TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究（可编辑）.doc

《TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究（可编辑）.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究（可编辑）.doc（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究 TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性研究 Study on TIG Welding Procedure and Reliability of TA2 Commercial Pure Titanium Pipe学科专业:材料加工工程 研 究 生:郭靖 指导教师:荆洪阳 教授 天津大学材料学院 二零一二年十二月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的

2、同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日我是爱天大的! ! 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 摘 要 钛及钛合金由于自身优异的综合力学性能、良好的耐腐蚀性而广泛地应用于航空航天、石

3、油化工、船舶工业等领域。由于钛及钛合金得到了越来越多的重视,工业界对于钛合金的焊接的研究也越来越多。 本研究以直径 50.8 mm、壁厚 4.0 mm的 TA2工业纯钛管为对象,分析了钛合金的焊接性及焊接中的常见问题,制定了合理的手工钨极氩弧焊焊接工艺参数。第一层焊接参数:焊接电流 80-90 A,焊接电压 8.5-11 V;第二次焊接参数:80-90 A,焊接电压 8.9-11.6 V。 通过焊接工艺试验,明确了合适的坡口设计、焊前清理方法、焊接工艺参数。并设计了针对钛管焊接的气体保护罩来避免气孔、裂纹等工艺缺陷。 最后,根据相关检验标准,对焊接件进行了无损检测、力学性能测试、金相组织观察以

4、及电化学测试等一系列试验。试验结果证明焊接质量优良,焊接工艺可直接应用于工程实际。关键词: TA2工业纯钛 手工钨极氩弧焊 焊接工艺研究 焊接检验 ABSTRACT Titanium and its alloy have been extensively used in aerospace, petrochemical, shipbuilding industry and medical application owing to their excellent mechanical property and corrosion resistance. Because titanium and

5、titanium alloy have got more and more attention in industry, the research on the welding of Titanium and its alloy increases rapidly This thesis mainly analyzes the welding ability and the common weld defects based on the TA2 pipes with 50.8 mm diameter and 4 mm thickness. Besides, weld defects are

6、reduced by develop the reasonable welding process. Welding parameter of the first welding layer: welding current is 80-90 A, Arc voltage is 8.5-11.0 V; welding parameter of the second welding layer:welding current is 80-90 A,Arc voltage is 8.9-11.6 VThe groove type, the cleaning methods before weldi

7、ng and the welding parameter are decided, after the pre-production welding test. At the same time,a gas shielded cover is design to protect the welding process from gas pores and cracksAt last, the corresponding non-destructive, mechanical performance test and the corrosion test are applied. The res

8、ult shows that the welding joints have good quality, and the welding process is feasibleKEY WORDS:TA2 commercial pure Titanium, TIG welding, welding process research, welding inspection目 录 目 录. 3?第一章 绪论. 6?1.1钛及钛合金的应用7?1.1.1 钛在航空工业中的应用. 7?1.1.2 钛在海洋工程中的应用. 7?1.1.3 钛在民用工业中的应用. 7?1.1.4 钛在医疗行业的应用8?1.2

9、钛合金常见焊接方法 8?1.2.1 熔化极氩弧焊8?1.2.2 等离子弧焊 8?1.2.3 电子束焊. 9?1.2.4 激光焊9?1.2.5 电阻焊9?1.2.6 钎焊. 10?1.2.7 钨极氩弧焊. 10?1.3 焊接方法的选择 10?1.4 焊接工艺设计. 11?1.5 焊接接头性能研究11?1.6 本文研究目的及主要内容13?第二章 TA2管焊接性分析14?2.1 TA2焊接中的常见问题. 14?2.1.1 焊缝金属晶粒尺寸粗大14?2.1.2 焊接接头脆化 14?2.1.3 焊接裂纹15?2.1.4 气孔. 15?2.1.5 杂质污染16?2.1.6 焊接变形16?2.2 本章小结

10、16?第三章 焊接工艺试验. 18?3.1 焊接材料及设备 18 3.1.1 TA2 管的选择. 18?3.1.2 焊丝的选择. 18?3.1.3焊机的选择18?3.1.4 保护气体的选择19?3.1.5 气体保护罩. 20?3.1.6 其他工具21?3.2焊前准备. 21?3.2.1坡口设计 21?3.2.2 焊前清理22?3.2.3 钛管的装配. 23?3.2.4 设计氩气拖罩保护装置,选择合适的氩气流量. 23?3.3 确定焊接工艺参数24?3.3.1 确定焊接层数 24?3.3.2 确定焊接工艺参数. 24?3.4焊接中注意事项. 28?3.5 焊接质量检验方法29?3.6 焊接缺陷返

