钛及钛合金的焊接性课件.ppt

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1、钛及钛合金的焊接性 前言钛及钛合金具有特定的物理、化学质和热处理性能,为掌握钛及钛合金的焊火接工艺,提高焊接质量,必须深入了解钛及钛合金的焊接性。焊接接头的脆化 钛及钛合金很容易受到气体等杂质的污染而产生脆化。造成钛及钛合金焊接接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等。在常温下,由于表面氧化膜的作用,钛能保持高的稳定性和耐腐蚀性,但钛在高温下,特别是在熔融状态时对于气体有很大的化学活泼性,而且在540℃以上钛表面生成的氧化膜较疏松,随着温度的升高,容易被空气,水分、油脂等污染,使钛与氧、氮、氢的反应速度加快,降低焊接接头的塑性和韧性。无保护的钛在300℃以上吸氧,700℃以上吸氮。工业纯钛薄板在空气中加热到650-1000℃时,不同保温时间对焊接接头的弯曲塑性的影响。可见,加热温度越高,保温时间越长,则焊接接头的塑性下降得越多。焊接接头在凝固,结晶过程中,焊缝热影响区的金属在、反面得不有效保护。

2、的情况下,很容易吸收氮、氢。焊接时对于熔池及温度超过400℃的焊缝和热影响区域(包括焊缝背面)都要加以妥善保护。焊接接头的脆化在钛及钛合金焊接时,为保护焊缝及热影响区免受空气的污染,通常釆用高纯度的惰性气体或无氧氟—氯化物焊剂。釆用无氧氟—氯化物焊剂进行焊缝时,熔渣和金属发生化学反应;由于氟化物在液态金属中不溶解,所以焊缝金属冷却后不会形成非金属夹杂,但焊剂中一些元素可能入熔池。焊接接头的脆化氧和氮造成的脆化氧、氮圴是a稳定元素,氧在a铁、钛中的最大溶解度分别为14.5%原子,和1.8%原子,氮则分别为7%原子和2%原子。钛与氧在600℃以上发生强烈的作用。当温度高于800℃时,氧化膜开始向钛中溶解扩散,氮则在700℃以上与钛发生强烈作用,形成脆硬的TiN。氧、氮在高温的α钛、β钛中都容易形成间隙熔体,造成钛的晶格严重畸变,从而使其强度,硬度提高,但塑性、韧性显著降低,而且氮与钛形成的固溶。

3、体造成晶格畸变较氧更加严重。因此,氮更剧烈地提高钛的强度和硬度,降低钛的塑性。金属薄板的塑性可以用R/δ(板材弯曲半径与厚度之比)的比值表示。焊缝中氮或氧含量对接头强度、弯曲塑性的影响。采用氩弧焊和等离子弧焊接钛及钛合金时,如果氩气纯度达不到要求或焊缝热影响区的保护不好、焊缝连接将随氩气中氧、氮和空气含量的增加而硬度提高,氩气中氧、氮和空气量对工业纯钛焊缝硬度的影响。焊接接头的脆化氢造成的脆化氢是β钛中的溶解度较大,而在α钛中的溶解度很小。钛与氢在325℃时发生共析转变。在325℃以下氢在α钛中的溶解度急速下降,常温时仅为0.00009%。共析转变析出钛的氢化物TiH2,以细片状或针状存在,其断裂强度很低,在金属中成为微裂纹源,引起接头塑性和韧性的下降,氢对工业纯钛焊缝金属力学性能的影响。为防止氢造成的脆化,焊接的时要应该控制氢的来源。首先从原材料入手,限制母材和焊材中氢的含量以及表面吸附。

4、的水分,提高氩气的纯度,使焊缝的氢含量控制在0.015%以下。其次可采用冶金措施,提高氢的溶解度。添加5%的铝,在常温下可使氢在α钛中的溶解度达到0.023%。添加β相稳定元素MO、V可使室温组织中残留少量β相,溶解更多的氢,从而降低焊缝的氢脆倾向。当焊接重要构件时,可以将焊丝母材放入真空度为0.0130-0.0013Pa的真空退火炉中加热至800-900℃,保温5-6h进行脱氢处理,将氢的含量控制在0.0012%以下,提高焊接接头的塑性和韧性。焊接接头的脆化碳造成脆化,碳主要来源于母材、焊丝和油污等。常温时碳在α钛中的溶解度为0.13%(质量)。在溶解度范围内,碳以间隙的形成固溶于α钛中,使钛的强度提高,塑性下降,但其作用不如氧、氮显著。碳超过溶解度时析出硬脆的TiC2,并呈网状分布,其数量随碳含量的增高而增多,使得焊缝的塑性迅速下降,在焊接应力作用下容易产生裂纹。因此、碳在钛及钛合金中。

