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立坤鈦業談TA2純鈦管的焊接性能
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立坤鈦業談TA2純鈦管的焊接性能

發布時間 :2020-11-23 11:14:55 瀏覽次數 :

工業純鈦是指含有少量 Fe、C、O、N、H 等雜質,鈦含量不低于 98.5%(質量分數)的致密金屬鈦。工業純鈦強度在 280~720 MPa 之間,具有良好的塑性、韌性,并且工藝性能優異,有較好的耐腐蝕能力;工業純鈦常被制成制造非承力件,長期工作溫度可以達到 300℃以上。工業純鈦以其優異的綜合性能應用于各個領域,包括航天航空、船舶、化工、醫療器械等。 

鈦管

根據工業純鈦中的雜質含量和純度,可以將其分為四個等級(TA0~TA3),這四種等級的工業純鈦間的間隙雜質元素是逐漸增加的,故其機械強度和硬度也隨之逐級增加,但塑性、韌性相應下降。工業純鈦中應用最廣的要數TA2工業二級純鈦,這是因為和 TA0、TA1 相比,TA2具有更高的強度和耐磨性;與TA3 相比,TA2鈦合金具有更好的工藝性能。 

以下有關純鈦,以TA2鈦管材作為焊接試驗的基本材料。 

TA2 焊接中的常見問題 

由于鈦在高溫下化學性質非常活潑,所以鈦是一種較難焊接的金屬。常見的焊接問題包括焊縫及周圍區域晶粒粗大、焊接接頭脆化、裂紋、氣孔、雜質元素的污染等。 

1)焊縫金屬晶粒尺寸粗大 

鈦合金具有熔點高、導熱性能差等特點,這樣的物理性能決定了在 TA2 焊接過程中容易出現焊縫、熱影響區的組織粗大現象,引起塑性、韌性降低。因此在制定焊接工藝時,必須考慮焊接熱輸入對晶粒大小的影響,要嚴格控制熱輸入,從選擇合適的焊接電流、焊接電壓、焊接速度的角度來研究控制晶粒尺寸的措施。 

2)焊接接頭脆化 

鈦及鈦合金在焊接過程中極易受氣體等雜質污染而脆化。在常溫下鈦及鈦合金比較穩定,能與氧發生反應在表面生成致密的氧化膜,該氧化膜的產生使得鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性。然而,隨著溫度的升高,鈦及鈦合金吸收氧、氮及氫元素的能力明顯增加,鈦從 250℃開始吸收氫,從 400℃開始吸收氧,從 600℃ 開始吸收氮。氫是影響鈦性能的有害元素之一,它會導致鈦的塑性與韌性降低,發生氫脆。在冷卻時,氫來不及時溢出會產生氣孔,故一般要求鈦材中氫含量小于 0.01%~0.15%。鈦和氧有很強的親和力,在較低溫度時,氧進入鈦表面晶格生產了致密的氧化膜,極大提高了鈦的耐腐蝕能力;當溫度升高時鈦的氧化膜會變成多孔狀,氧會通過小孔進入鈦內部,生成間隙固溶體,在鈦內部形成硬化層,降低鈦的塑性。鈦在 600℃以上會與氮作用,使焊接接頭的塑性韌性下降,引起氣孔和裂紋。因此,焊接時需對熔池、焊縫及溫度超過 200℃的熱影響區妥善保護。 

鈦合金管

3)焊接裂紋 

由于鈦及鈦合金中 S、P 等雜質很少,不容易形成晶界上的低熔點共晶,結界溫度區間窄,焊接凝固收縮量小,所以出現熱裂紋的可能性比較小。但是若母材和焊絲雜質含量超標,則有可能出現焊接熱裂紋,因此在選擇母材、焊絲時要嚴格控制雜質含量,并且在焊前要對母材、焊絲進行清理,嚴防雜質元素進入。 

冷裂紋是焊接 TA2 鈦管時的主要問題之一。在焊接過程中,如果沒有受到良好的保護,鈦及鈦合金就容易受到氧、氫、氮等雜質的污染而脆化,在焊接應力的作用下出現冷裂紋。氫是形成冷裂紋的主要原因。氫在擴散過程中,會從固溶體中析出 TiH;析出 Ti H 的過程將會出現較大的體積變化和較大內應力。為了避免冷裂紋的出現就要重點防治氫的危害。 

