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        鈦材(TA2)的焊接性試驗研究

        2019-11-28 19:23:05付啟帥李嘉美曲世超苗卉
        商品與質(zhì)量 2019年33期
        關鍵詞:焊縫

        付啟帥 李嘉美 曲世超 苗卉

        大連寶原核設備有限公司 遼寧大連 116000

        隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,由于鈦材特殊的抗腐蝕性能,在高溫和低溫下都有良好的力學性能,比重輕,無磁性,具有金屬光澤,在石油、化工、醫(yī)藥等許多行業(yè)得到廣泛地應用,而且我國鈦資源豐富,鈦及鈦合金在我國會有很好的發(fā)展前途。但是由于鈦材具有熔點高,熱熔大,導熱性差以及化學活性高等特點,它的焊接性能遠比鋼材差,焊接時易產(chǎn)生氣孔、氧化及裂紋等缺陷,焊接時應采用特殊工藝措施與防護手段。因此本課題制定合理的焊接工藝及氣體保護措施,通過焊接性試驗研究,保證產(chǎn)品焊接接頭的質(zhì)量。

        1 鈦材的焊接性分析

        鈦材(TA2)的熔點高(1668℃),屬于難容金屬,在焊接時需要高溫熱源。鈦的導熱系數(shù)低,僅為碳鋼的一半,導熱性差熱量不易散失,過熱傾向嚴重。由于焊接時需要高溫熱源,散熱差,因此焊接時高溫停留時間長,容易引起焊縫的過熱傾向,使晶粒變得十分粗大,產(chǎn)生脆性組織,焊接接頭的塑韌性顯著降低。當結(jié)構剛性大時,在焊接殘余拉應力作用下,還會導致產(chǎn)生裂紋[1]。鈦材(TA2)焊接的主要問題是容易氧化、氮化、產(chǎn)生氣孔及脆裂,同時可焊性降低。由于鈦材的化學活性大,高溫固態(tài)及熔融狀態(tài)下極易被空氣、水分、油脂等污染,吸收氧、氮、氫、碳等雜質(zhì)。相關資料介紹,鈦在熔融狀態(tài)下從250℃開始吸收氫、從400℃開始吸收氧、從600℃開始吸收氮,而空氣中含有大量的氧和氮。為保證焊接接頭的塑韌性,防止氧污染脆化,一般要求鈦材中含氫量低于0.15%,焊接時具有良好的清潔環(huán)境及防護措施。

        2 鈦材的氬氣保護措施

        由于鈦的活性高,為了防護焊縫氧化、產(chǎn)生氣孔,焊接時保證氬氣純度在99.99%以,同時應考慮焊槍結(jié)構和制作氬氣保護工裝。氬弧焊時噴嘴直徑要大一些,噴嘴到工件的距離小一些,這樣氣體保護充分。通常情況下,由于焊接時噴嘴已不足以保護焊接接頭,氬氣保護不充分,一般需要附加拖罩,通常拖罩寬度30-60mm,拖罩長度50-100mm,具體以焊件厚度及坡口寬度而定,薄的焊件拖罩短些,厚的焊件則要長些。針對不同的焊接接頭,縱縫用平的拖罩,環(huán)縫用弧形拖罩。保護拖罩材質(zhì)應為純銅,保護罩內(nèi)側(cè)應增加一個銅管?10×1mm,鉆?1mm孔,通常孔間距10mm,均勻分布,并在銅管上加兩層不銹鋼濾網(wǎng),這樣氣體保護均勻。評定氬氣保護效果好壞最簡單的辦法是目視焊縫表面的顏色,如果焊接接頭表面呈銀白色為保護良好;淡紅色的焊接接頭保護狀況為尚好;深藍色的焊接接頭為較差;灰色的焊接接頭為差[2]。

        3 焊接性試驗方案

        3.1 試驗用的材料

        試驗用的母材為TA2,規(guī)格500×125×10mm,1對,退火狀態(tài)供貨,參照標準GB/T 3621-2007。

        試驗用的焊材為ERTi-2,規(guī)格Φ2.4mm,參照標準ASME Ⅱ卷 C 篇 SFA-5.16-2017 版。

        3.2 試板坡口形式與制備

        焊接試板的坡口形式采用單V,坡口角度60,間隙2-3mm,鈍邊1.5mm。焊接試板制備采用機加方法,坡口面應無銹蝕、油污等雜質(zhì),試板周轉(zhuǎn)過程應避免與鐵屑接觸。

        3.3 試驗焊接

        3.3.1 焊接工藝參數(shù)及操作要求

        試驗焊接采用GTAW方法平焊,直流正接(反極性),焊材及直徑 ERTA2EL1Φ2.4,焊接電流120-160A,焊接電壓12-16V,焊接速度7-12cm/min,預熱/道間溫度15/ 140℃,保護氣體99.99%Ar(整體保護),預熱溫度/層間溫度為15℃/140℃。

        焊接前,確保待焊表面滿足焊接要求,采用專用橡膠或尼龍的氧化鋁砂輪打磨,坡口呈現(xiàn)金屬光澤,不得有銹蝕、油污等雜質(zhì)。焊接過程中禁止擺動焊,并且單個焊道最大寬度小于13mm,注意焊道清理和層間溫度控制[3]。

        3.3.2 氣體保護要求

        由于焊接過程氬氣保護不當焊縫表面會氧化并產(chǎn)生氣孔,因此整個焊接過程焊縫必須得到有效保護。背面氣體保護工裝在常規(guī)板上開槽,固定焊接試板背面;正面在焊嘴上增加保護托槽,長50mm,寬30mm。氣體必須是純氬,正面流量在12-16L/min,背面8-10L/min,拖罩流量,拖罩流量要大一些,應為20-24L/min。

        3.4 試驗結(jié)果及分析

        室溫拉伸Rm分別為:410Mpa、430Mpa;面、背彎180°(各2個)均合格;焊縫室溫沖擊值分別為74J、71.2J、79J,熱影響區(qū)沖擊值分別為89J、143.2J、139J,母材沖擊值分別為114J、134J、127J,其接頭性能試驗結(jié)果完全達到母材鈦板(TA2)性能要求。

        通過觀察焊縫的宏觀形貌可見焊縫外觀并無氧化、氣孔及裂紋等缺陷,焊縫均勻,成形良好,說明采用的氣體保護工裝效果良好,焊接性良好。

        通過觀察力學性能試驗的宏觀形貌可見,彎曲試樣宏觀形貌沿著焊縫和熱影響區(qū)并無裂紋缺陷;拉伸試樣斷口纖維粗糙,為韌性拉伸斷裂;沖擊試樣的宏觀形貌斷口纖維粗糙,韌窩區(qū)明顯,是明顯的韌性斷裂。通過分析力學性能試驗的宏觀形貌說明焊接接頭具有良好的塑韌性。

        4 結(jié)語

        通過以上試驗可以得出以下結(jié)論:對鈦材TA2的焊接性分析和研究氣體保護措施,制定的焊接性試驗方案合理,其力學性能試驗完全可以滿足使用要求,能夠保證產(chǎn)品焊接接頭的質(zhì)量。

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