11、修工艺要点 30?3.7 本章小结 30?第四章 TA2管焊接质量检验方法32?4.1 焊接质量检测及分析方法32?4.2 外观检验 32?4.3 渗透检验 33?4.4 射线检测 33?4.5力学性能研究34?4.5.1 弯曲试验34?4.5.2 拉伸试验36?4.5.3 断口分析37?4.6 TA2 管材焊后显微组织观察及硬度实验 38?4.6.1显微组织试验. 39?4.6.2 硬度试验40?4.7 焊接接头耐蚀性研究. 41?4.7.1电化学电极电位腐蚀试验42?4.7.2电偶电位腐蚀试验44?4.8 本章小结 46 结论. 47?发表论文和参加科研情况说明51?致 谢52第一章 绪论

12、 第一章 绪论 钛在上世纪 50年代走向工业化,是一种具有优秀综合性能的新型结构材料。钛拥有密度小,比强度、疲劳强度高,塑性、韧性好,耐腐蚀好,线膨胀系数低,生理相容性好,具有储氢、超导、形状记忆功能等一系列优点,因此钛被称为太1,2空金属、海洋金属、智能金属 。 3钛的密度为 4.51 g/cm ,属轻金属;熔点比较高,约为 1688,比热容为 522 J/kg?K,导热率 16 J/m?s?K;钛在常温下强度高,并且在高温下也能保持比较高的强度。钛的耐腐蚀性能优异,在水和空气中,钛可以在短时间内和氧反应,3在其表面生成一层致密的氧化膜,这层氧化膜使钛具有良好的耐腐蚀性 。此外,钛还具有良好

13、的塑、韧性。 钛具有 2种晶格结构:882以下为密排六方晶格结构,称为 钛;882 以上为体心立方晶格结构,称为 钛。通过合金化的方法,可以改变相稳定存在的温度范围,使得 钛和 钛在室温下存在。 钛合金是含有 稳定元素铝和中性强化元素锡等的钛合金。 钛合金有良好的热稳定性,蠕变强度,组织稳定性,低温力学性能和焊接性; 钛合金含有高比例的 稳定元素 Mo 和 V等; + 钛2合金的组织是由 钛为基的固溶体和 钛为基的固溶体两相组成 。 与其它材料相比,钛具有以下特点。 (1)钛的密度小、强度高。钛的密度,仅为铁的 57.4%,铜的 50.7%。钛合金的比强度是常用工业合金中最大的,为不锈钢的 3

14、.5倍,是铝合金的 1.3倍,是镁合金的 1.7倍。 (2)耐蚀性能优异。由于钛能在表面形成致密的钝性氧化膜,所以钛在海水、湿氯气、亚氯酸盐及次氯酸盐溶液、硝酸、铬酸、金属氯化物、硫化物、除草酸和大于 10%的甲酸外的有机酸、5%以下的硫酸、盐酸、磷酸等很多腐蚀性4,5介质中不被腐蚀 。钛表面的钝化膜有很强的自愈和再生能力,即使遇到机械磨损等情况也能迅速生成新的氧化膜,完全满足钛在一般情况下的耐腐蚀性要求。钛在海水中的耐腐蚀性要高于不锈钢、铝合金和镍基合金。 (3)高温性能好。钛的耐热性能好,通常铝在 150,不锈钢在 310即失去了原有的较高的力学性能,而钛合金在 500左右仍保持良好的力学

15、性能,有些钛合金的工作温度可高达 550,并有可能在未来达到 700。 (4)低温性能好。钛合金在低温下依然可以保持较高的强度、塑性及韧性。6第一章 绪论 1.1 钛及钛合金的应用 材料的应用取决于其性能,由于钛合金这些优秀的性能,钛合金材料越来越6广泛地运用于航天航空、化工、医疗器械以及海洋工程等领域 。 1.1.1 钛在航空工业中的应用 7钛的应用起始于 20世纪 50年代初,最早应用于航空工业 。钛合金具有较高的比强度,钛合金的强度和钢相近但密度远小于钢;并且钛耐热性能好,钛熔点为 1668,远高于铝和镁,再结晶温度也高达 600。由于这些特性,钛合金适合用于制造飞机,航天飞船的部件。目