在制定焊接工藝時,可以通過控制氫、氮等雜質元素的方法來減少裂紋。 

4)氣孔 

氣孔是TA2鈦管焊接時最常見的缺陷。氣孔帶來的主要影響是降低焊接接頭的疲勞強度,氣孔的存在將會使得疲勞強度降低一半以上。 

鈦管焊接接頭中的氣孔按來源可以分為冶金反應生成的氣孔,外部空氣傾入形成的氣孔,油污、水分分解產生的氣孔。其中,因為焊前清理不到位而附著在鈦管、焊絲表面上的油污是造成氣孔的主要原因。在加工焊絲殘留的潤滑劑,打磨破口時殘留的磨粒,焊接坡口附近殘余的水分都可能造成氣孔產生。另外,氫也是引起氣孔的一個因素,氫主要來源于焊絲中的氫含量超標以及坡口和空氣中的水分。選擇含氫量低的焊絲,采取合適的方法避免水分和空氣的污染,能有效避免由氫導致的氣孔。值得注意的是,不同的焊接方法,不同焊接工藝參數也會對氣孔的多少產生影響。通常情況下,鎢極氬弧焊產生的氣孔比電子束焊少。焊接工藝對氣孔的影響也很顯著,焊接參數、固定焊技術、根部間隙、保護氣體的純度、焊縫的冷卻速度等均會影響氣孔的產生。 

5)雜質污染 

在焊接鈦管時,雜質元素會對焊接接頭的力學性能以及耐腐蝕性能產生不良影響。 

(1)鈦高溫下非常活潑,在焊接過程中極易吸收氧、氮、氫和碳等元素,降低焊接接頭塑性、韌性。吸收的氧和氮元素會固溶于焊縫,增加鈦晶格的畸變程度,增加變形抗力,導致焊縫及熱影響區的強度、硬度增加,塑性韌性降低,其中氮的影響程度要高于氧。氫元素的增加,也會嚴重降低焊接接頭的塑性韌性。

碳的危害在于能形成間隙固溶體,使材料脆化;當碳含量過高超過溶解度時,就會生成硬脆的 TiC 組織,往往會導致裂紋產生。 

(2)鈦材在溫度高于 288℃時,其表面殘留的氯化物和其它清洗液會使其產生應力腐蝕裂紋。 

(3)對鈦材影響最大的是鐵離子。由于焊縫在形成過程中與鐵接觸的機會最多,即使母材中鐵含量不高,焊縫局部鐵離子含量絕對會高于母材,導致焊縫出現原電池腐蝕,其腐蝕嚴重程度要比母材高些,發生“焊縫優先腐蝕”。鐵的主要來源于焊接、檢修過程中,鈦材和其他材料的接觸。所以在焊接鈦管時,在焊前準備和焊接過程中都必須注意減少鐵的污染。 

純鈦管

6)焊接變形 

鈦的彈性模量約為低碳鋼的一半,彈性模量小;導熱系數低,約為鋼的1/4,銅的1/23,鋁的 1/3。因此,在焊接過程中會產生較大的焊接變形。鈦冷變形的回彈能力強,大約是不銹鋼的兩倍以上,焊后矯正困難。所以,在焊接過程中就需要考慮如何采取有效措施來預防焊接變形。控制焊接變形可以從優化焊接工藝參數和工件組裝上進行考慮,如較小的熱輸入能減少焊接變形的出現。此外在,在焊前進行定位焊,對鈦管進行約束也能有效減少焊接后的角變形和彎曲變形。 

正是由于鈦在焊接中容易出現這些質量問題,在制定焊接工藝時在各個環節必須充分考慮如何避免上述焊接缺陷,確保得到高質量的焊縫。 

根據TA2工業二級純鈦的物理、化學性質,探討了其焊接性。列舉了TA2鈦管焊接過程中常見的焊接缺陷,以及這些焊接缺陷帶來的危害,并簡單提出了控制這些焊接缺陷的方法。

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