钛合金的焊接

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欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 钛及钛合金由于密度小、强度高、耐热耐腐蚀性能优异而广泛地应用于航空航天、石油化工、造船等部门。目前高性能的飞机、坦克正在采用钛合金部件，而且在石油化工部门中钛合金部件使用的范围也正在逐渐扩大。而钛合金在飞机及其发动机和石油化工部门上的应用，不可避免需要使用焊接手段进行连接，这对扩大钛合金的应用范围具有重要的意义。本文主要介绍钛合金焊接过程中需要注意的一些问题，以期引起同行的注意。 一、钛合金的焊接性 大多数钛合金可以使用氧乙炔焊的方法进行焊接，并且所有的钛合金均可以使用固态焊接方法进行焊接( 如TI G、MIG 、等离子弧焊、激光和电子束焊接) 。事实上，钛合金焊接接头发生裂纹的倾向性要比黑色金属( 如铁合金、镍合金) 小得多。尽管钛合金具有如此良好的性质和其他一些优异的焊接特性，一些工程师们仍然认为钛合金的焊接是相当困难的，主要在于钛合金焊接对于气体保护的要求特别高，一般只有非常专业的人员才能保证气体保护符合要求。实际上，许多焊接手段均可以用来焊接钛合金。由于在焊接过程中引入的空气的N2 、O2 和含碳物质使得钛合金的熔化焊接头变脆，因此待焊区一定要清理干净并使用惰性气体保护。焊接材料基本上也是根据被焊材料的特性进行选取的。钛合金的焊接性一般根据焊接接头的延展性和强度来评价。常见钛合金的焊接性如表所示。 关于钛合金的激光焊接目前的应用趋势是越来越广泛，激光焊接的变形小，生产效率高，而且实现自动化的程度比电子束和TIG 要高。同电子束焊接相比，激光焊不需要真空室等复杂的设备，所以激光焊接实用性更强，而且激光焊可以以不同焊接状态直接焊接。CO2 激光由于功率大，使用25kW/h 可以一次性焊透20mm厚的钛板。Nd ： YAG 激光由于可以使用光纤进行能量传输而使得YAG 的焊接更具灵活性，但由于功率低而使得穿透深度受到限制。激光焊接时容易产生飞溅，这样就使得表面不清洁，在不能进行焊后处理时一定要特别小心。 二、钛合金中的气孔 钛合金焊接接头中气孔的产生主要受焊接前的清洁程度和焊接接头的准备以及焊接时间长短的影响，同时还有其他一些因素。尽管表面不清洁导致的吸氢是弧焊接头气孔产生的主要原因，但其他因素如氧气、氮气、二氧化碳以及用作保护的惰性气体均有可能导致气孔的产生。 同铝的氧化物一样，钛的氧化物具有吸湿性，很容易从环境大气中吸收湿气。钛合金部件同含水( 或含水汽) 的接头进行焊接时就会有气态的氢溶解到接头中，随后在凝固时形成小孔。减少钛合金焊接接头中气孔的措施主要有： ( 1) 钛合金部件和焊料要干燥。 ( 2) 准备好的焊料建议在48h 内使用完。 ( 3) 待焊钛合金部件的部位与焊料进行去油脂与清洗，然后进行酸洗。 ( 4) 使用高纯氩气或氦气进行保护。 三、气体保护 常温下，钛及其合金是比较稳定的，但随着温度的上升，钛及其合金吸收氢气、氧气和氮气的能力逐渐上升。钛从250 ℃开始吸氢，从400 ℃开始吸氧，从600 ℃开始吸氮。由于钛合金同O2、N2 、H2 的亲和力高，接头中含有这些气体时会使接头变脆，降低钛合金焊接接头的冲击性能、塑性和韧性。钛合金中含有氢时会在热影响区产生延迟裂纹。而当焊缝中含氧、氮量较高时，焊缝或热影响区在较大的焊接应力作用下也会出现裂纹，该裂纹也属于延迟裂纹。因此惰性气体( 或真空室) 保护是非常必要的。