16、前,大约一半以上的钛材应用于航天航空领域,主要运用在航空发动机、机体和机载设备上。钛的应用始于军用飞机,8目前美国的 B-1轰炸机中使用了约 21%的钛合金作为结构材料 。从上世纪 60年代开始,钛合金开始应用于商业飞机,在世界上最成功的商用飞机波音系列飞机中,钛材使用比例也逐渐提高,其中从波音 707的 0.3%增加到波音 777的 9.4%。 1.1.2 钛在海洋工程中的应用 钛在船舶及海洋领域的诸多方面有着重要应用,被称为“海洋金属”。海水有较强的腐蚀性,这就要求用于海洋中的材料具备良好的耐腐蚀性;另外应用于海洋中的材料要长期受海水冲刷与海浪周期性冲击,因而对材料的综合力学性能也有较高要

17、求。钛的力学性能好,耐腐蚀能力极强,在海水及潮湿环境下几乎不会被腐蚀,综合性能远优于不锈钢、铝合金、铜等传统金属结构材料 ,是舰船、9海洋工程的理想材料 。例如,TA16和 TA17钛合金已经运用于俄罗斯潜艇中,极大地提高了潜艇的战斗性能和安全可靠性。钛在海洋开发中也显得越来越重要,主要涉及海上采油设备、海水淡化等。在海上采油设备中,设备要经常接触海水、原油、氯化物、硫化物的腐蚀;还有承受工作载荷和风浪冲击。钛材制作的海水海洋工程设备,虽然一次性投资大,但是维护费用低,使用时间越长经济效益越明显,通常钛制设备的设计寿命高达 50 年,寿命远高于传统金属材料。 1.1.3 钛在民用工业中的应用

18、钛合金在化工、冶金、电力等民用工业上也越来越受到重视。在石油加工过程中,加工设备要经常接触高温、高压、腐蚀介质,传统材料在服役期间常常会发生安全事故。为了解决这些问题,目前国内外都逐渐开始采用钛合金作为制作工业设备的材料。钛制设备应用于沿海发电站冷凝器,有效解决了不锈钢及铜合金因腐蚀而漏气带来的问题;炼油厂中采用钛制设备有效减少了因为硫化物等腐7第一章 绪论 蚀而带来的巨大的经济损失;此外钛合金也越来越多地应用于生产酸、碱、化肥、农药的生产中。钛合金的广泛应用,在一定程度上促进了工业的发展。 1.1.4 钛在医疗行业的应用 钛密度小、耐腐蚀性好、无毒性,是制作医疗器械的重要材料。钛应用于医疗领

19、域,主要是被用作人体植入件、手术器械。在常被制作成人体骨骼和人体关节用于人体硬组织修复的金属材料中,钛的弹性模量和人体最接近,大约 80-110 GPa,这样的弹性模量可以减轻金属种植体与骨骼组织见的机械不适应。钛的热导率低,仅为金合金的 1/17,用于制作假牙能有效保护牙髓、避免冷热刺激作用。钛用于手术器械的好处有减轻重量,耐腐蚀性好且无毒。 1.2 钛合金常见焊接方法 选择钛合金的焊接方法时,要考虑钛合金的物理性能、化学性能和冶金特点。由于钛在高温下很活泼,极易吸收空气中的氧、氢、氮等杂质,危害焊接接头质量,因此在焊接时必须在氩气保护下或真空中焊接。同时,由于钛合金的比热容低、导热性能差、

20、热影响区容易过热,因此需要选择能量集中的焊接方法。 目前来说,钛合金焊接的方法有以下几种,分别是:熔化极氩弧焊,等离子焊,电子束焊,激光焊,电阻焊,钎焊,钨极氩弧焊等。 1.2.1 熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊(MIG焊)采用氩气作为保护气体,使用焊丝作为熔化电极,其特点是熔敷速度较高,焊接变形小,适用于中厚度钛材的焊接,并且采用直流反接的方法。虽然 MIG焊有生产效率高、焊接变形小的特点,但在焊接过程中,熔滴以细颗粒的形式过渡,填充金属容易受到杂质污染,飞溅问题相对严重,影响焊缝成形和气体保护效果,焊缝成形不如钨极氩弧焊。 1.2.2 等离子弧焊 采用氩气保护的等离子弧焊,也常用于钛及钛合金的

