钛材(TA2)的焊接性试验研究

2019-11-28 19:23付启帅李嘉美曲世超苗卉
商品与质量 2019年33期
关键词:试板氩气坡口

付启帅 李嘉美 曲世超 苗卉

大连宝原核设备有限公司 辽宁大连 116000

随着国民经济的发展,由于钛材特殊的抗腐蚀性能,在高温和低温下都有良好的力学性能,比重轻,无磁性,具有金属光泽,在石油、化工、医药等许多行业得到广泛地应用,而且我国钛资源丰富,钛及钛合金在我国会有很好的发展前途。但是由于钛材具有熔点高,热熔大,导热性差以及化学活性高等特点,它的焊接性能远比钢材差,焊接时易产生气孔、氧化及裂纹等缺陷,焊接时应采用特殊工艺措施与防护手段。因此本课题制定合理的焊接工艺及气体保护措施,通过焊接性试验研究,保证产品焊接接头的质量。

1 钛材的焊接性分析

钛材(TA2)的熔点高(1668℃),属于难容金属,在焊接时需要高温热源。钛的导热系数低,仅为碳钢的一半,导热性差热量不易散失,过热倾向严重。由于焊接时需要高温热源,散热差,因此焊接时高温停留时间长,容易引起焊缝的过热倾向,使晶粒变得十分粗大,产生脆性组织,焊接接头的塑韧性显著降低。当结构刚性大时,在焊接残余拉应力作用下,还会导致产生裂纹[1]。钛材(TA2)焊接的主要问题是容易氧化、氮化、产生气孔及脆裂,同时可焊性降低。由于钛材的化学活性大,高温固态及熔融状态下极易被空气、水分、油脂等污染,吸收氧、氮、氢、碳等杂质。相关资料介绍,钛在熔融状态下从250℃开始吸收氢、从400℃开始吸收氧、从600℃开始吸收氮,而空气中含有大量的氧和氮。为保证焊接接头的塑韧性,防止氧污染脆化,一般要求钛材中含氢量低于0.15%,焊接时具有良好的清洁环境及防护措施。

2 钛材的氩气保护措施

由于钛的活性高,为了防护焊缝氧化、产生气孔,焊接时保证氩气纯度在99.99%以,同时应考虑焊枪结构和制作氩气保护工装。氩弧焊时喷嘴直径要大一些,喷嘴到工件的距离小一些,这样气体保护充分。通常情况下,由于焊接时喷嘴已不足以保护焊接接头,氩气保护不充分,一般需要附加拖罩,通常拖罩宽度30-60mm,拖罩长度50-100mm,具体以焊件厚度及坡口宽度而定,薄的焊件拖罩短些,厚的焊件则要长些。针对不同的焊接接头,纵缝用平的拖罩,环缝用弧形拖罩。保护拖罩材质应为纯铜,保护罩内侧应增加一个铜管Ø10×1mm,钻Ø1mm孔,通常孔间距10mm,均匀分布,并在铜管上加两层不锈钢滤网,这样气体保护均匀。评定氩气保护效果好坏最简单的办法是目视焊缝表面的颜色,如果焊接接头表面呈银白色为保护良好;淡红色的焊接接头保护状况为尚好;深蓝色的焊接接头为较差;灰色的焊接接头为差[2]。

3 焊接性试验方案

3.1 试验用的材料

试验用的母材为TA2,规格500×125×10mm,1对,退火状态供货,参照标准GB/T 3621-2007。

试验用的焊材为ERTi-2,规格Φ2.4mm,参照标准ASME Ⅱ卷 C 篇 SFA-5.16-2017 版。

3.2 试板坡口形式与制备

焊接试板的坡口形式采用单V,坡口角度60,间隙2-3mm,钝边1.5mm。焊接试板制备采用机加方法,坡口面应无锈蚀、油污等杂质,试板周转过程应避免与铁屑接触。

3.3 试验焊接

3.3.1 焊接工艺参数及操作要求

试验焊接采用GTAW方法平焊,直流正接(反极性),焊材及直径 ERTA2EL1Φ2.4,焊接电流120-160A,焊接电压12-16V,焊接速度7-12cm/min,预热/道间温度15/ 140℃,保护气体99.99%Ar(整体保护),预热温度/层间温度为15℃/140℃。

焊接前,确保待焊表面满足焊接要求,采用专用橡胶或尼龙的氧化铝砂轮打磨,坡口呈现金属光泽,不得有锈蚀、油污等杂质。焊接过程中禁止摆动焊,并且单个焊道最大宽度小于13mm,注意焊道清理和层间温度控制[3]。

3.3.2 气体保护要求

由于焊接过程氩气保护不当焊缝表面会氧化并产生气孔,因此整个焊接过程焊缝必须得到有效保护。背面气体保护工装在常规板上开槽,固定焊接试板背面;正面在焊嘴上增加保护托槽,长50mm,宽30mm。气体必须是纯氩,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,应为20-24L/min。

3.4 试验结果及分析

室温拉伸Rm分别为:410Mpa、430Mpa;面、背弯180°(各2个)均合格;焊缝室温冲击值分别为74J、71.2J、79J,热影响区冲击值分别为89J、143.2J、139J,母材冲击值分别为114J、134J、127J,其接头性能试验结果完全达到母材钛板(TA2)性能要求。

通过观察焊缝的宏观形貌可见焊缝外观并无氧化、气孔及裂纹等缺陷,焊缝均匀,成形良好,说明采用的气体保护工装效果良好,焊接性良好。

通过观察力学性能试验的宏观形貌可见,弯曲试样宏观形貌沿着焊缝和热影响区并无裂纹缺陷;拉伸试样断口纤维粗糙,为韧性拉伸断裂;冲击试样的宏观形貌断口纤维粗糙,韧窝区明显,是明显的韧性断裂。通过分析力学性能试验的宏观形貌说明焊接接头具有良好的塑韧性。

4 结语

通过以上试验可以得出以下结论:对钛材TA2的焊接性分析和研究气体保护措施,制定的焊接性试验方案合理,其力学性能试验完全可以满足使用要求,能够保证产品焊接接头的质量。

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