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钛管的焊接材料与设备的选择方法


发布日期:2020/11/23 15:59:05

1、TA2钛管的选择 

本研究中使用的 TA2钛管成分、化学性能和力学性能及性能见表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1   本研究中使用的 TA2钛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

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,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2。 

表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、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,是利用钨极与工件之间的电弧热熔化母材和填充焊丝的焊接方法。钨极氩弧焊有如下的工艺特点: 

(1)因为钨电极是非熔化电极,所以在焊接时不存在电极熔化对弧长的影响问题,电弧长度容易控制。 

(2)焊接时,采用惰性气体保护焊接区域,不需要加任何焊剂就可以获得纯净的焊缝金属。 

(3)焊枪需要具有提前送气和焊后滞后断气的功能。 

(4)为了避免损坏钨极和防止焊缝夹钨,通常情况下不采用接触式引弧,而使用非接触引弧。为此,焊接设备需要有引弧装置。为了使焊接过程中保持电弧稳定,还需要配备稳弧装置。 

(5)为了减小或排除因弧长变化引起的焊接电流波动,焊接电源需要具有陡降或垂直下降的外特性。 

(6)直流正接较直流反接能得的焊缝熔深大。 

综合考虑上述特点,采用钨极氩弧焊(TIG 焊)时,焊接设备应使用使用性能稳定的直流氩弧焊机,应采用正接法来增大熔深,焊接设备需要具有逆变电源且应附有高频引弧和电源衰减装置及满足工艺条件。本文以采用 YC-300WP 氩弧焊机和 YC-315TX2HGR 氩弧焊机为研究出发点。氩弧焊钨极考虑使用钍钨极,钍钨极具有引弧容易、稳定性好、载流能力强的特点,并且钍钨极相较于纯钨极不容易烧损。 

4、保护气体的选择 

一般来说,惰性气体的纯度越高,气体保护效果越好,但是也意味着成本也越高。对于钛合金这类对保护效果要求较高的金属,通常要求惰性气体纯度大于99.99%。氩气、氦气或者它们的混合气体都可用于焊接各类金属材料,但由于,氩气的成本低,氩气产生的电弧比较平稳、较容易控制,因此在焊接钛管时,选择纯氩进行气体保护。本焊接试验选择的氩气为一级氩气,气体纯度在99.99%以上,露点低于-40℃,相对湿度不超过 5%,水分含量不高于 0.001 mg/L。 

氩气流量的选择以达到良好的焊接表面色泽为准,一般通过在焊接之后用肉眼观察焊缝及热影响区的颜色来考察焊接时的气体保护效果。国标 JB/T 4745-2002 规定焊后表面出现银白色氧化膜,则表明气体保护效果最佳,当颜色

为黄色时保护效果也可以接受,其他颜色则为不合格。为了得到良好的氩气保护,焊接时若发现氩气瓶的压力降至 1 MPa,就应停止使用。选用精确的氩气流量计以控制气流量。此外应该注意的是,送气软管一般选用塑料管或者乙烯基塑料软管输送保护气体。 

工业纯钛焊缝的表面颜色与焊接质量的关系见下表3(参照 ASME B31.3、NORSOK601 和 ASME IX 对焊道颜色和焊接质量的要求)。 

表3 工业纯钛焊缝的表面颜色与焊接质量的关系 

焊接表面颜色   温度/℃ 保护效果 污染程度 焊接质量
银白色 350-400 良好   良好
金黄色 500 尚好 合格
深黄色 -    
浅蓝色 - 较差  
深蓝色 520-570   不合格
暗灰色 ≥600 极差    

5、气体保护罩 

采用环缝气体保护拖罩可以有效地对钛管进行气体保护。保护罩的材质选用铝合金(图1)。气体保护罩由① 圆弧形铝制外壳,②气体导入管,③焊接操作孔,④焊枪固定装置,⑤内部气筛层,⑥侧面凹槽组成。气体导入管,焊接操作孔,焊枪固定装置处在圆弧形铝制外壳的上表面。圆弧形铝制外壳和内部气筛层通过焊接连接成一体。焊枪可以通过金属箍圈和焊枪固定装置进行绑定。气体导入管将氩气导入保护罩内,由气筛将氩气流均匀分配到焊件表面。传统的气体保护装置需要两个焊工进行操作,一个焊工负责使用焊枪和进给焊丝,另一个焊工负责转动气体保护罩对焊接区域进行保护。这样对两名焊接工人的相互配合提出了较高要求,一旦气体保护罩跟进速度和焊接速度不适应就会影响焊接质量。

另外,焊接过程需要两个焊工完成,生产效率较低。本文中的焊接气体保护罩,在原先传统的气体保护罩上进行了改进,由于焊枪已经由金属箍圈固定在了气体保护罩上,焊工一只手从焊接操作孔填入焊丝,另一只手转动气体保护罩即可完成焊接操作。此外,增加的侧面凹槽中可以填入橡胶片,焊接时橡胶和钛管紧密接触,用于隔绝外部空气并维持内部较纯的氩气气氛。该装置,操作方便,气体保护效果明显。  

图1  气体保护罩 

6、 其他工具 

除以上设备,在清理钛管表面的油污、氧化膜等杂质时,还需要用到白纱布、不锈钢钢丝、丙酮或无水乙醇溶液。白纱布用于蘸取丙酮或无水乙醇,对焊丝和钛管进行清理,不锈钢钢丝刷用于钛管表面进行机械清理。 

试验中需要 99.99%纯度氩气 3 瓶,分别接入焊枪、气体保护罩以及钛管内部,对钨极氩弧焊进行气体保护。在焊接过程中,还需要锡纸胶带对待焊部位进行保护。另外,还需要焊接架、砂轮机、海绵各一个,分别用于焊接装配、打磨检修以及维持钛管内部的氩气气氛。 


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