21、焊接。等离子弧焊具有线能量大、单面焊双面成形、得到的焊件受热面积小、变形小、气孔少等优点,10,11非常适合钛合金的焊接 。等离子弧的能量密度介于钨极氩弧焊和电子束之间,用等离子弧焊接钛及钛合金时,热影响区较窄,焊接变形也较易控制。与钨极氩弧焊相比,等离子弧焊焊接后的钛材有几乎相同的强度、更好的塑性,另外12等离子弧焊生产效率高于钨极氩弧焊 。但是,等离子弧焊焊接设备成本高,对8第一章 绪论 焊接操作要求高,同时焊接时伴随着较强的辐射、大量烟尘、噪音。等离子弧较其它电弧的光辐射强度更大,尤其是紫外线的强度大,对皮肤损伤严重;焊接中伴随有大量汽化的金属蒸气、臭氧、氮化物等,对焊工的身体健康不利。

22、 1.2.3 电子束焊 电子束焊在物理本质上是利用真空电子枪产生高能电子束轰击焊接接缝,高速电子与焊件发生碰撞时将其动能转送给焊件,使之加热熔化。电子束焊的电子束斑直径小,形成的焊缝窄而小,焊缝深宽比达到 20:1,单次可焊透工件 100 -250 mm以上。电子束具有焊接热量集中,功率密度高,热效率高,热影响区小,焊13,14接变形小等特点 。由于电子束焊焊接热输入较小,冷却速度比较快,另外高温停留时间短,焊后晶粒为较均匀的等轴晶,使得焊接接头强度较高,塑性降低15。但是,电子束焊要求在严格的高真空环境中进行焊接,无形中增加了成本,对焊接接头的装配要求也较为严格。 1.2.4 激光焊 激光焊

23、接是利用激光能量密度高,电磁能相干性好、单色性强、方向性好的16特点进行焊接的方法 。激光焊将强大的光源聚焦在一个很小的区域,使该区域内的金属熔化,实现材料间的连接。为了避免氧、氢、氮等杂质元素的影响,在激光焊接过程中需要使用氩气进行保护。采用激光焊焊接钛得到的热影响区小,焊件变形小,焊接准确;焊接时可通过玻璃窗进行焊接,不需与焊接区直接接触,不受磁场的影响,焊接时不需要焊料,焊接时间短;国内外许多学者对 TC4等17-19钛合金的激光焊进行了研究,证明了激光焊是一种焊接钛合金的有效方法 。1.2.5 电阻焊 钛的电阻率大,导热性小,较易进行电阻焊。电阻焊利用电流通过焊接接触面间的电阻产生热量

24、,同时对焊接处加压进行焊接,利用电阻电焊焊接钛板时不需要进行惰性气体保护,这是因为焊前待焊面已经在压力下紧密接触,不易受大20气污染 。采用闪光焊的方法可以焊接管类钛材。但是,电阻焊的焊接接头抗拉强度和疲劳强度要明显低于钨极氩弧焊、电子束焊等方法得到的焊接接头,此外电阻焊设备成本较高也限制了电阻焊的应用。9第一章 绪论 1.2.6 钎焊钎焊方法适用于受载不大或在常温下工作的接头,尤其适用于精密、微型复杂零件及多钎缝焊件钛合金零件。钛及钛合金的钎焊一般选择在真空或者氩气环境下进行。常用的钎焊材料大致可分为 Ag 基、Al 基、Pd 基和 Ti-Zr 基这四21-24类 。目前,钛的钎焊技术在航空

25、、航天和民用工业等领域得到了越来越广的25应用 。 1.2.7 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是焊接钛合金中最常用的焊接方法,主要用于 10 mm以下厚度材26料的焊接 。在焊接过程中,电极和周围的电弧区处在惰性气体氩气的保护之中,能够得到优质焊缝。钨极氩弧焊具有焊接热量集中、焊接质量好、焊缝区无熔渣的特点,适合焊接钛合金薄板及全位置管道焊接。钨极氩弧焊也存在着一些不足,例如生产效率低。钨极的载流能力低,焊接时不宜采用大电流,焊接线能量小,焊接生产效率低。钍钨极相较于纯钨极有更高的载流能力,不容易烧损,在焊接时一般采用钍钨极可减小焊缝夹钨和增大焊接热输入。 1.3 焊接方法的选择 选择合适的焊接方法时