5、的含量不得超过0.1%,当钛及钛合金中的碳含量达到0.28%时焊接接头变得很脆,此外焊缝中含碳量应小于母材的含碳量。同时,焊前应仔细清理焊件和焊丝上的油污,避免焊缝增碳。焊接接头的裂纹热裂纹倾向由于钛及钛合金中含硫、磷、碳等杂质较小,很少有低于熔点共晶在晶界处生成,而且其结晶温度区间很窄,焊缝凝固时收缩量小,因此,热裂纹敏感性低。但当母材和焊丝质量不合格,特别是当焊丝有裂纹、夹层等缺陷时,会在夹层和裂纹处积聚大量有害杂质而使焊缝产生热裂纹。焊接接头的裂纹冷裂纹倾向当焊缝中含氧、氢、氮量较多时,焊缝和热影响区的特性变脆,在较大的焊接应力作用下容易出现裂纹,这种裂纹是在较低温度下形成的,在焊接钛合金时,热影响区有时会出现延迟裂纹,其原因是由于熔池中的氢和母材金属低温区中的氢向热影响区扩散,引起氢在热影响区的含量增加并TiC2,使热影响区脆性增大,此外氢化物析出时的体积膨胀会引起较大的组织应力,。

6、在加上氢原子的扩散与聚集,最终使得接头形成裂纹。防止这种延迟裂纹的方法。主要是减少焊接接头氢的来源,必要时,也可以进行真空退火处理,以减少焊接接头的含氢量。焊缝气孔 气孔的钛及钛合金焊接中的较常见的缺陷。O2、N2、CO2、H2O都是可能引起气孔的形成,但氢是钛及钛合金焊接中形成气孔的主要气体,氢气多数产生在焊缝中部和熔合线。焊缝气孔 氢气孔形成的原因:氢在高温时溶入熔池,冷却结晶时过饱和的氢来不及从熔池逸出时,便在焊缝中聚集形成气孔。焊缝气孔减少气孔的措施:焊接接头中的气孔不仅造成应力集中而且使气孔周围金属的塑性降低,从而使整个焊接接头的力学性能下降,甚至导致接头的断裂破坏。因此必须严格控制气孔的生成。防止气孔产生的关键是杜绝气体的来源,防止焊接区污染,通常采取以下措施。焊缝气孔焊前仔细清除焊丝,母材表面上的氧化膜及油污等有机物质;严格限制原材料中氢,氧、氮等杂物气体的含量;焊前对焊丝进。

7、行真空去氢处理来改善焊丝的含氢量和表面状态。尽量缩短焊件清理后到焊接的时间间隔,一般不要超过2h,否则要妥善保存,以防吸潮;采用机械方法加工坡口端面,并除去剪切痕迹。焊缝气孔 正确选择焊接工艺,延长熔池停留时间,以便于气泡的逸出;控制氩气的流量,防止紊流现象。可以采用真空电子束焊和等离子弧焊;采用低露点氩气,其纯度>99.99%;焊炬上通氩气的管道不宜采用橡皮管,以尼龙软管为好。粗晶倾向钛的熔点高、热容量大、因此,在焊接时容易形成较大的熔池,并且熔池的温度更高,这使得焊缝及热影响区金属在高温的停留时间比较长,晶粒长大倾向较大,使接头塑性和断裂韧性降低。长大的晶粒难以用热处理方法恢复,所以焊接时应该严格控制焊接的热输入量。熔化焊时应采用能量集中的热源,减小热影响区的大小;或采用较小的焊接电流和较大的焊接速度,以提高热影响区的塑性。但是对于α+β钛合金,为了避免α相和β产生不良结合以及避免ω相的形成,应该采用较大的线能量。焊接变形钛的弹性模量比不锈钢小,在同样的焊接应力条件下钛及钛合金的焊接变形是不锈钢的1倍,因此焊接时应该采用垫板和压板将待焊工件压紧,以减小焊接变形。此外,垫板和压板还可以传导焊接区的热量,缩短焊接区的高温停留时间,减小焊缝的氧化。。

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