之后进行除垢处理是不可行的，则建议使用真空或惰性气体（干燥氩气或氦气）气氛。退火温度低于1200°F（649°C）引起的浅表面变色，可通过在125°F（52°C）的35％硝酸-5％氢氟酸浴中酸洗除去。然而，如果使用长时间的加热时间或高于1200°F（649°C）的温度，则需要进行机械除垢处理，然后进行硝基氟酸酸洗，以去除水垢