26、,首先应从焊接质量上分析。在焊接工业纯钛中而熔化极氩弧焊焊接质量较差,电阻焊、钎焊焊接接头力学性能较差钨极氩弧焊,而等离子弧焊、电子束焊、激光焊的焊后焊接接头性能都达到了相关要求。其次,需要考虑设备成本以及钛管现场施工因素。电子束焊、激光焊成本高以及不能在施工现场焊接的缺点,严重制约了其应用于钛管焊接。等离子弧焊和钨极氩弧焊都可以满足现场焊接钛管的需要,但是等离子弧焊产生噪音、辐射、烟尘很大,不利于工人长期工作,而且设备成本较高。所以在现场焊接时,一般更倾向于选择采用钨极氩弧焊(TIG焊)。 TIG焊后的抗拉强度和伸长率好,焊缝与母材熔接稳定,焊接质量能够符合大多数情况的要求。同时考虑到钛管焊

27、接现场的条件,TIG焊更易于实施,应用比较广泛。 在本研究中,选用钨极氩弧焊(TIG)焊用来焊接 TA2 管材,并按照相关检验标准对焊接接头进行无损检测、力学性能研究和在工特定条件下耐腐蚀性能研究。10第一章 绪论 1.4 焊接工艺设计 TA2管焊接工艺通常包括以下内容: (1)确定焊接工艺实施条件:钛管用途、现场焊接条件及一些技术要求。 (2)确定焊接试验钛管:包括牌号、直径、壁厚、化学成分、力学性能等。 (3)选定焊接材料和焊接设备:包括焊丝的牌号、直径,保护气体纯度,焊接设备型号。 (4)焊接接头设计:包括坡口形式、钝边、坡口角度、间隙、焊接层数等。 (5)焊前准备:包括焊前清理、定位方

28、式等。 (6)确定工艺要求:如焊接方法、层间温度、焊接速度、焊接电流电压、气体保护时间等。 (7)确定焊接质量检验方法:根据焊接后钛管的服役环境所要求的相关性能指标,参考相应标准制定焊缝外观检查及无损检验要求与方法,设计焊接接头试验项目及要求。 (8)确定焊接缺陷返修工艺:确定合理的返修工艺,保证返修后钛管的质量。 1.5 焊接接头性能研究 焊接接头的性能决定了焊后的钛管能否在特定工作环境中安全服役。 气孔、裂纹、未焊透以及夹杂是焊接 TA2钛管的常见缺陷,这些缺陷的存在在极大降低了焊接接头的性能。合理的焊接工艺可以有效避免这些焊接缺陷。目前,无损检验以及断口分析是探究是否存在这些焊接缺陷,判

29、断焊接工艺是否合理的重要方法。焊接是一个复杂的冶金过程,在焊接后焊接接头的力学性能不可避免地发生变化。若焊接接头的力学性能达不到要求,往往会导致严重的安全事故。所以,在保证没有焊接缺陷的基础上,还需要研究 TIG焊后的焊接接头的力学性能。目前,通常采用拉伸试验测试焊接接头的强度;通过硬度、弯曲试验分析材料的塑性、韧性;通过对断口分析判断焊接接头的断裂方式。此外,对焊接接头的金相组织进行观察,从微观组织出发可分析焊接接头区域发生性能变化的原因。 为了加强对焊接质量的控制,许多国家都制定了相关的焊接质量评定的标准。如我国提出了 GB/T1246712469-90焊接质量保证,GB 2649-198

30、9焊接接头机械性能试验取样方法,GB 2651-1989焊接接头拉伸试验方法等相应标准等焊接质量评定标准;英国标准协会在 1980年提出了 BSI?PD6493 焊接缺陷11第一章 绪论 验收标准若干方法指南;美国机械工程师协会制定了 ASME IX焊接和钎焊评27定标准 。这些标准从质量控制标准、合于使用的标准等角度,为各项焊接性能测试的进行以及焊接质量验收提出了指导性意见。 钛制设备常常与腐蚀性介质接触,这决定了钛焊接接头也需要具有高的耐腐蚀能力。目前,国内外主要依靠电化学测试方法,对钛合金的耐腐蚀性也进行研究。如 Iara Augusta Orsi 等,通过研究阳极极化曲线,分析了激光焊

31、和钨极氩弧焊对整个 TA2焊接接头的耐腐蚀性影响,试验结果表明钨极氩弧焊后焊接接头的28耐腐蚀性能要好于激光焊后得到的焊接接头 。 Atapour 等结合了金相组织观察和极化曲线测试的方法,研究了经过搅拌摩擦工艺后的 TC4合金在盐酸中的耐腐29蚀性能,结果表明经过处理后的耐腐蚀性能优于原来铸造态的 TC4 合金 。国内方面,张向东等研究了强流脉冲电子束处理对 TA15 钛合金耐蚀性能的影响,通过观察处理前后钛合金表明组织形貌变化以及极化曲线测试方法,证明了强流30脉冲电子束有利于生成更致密的钝化膜,增强其耐腐蚀性 。 钛在表面生成钝化膜以后具有很高的电位,在腐蚀介质中与其他材料连接时容易形成

