焊接是鈦設備制造過程中一項重要工藝。焊接方法很多,要根據鈦設備或構件的設計構造和具體應用條件來選擇適宜的焊接方法。

選擇焊接方法所遵循的原則是保證焊接接頭的質量、生產效率高、操作簡便、成本較低等。其中保證焊縫質量應該放在第一位。只有充分認識到影響焊接質量的方方面面因素,才能達到保證焊接接頭質量的目的。

海兵鈦鎳生產車間

氣體雜質對焊縫金屬性能的影響

鈦具有很高的化學活潑性,與空氣中的氧、氮有極高的親和力。在較低溫度下,鈦與氧相互作用生成一層致密的氧化膜,隨著溫度升高,氧化膜的厚度隨之增厚,超過600攝氏度后,鈦開始吸收氧并使氧溶解到鈦中。溫度再升高,鈦的活性就急劇增加,并與氧發生激烈反應而生成鈦的氧化物。鈦在300°C以上開始吸氫,在700°C以上開始吸收氮。氧和氮對鈦污染的結果是使鈦強度和硬度增高,而塑性降低。氧比氮的影響程度更大。

鈦中氫的質量分數為0.01%~0.05%時,會使焊縫金屬的沖擊韌性急劇下降,而塑性卻下降較少。這說明是氫化物引起的脆性(氫脆)。氫也是引發焊縫產生氣孔的根源。

熔化焊焊接過程中,熔池像一個小的冶金爐,熔融金屬暴露在大氣中。如果不采取相應的防護措施使熔融的金屬與空氣隔絕,則氧、氮、氫等氣體元素會融入鈦中,形成脆性氧化物或氮化物,致使焊縫金屬塑性降低,拉伸強度提高,嚴重的情況下將發生脆斷,塑性等于0。

鈦

其他雜質對焊縫金屬性能的影響

其他雜質指的是除去氣體雜質外可能融入熔池的雜質。其來源可能是焊接操作環境不清潔,焊工戴臟手套觸摸焊接件遺留下油污、焊接前用棉紗擦洗接頭可能留下棉絮、焊接生產環境與鋼鐵焊接產生混合可能產生的鐵銹、水分和其他一些有機物等。這些污染物在電弧高溫作用下分解出氧、氫、氮、碳等元素,然后溶于溶觸的鈦中。當這些元素的量超過在鈦中的溶解度時,便形成相應的化合物,如二氧化鈦,氫化鈦,氮化鈦,碳化鈦等。這些化合物隨著熔池結晶而進入鈦的晶格中,導致畸變外區,從而改變鈦的力學性能。

有些微量元素少量融入鈦中,如果量不超過允許的范圍還是可以的,有時也是人們希望的。但超量的雜質元素含量是不允許的,特別是有機物雜質,有百害而無一利,這是因為這些雜質元素使得鈦焊縫的力學性能變差,減低耐腐蝕特性外,還是寒風中產生氣孔的根源。

焊縫金屬和接頭熱影響區的組織變化

鈦是有同素異形體轉變的金屬。在886°C時開始發生組織的固態轉變。886°C一下晶體結構為密排六方結構,成為α鈦;高于886°C時α結構的鈦轉變為體心立方結構的β鈦。這個轉變過程是在熔池由液態變為固態的瞬間完成的。而這個瞬間長短差異對熔池的結晶形式有影響,瞬間越長越有利于柱狀晶生長。由于鈦具有熔點高(1668°C)、熱容量大和導熱性能差等特性,所以焊接時焊縫收到焊接線能量大小和焊縫強制冷卻的好壞影響,寒風處于高溫下滯留的瞬間就有差異。瞬間稍長給熔池結晶柱狀晶長大和接頭熱影響區加寬提供了條件。這也是焊接接頭塑性下降的主要原因之一。接頭的拉伸強度端口往往發生在焊縫熱影響區。為了降低這一不良影響,鈦焊接時盡量采用較軟的焊接規范,即用較小的焊接線能量和較快的冷卻速度。

氣孔是鈦焊縫中常見和較難避免的缺陷

氣孔是鈦材焊接中常見的工藝缺陷。氣孔生成的機制是:焊接過程中融入液態金屬的氣體經過擴散、脫溶、成核、長大等過程而形成氣泡。由于熔池的凝固結晶速度很快,長大的氣泡來不及逸出液態金屬時就以氣孔的形式殘留在固態金屬中。釀成氣孔的氫氣和一氧化碳等氣體主要由有機物的污染物晶電弧熱作用產生的。有時焊接前對焊件和焊材做了充分清潔、清洗、清漆保護的效果也理想,但寒風中仍然有氣孔。這說明了起重要作用的污染源沒有徹底清除。實踐證明,有一個重要的氣源往往被忽略,那就是空氣中的水分。一個對比實驗證明了這一點。在兩種不通空氣濕度的環境中焊接:一種情況是在陰雨天氣環境中,相對濕度在90%以上焊接,另一種是在陽光明媚晴朗天氣環境中,濕度小于40%焊接。其他的焊前清潔、清洗及焊接操作等完全相同。陰雨天空氣濕度較大時鈦焊縫中存在的氣孔既多又大,而空氣濕度較小的情況下的焊縫中沒有見到氣孔。這也充分說明了氣孔產生和空氣濕度大小是有重要關聯的。

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