TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究可编辑.docx
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TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究可编辑
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
StudyonTIGWeldingProcedureand
ReliabilityofTA2CommercialPure
TitaniumPipe
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!
!
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(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50.8mm、壁厚4.0mm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80-90A,焊接电压8.5-11V;第二次焊接参数:
80-90A,焊接电压8.9-11.6V。
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
Titaniumanditsalloyhavebeenextensivelyusedinaerospace,petrochemical,
shipbuildingindustryandmedicalapplicationowingtotheirexcellentmechanical
propertyandcorrosionresistance.Becausetitaniumandtitaniumalloyhavegotmore
andmoreattentioninindustry,theresearchontheweldingofTitaniumanditsalloy
increasesrapidly
Thisthesismainlyanalyzestheweldingabilityandthecommonwelddefects
basedontheTA2pipeswith50.8mmdiameterand4mmthickness.Besides,weld
defectsarereducedbydevelopthereasonableweldingprocess.Weldingparameterof
thefirstweldinglayer:
weldingcurrentis80-90A,Arcvoltageis8.5-11.0V;welding
parameterofthesecondweldinglayer:
weldingcurrentis80-90A,Arcvoltageis
8.9-11.6VThegroovetype,thecleaningmethodsbeforeweldingandtheweldingparameter
aredecided,afterthepre-productionweldingtest.Atthesametime,agasshielded
coverisdesigntoprotecttheweldingprocessfromgasporesandcracks
Atlast,thecorrespondingnon-destructive,mechanicalperformancetestandthe
corrosiontestareapplied.Theresultshowsthattheweldingjointshavegoodquality,
andtheweldingprocessisfeasibleKEYWORDS:
TA2commercialpureTitanium,TIGwelding,welding
processresearch,weldinginspection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?
2.1TA2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16?
第三章焊接工艺试验.18?
3.1焊接材料及设备18
3.1.1TA2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?
4.6TA2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
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4.51g/cm,属轻金属;熔点比较高,约为1688℃,比热容为522
J/kg?
K,导热率16J/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α钛;882℃以
上为体心立方晶格结构,称为β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α钛和β钛在室温下存在。
α钛合金是含有α稳定元素铝和中性
强化元素锡等的钛合金。
α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;β钛合金含有高比例的β稳定元素Mo和V等;α+β钛
[2]
合金的组织是由α钛为基的固溶体和β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3.5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
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、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。
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,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、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10mm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,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/T12467~12469-90《焊接质量保证》,GB2649-1989《焊接接
头机械性能试验取样方法》,GB2651-1989《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ASMEIX《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IaraAugustaOrsi等,通过研究阳极极化曲线,分析了激光焊和钨极氩弧
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
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