32、原电池,腐蚀掉电位较低的金属。因此,目前对于钛合金与其他材料的电偶腐蚀行为也越来越受到重视。 Blasco-Tamarit 等研究了 TA2焊接接头和 TA2工业纯钛在 LiBr 溶液中偶接时的电偶腐蚀行为,发现焊接接头成为了电偶腐蚀中的阳极,出现了轻微的电偶腐蚀,并且温度越高电偶腐蚀越严重。沈文雁等通过电偶电流试验,分析了 Ti-15-3钛合金和不锈钢、碳纤维材料、铝之间的电偶31腐蚀严重程度 。 可以看出,目前在对钛合金的焊后耐腐蚀性研究中,大多是将整个焊接接头作为研究对象,并与钛合金母材或其他材料进行对比。这样的试验方法可以检验焊接接头的整体的耐腐蚀性能,但不能单独研究出焊缝、热影响区这

33、些单独的区域内的耐腐蚀性能的差异,无法分析出焊接加工对于这些不同区域耐腐蚀性能产生的影响。本文首先对于焊接接头进行打磨、抛光、腐蚀处理,确定焊缝、母材、热影响区的具体位置。然后在不同区域进行取样,加工出用于电化学试验的母材、焊缝、热影响区的试样。通过电极电位腐蚀试验,研究焊缝、热影响区、母材在 3.5% NaCl 溶液中的耐腐蚀性能。通过和母材试样对比,分析焊接对焊缝、热影响区钝化膜性能的影响。另外,还研究了在 3.5% NaCl 溶液中,焊缝和母材偶接时的电偶腐蚀情况,探讨了焊接接头内部的电偶腐蚀情况。12第一章 绪论 1.6 本文研究目的及主要内容 在石油、化工、能源等工业中,由于传统的不

34、锈钢、铝合金管道在接触原油、海水、氯化物和硫化物等腐蚀性介质后,会出现不同程度的腐蚀。这些设备的腐蚀,给国民经济、环境发展来带了巨大危害,并且可能引发安全事故。钛作为一种新型材料很好地解决了这些问题。钛具有密度小、强度高、耐蚀性远高于不锈钢的特点,用钛制成的管道寿命远高于传统材料,经济效益明显。工业二级纯钛TA2,由于其优秀的综合力学性能、加工性能和耐腐蚀性能成为了制作钛管的重要材料。钛管的安装、连接离不开焊接技术的支撑,而钛由于高温下性质活泼,是比较难焊金属。因此本文开发了 TA2管道的钨极氩弧焊工艺,并对焊后质量进行了研究。 本文主要内容包括:从 钛合金的物理、化学性能出发,分析了 TA2

35、管焊接中常见焊接缺陷及控制措施。制定了 TA2管焊接工艺设计方案,具体包括选择合适的焊接设备、焊接材料,开发生产施工的惰性气体保护机构,制定合理的坡口设计、焊前清理、焊前组对方案。此外,通过焊接试验确定了合理的焊接工艺参数,并通过对焊接接头进行外观检验、无损检验、力学性能研究、显微组织观察以及耐腐蚀性研究等一系列试验,确保了焊接工艺满足实际应用。13第二章 TA2管焊接性分析 第二章 TA2 管焊接性分析 工业纯钛是指含有少量 Fe、C、O、N、H 等杂质,钛含量不低于 98.5%质量分数的致密金属钛。工业纯钛强度在 280720 MPa 之间,具有良好的塑性、韧性,并且工艺性能优异,有较好的

36、耐腐蚀能力;工业纯钛常被制成制造非承力1件,长期工作温度可以达到 300以上 。工业纯钛以其优异的综合性能应用于各个领域,包括航天航空、船舶、化工、医疗器械等。 根据工业纯钛中的杂质含量和纯度,可以将其分为四个等级TA0TA3,这四种等级的工业纯钛间的间隙杂质元素是逐渐增加的,故其机械强度和硬度也随32,33之逐级增加,但塑性、韧性相应下降 。工业纯钛中应用最广的要数 TA2工业二级纯钛,这是因为和 TA0、 TA1相比,TA2 具有更高的强度和耐磨性;与 TA3 相比,TA2 具有更好的工艺性能。 本文所采用 TA2管材作为焊接试验的基本材料。2.1 TA2 焊接中的常见问题 由于钛在高温下