由于使用真空室成本较高，所以一般使用惰性气体保护的方法。保护气体主要有氦气和氩气，由于氦气价格高于氩气，一般来说，对不是特殊要求的钛合金的焊接接头和热影响区，使用高纯氩气进行保护就可以防止氧化。 四、焊后检查 对钛合金焊接部位进行目视检查，主要是为了评估气体保护的好坏。当表面呈银白色时，表示气体保护非常好；而当表面为浅黄色或深黄色，表示钛合金受到轻微污染，但仍然还是可以接受的；表面为深蓝色，表示污染比较严重，但由于使用工况的不同，有的可以使用；表面为浅蓝色，污染严重，几乎不可能使用；表面为灰蓝色或灰色时，污染非常严重，不可使用；同样表面为白色时，污染非常严重，不可用。 五、着色检测的办法 硬度测试和涡流检测可以用来检测接头是否含杂质，因为含有杂质时接头性质会发生改变，主要表现在含有杂质时接头的硬度和电阻率会显著变高。便携式手持硬度测试仪可以原位进行测试焊接件的硬度。这一技术的应用可以方便的检测出焊接质量的好坏。一般情况下，钛合金出现焊接裂纹的情况比较少。然而，有时也会在焊缝或因含杂质而产生裂纹。此时，缺陷可以通过着色检查来发现，同时此方法对疏松也有一定的效果。必须注意的是，在继续进行焊接前一定要将着色液清洗干净。 六、缺陷的修复 1. 微小缺陷的局部修复 钛合金接头上的微小缺陷( 如疏松) 的修复是非常容易的。采用钻孔或打磨的方法将受影响的区域清理干净，然后进行填补。需要注意的是一定要确保焊补金属已经完全填充了修补区。 2. 线性显示的修复 如果X 光底片显示疏松已经呈线性显示，则可以采用表面重熔的办法进行修复。该表面重熔时所采用的能量应当比先前焊接时所采用的能量要大，以确保将潜在的疏松均熔化透。如果该方法不奏效，或者该缺陷本身就非常严重，则只好将整个焊接区清理干净，然后重新焊接。这一缺陷的修补费力而且会增加成本，在操作时一定要注意保证质量。 3. 变形 由于焊接时局部热输入较大，而且钛合金导热性差，从而在焊接处附近产生非线性应力。开始时熔池由于金属被加热而形成，从而在熔池附近产生应力集中。然而，由于金属的基体大，而熔池和热影响区相对区域要小，从而应力在接头和热影响区附近累积。如果由于热膨胀产生的力超过了基体金属的压应力，则局部塑性变形就导致结构的永久变形。变形的类型和程度主要受材料的性质、受约束的程度、接头的设计、添料方式和焊接过程所影响。 4. 基体材料性质 影响变形的基体材料性质主要有热膨胀系数(系数越大，变形越容易) 、单位体积的热容( 热容越小越容易变形) 等。由于变形是张应力和材料压受力相互作用的结果，因此热膨胀系数对变形程度具有至关重要的影响。简单的计算和实际操作发现钛合金变形的程度位于钢和不锈钢之间( 即变形程度稍高于钢而稍低于奥氏体不锈钢) 。 5. 抑制夹具 如果零件在焊接时不进行夹持，则它的变形会导致应力得到释放。因此各种用来防止移动和变形的夹持方法在焊接时得到应用。但需要指出的是，夹持越紧，则在材料中产生的应力越大。所以为了减少变形，首先要使用刚性夹具并在夹具上进行冷却，从而限制变形；焊接工艺上要采取对称性的焊接操作和合理的焊接顺序，因为使用了刚性夹具虽然使变形得到抑制，但夹具去掉后还会产生新的变形；焊接夹具的压力一定要均匀，否则也会产生变形。 七、结语 目前钛合金的焊接虽然并不广泛，但只要注意以上问题还是能够很好实现钛合金的焊接。以上只是我们在修复钛合金部件时不断摸索总结出来的一点经验，实际工作中还有可能发现更多的问题，在此只是抛砖引玉。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/2/2008)