37、化学性质非常活泼,所以钛是一种较难焊接的金属。常见的焊接问题包括焊缝及周围区域晶粒粗大、焊接接头脆化、裂纹、气孔、杂质元素34,35的污染等 。 2.1.1 焊缝金属晶粒尺寸粗大 钛合金具有熔点高、导热性能差等特点,这样的物理性能决定了在 TA2焊接过程中容易出现焊缝、热影响区的组织粗大现象,引起塑性、韧性降低。因此在制定焊接工艺时,必须考虑焊接热输入对晶粒大小的影响,要严格控制热输入,从选择合适的焊接电流、焊接电压、焊接速度的角度来研究控制晶粒尺寸的措施。 2.1.2 焊接接头脆化 钛及钛合金在焊接过程中极易受气体等杂质污染而脆化。在常温下钛及钛合金比较稳定,能与氧发生反应在表面生成致密的氧

38、化膜,该氧化膜的产生使得钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性。然而,随着温度的升高,钛及钛合金吸收氧、氮及氢元素的能力明显增加,钛从 250开始吸收氢,从 400开始吸收氧,从 600 36开始吸收氮 。氢是影响钛性能的有害元素之一,它会导致钛的塑性与韧性降低,14第二章 TA2管焊接性分析 发生氢脆。在冷却时,氢来不及时溢出会产生气孔,故一般要求钛材中氢含量小于 0.01%0.15%。钛和氧有很强的亲和力,在较低温度时,氧进入钛表面晶格生产了致密的氧化膜,极大提高了钛的耐腐蚀能力;当温度升高时钛的氧化膜会变成多孔状,氧会通过小孔进入钛内部,生成间隙固溶体,在钛内部形成硬化层,降低钛的塑性。钛在 60

39、0以上会与氮作用,使焊接接头的塑性韧性下降,引起气孔和裂纹。因此,焊接时需对熔池、焊缝及温度超过 200的热影响区妥善保护。 2.1.3 焊接裂纹 由于钛及钛合金中 S、P等杂质很少,不容易形成晶界上的低熔点共晶,结37界温度区间窄,焊接凝固收缩量小,所以出现热裂纹的可能性比较小 。但是若母材和焊丝杂质含量超标,则有可能出现焊接热裂纹,因此在选择母材、焊丝时要严格控制杂质含量,并且在焊前要对母材、焊丝进行清理,严防杂质元素进入。 冷裂纹是焊接 TA2钛管时的主要问题之一。在焊接过程中,如果没有受到良好的保护,钛及钛合金就容易受到氧、氢、氮等杂质的污染而脆化,在焊接应力的作用下出现冷裂纹。氢是形

40、成冷裂纹的主要原因。氢在扩散过程中,会从固溶体中析出 TiH;析出 TiH的过程将会出现较大的体积变化和较大内应力。为了避免冷裂纹的出现就要重点防治氢的危害。 在制定焊接工艺时,可以通过控制氢、氮等杂质元素的方法来减少裂纹。 2.1.4 气孔 气孔是 TA2管焊接时最常见的缺陷。气孔带来的主要影响是降低焊接接头的疲劳强度,气孔的存在将会使得疲劳强度降低一半以上。 钛管焊接接头中的气孔按来源可以分为冶金反应生成的气孔,外部空气倾入形成的气孔,油污、水分分解产生的气孔。其中,因为焊前清理不到位而附着在钛管、焊丝表面上的油污是造成气孔的主要原因。在加工焊丝残留的润滑剂,打磨破口时残留的磨粒,焊接坡口

41、附近残余的水分都可能造成气孔产生。另外,氢也是引起气孔的一个因素,氢主要来源于焊丝中的氢含量超标以及坡口和空气中的水分。选择含氢量低的焊丝,采取合适的方法避免水分和空气的污染,能有效避免由氢导致的气孔。值得注意的是,不同的焊接方法,不同焊接工艺参数也会对气孔的多少产生影响。通常情况下,钨极氩弧焊产生的气孔比电子束焊少。焊接工艺对气孔的影响也很显著,焊接参数、固定焊技术、根部间隙、保护气体的纯度、焊缝的冷却速度等均会影响气孔的产生。15第二章 TA2管焊接性分析 2.1.5 杂质污染 在焊接钛管时,杂质元素会对焊接接头的力学性能以及耐腐蚀性能产生不良影响。 (1)钛高温下非常活泼,在焊接过程中极

42、易吸收氧、氮、氢和碳等元素,降低焊接接头塑性、韧性。吸收的氧和氮元素会固溶于焊缝,增加钛晶格的畸变程度,增加变形抗力,导致焊缝及热影响区的强度、硬度增加,塑性韧性降低,其中氮的影响程度要高于氧。氢元素的增加,也会严重降低焊接接头的塑性韧性。碳的危害在于能形成间隙固溶体,使材料脆化;当碳含量过高超过溶解度时,就会生成硬脆的 TiC组织,往往会导致裂纹产生。 (2)钛材在温度高于 288时,其表面残留的氯化物和其它清洗液会使其产生应力腐蚀裂纹。 (3)对钛材影响最大的是铁离子。由于焊缝在形成过程中与铁接触的机会最多,即使母材中铁含量不高,焊缝局部铁离子含量绝对会高于母材,导致焊缝出现原电池腐蚀,其

43、腐蚀严重程度要比母材高些,发生“焊缝优先腐蚀”。铁的主要来源于焊接、检修过程中,钛材和其他材料的接触。所以在焊接钛管时,在焊前准备和焊接过程中都必须注意减少铁的污染。 2.1.6 焊接变形 钛的弹性模量约为低碳钢的一半,弹性模量小;导热系数低,约为钢的 1/4,铜的 1/23,铝的 1/3。因此,在焊接过程中会产生较大的焊接变形。钛冷变形的回弹能力强,大约是不锈钢的两倍以上,焊后矫正困难。所以,在焊接过程中就需要考虑如何采取有效措施来预防焊接变形。控制焊接变形可以从优化焊接工艺参数和工件组装上进行考虑,如较小的热输入能减少焊接变形的出现。此外在,在焊前进行定位焊,对钛管进行约束也能有效减少焊接

44、后的角变形和弯曲变形38。 正是由于钛在焊接中容易出现这些质量问题,在制定焊接工艺时在各个环节必须充分考虑如何避免上述焊接缺陷,确保得到高质量的焊缝。 2.2 本章小结 本章根据 TA2工业二级纯钛的物理、化学性质,探讨了其焊接性。列举了TA2钛管焊接过程中常见的焊接缺陷,以及这些焊接缺陷带来的危害,并简单提出了控制这些焊接缺陷的方法。主要内容包括:16第二章 TA2管焊接性分析 (1)严格控制焊接热输入,防止焊缝晶粒粗大、焊接变形等问题。 (2)需要设计有效的气体保护装置,进行必要的焊前清理来减少由于空气和钛管表面的污染,防止焊接接头出现脆化、裂纹、气孔、耐腐蚀性能下降等问题。17第三章 焊

45、接工艺试验 第三章 焊接工艺试验 3.1 焊接材料及设备 3.1.1 TA2 管的选择 本研究中使用的 TA2 管成分、化学性能和力学性能及性能见表 3-1。钛管严格按照 ASTM B861标准进行制造、检验及验收。钛管内径 50.8 mm,壁厚 4 mm。 表 3-1 本研究中使用的 TA2 管的化学成分和力学性能 化学成分及含量% 力学性能 Ti Fe C N H O 抗拉强度/MPa 伸长率/%剩余含量 0.05 0.02 0.01 0.001 0.11 460 31.25 3.1.2 焊丝的选择 在焊接钛及钛合金时,填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相近,同时要求焊丝中有害杂质越少越好

46、,所以选用纯钛的 Gr.1 焊丝(牌号:OK Tigrod 19.72 直径 2.0 mm;本研究中购买的焊丝综合考虑了 ASME II C SFA 5.16 和 NORSOK标准)。钛焊丝的化学成分和力学性能见表 3-2。 表 3-2 本研究中使用的钛焊丝的化学成分和力学性能(SFA/AWS A5.16 标准) 化学成分及含量% 力学性能 Ti Fe C N H O 抗拉强度/MPa 伸长率/%剩余含量 0.05 0.02 0.01 0.003 0.08 390 22 3.1.3 焊机的选择 根据前面分析, TIG焊后材料抗拉强度和伸长率很好,焊缝与母材熔接稳定,焊接接头有较好的性能,焊接质量也能够符合大多数情况的要求,同时考虑到钛管焊接现场的条件,TIG焊是现场焊接 TA2 管的最好选择。 TIG焊在惰性气体保护下进行