钛谷有色金属交易中心:钛及其合金焊接方法与研究现状

钛及其合金焊接方法与研究现状
 
1 钨极氩弧焊
  钨极氩弧焊是钛及其合金最常用的方法, 它是连接薄板和打底焊的一种极好的方法,通过选用合适的工艺参数可以实现较为良好的焊接。其不足是焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大;焊缝中易生产气孔以及钨夹杂等焊接缺陷;焊接过程易出现气体保护不良而影响焊缝质量等。TIG焊的脉冲频率对钛合金的晶粒尺寸和形态都有影响,脉冲频率过高或过低时,焊缝区均为柱状晶,强度较低,频率适中时为等轴晶,对应的强度也高一些。近些年来印度对钛合金的TIG 焊研究相对较为全面。
 
  M. Balasubramaniana 等通过对钛合金(Ti-6Al-4V)进行脉冲电弧焊实验研究发现晶粒尺寸和硬度与焊接参数之间具有如下关系:
晶粒尺寸G S = 81.43-18.33P -14.17B-10.83F+15T+25.68P2+18.18B2 + 61.93F2 +25.68T2;硬度H=472.15+8.54P-6.87B+4.38F-5.62T 17.57P2-12.57B2-36.32F2 -15.07T2 + 1.56PF。

  其中,P表示峰值电流,A;B表示基值电流,A;F表示频率,Hz;T表示时间。经过试验测定,该模型预测晶粒尺寸和硬度的准确率可以达到99% 的水平。

  Balasubramanian 等[9]通过对脉冲TIG焊接参数对腐蚀行为影响的研究又发现,随着脉冲峰值电流的增加和脉冲频率的增大,接头的抗腐蚀能力上升,达到最优值后,随着脉冲峰值电流和脉冲频率的继续增加,抗腐蚀能力下降,同时随着晶粒纯度的增加抗腐蚀能力也会增大。但是对于能否在保证腐蚀最小的情况下,其他性能亦保持在较好的水平,可以通过上面公式计算出晶粒尺寸和硬度,从而预测其可能具有的性能。

  国内较为关注的是A-TIG焊方法, 该方法是近10年来发展起来的增大焊接熔深,改善焊缝成形和焊接质量,提高焊接生产效率的新技术。

  对A-TIG焊熔深,Liu等采用单一活性焊剂试验后发现,在相同的工艺参数下,A-TIG焊的熔深较传统TIG焊大幅提高。进一步的试验结果表明氟氯化物活性剂能增加焊接熔深,即氟氯化物是增加钛合金熔深的主要因素。

  通过试验确定,活性焊剂对钛合金焊缝成形的影响是非常明显的:在同等条件下不仅增大焊缝的熔深,减小焊缝的宽度,降低焊接时的热输入,还明显减小焊缝的晶粒尺寸;对不同厚度的钛合金材料进行A-TIG焊时,其焊缝的结晶形态是一致的,呈对向式从两侧母材向焊缝中心线上生长;
A-TIG焊时焊缝的横剖面形状与TIG焊时有很大差异,其形状呈现出单面焊双面成形的杯状特征,该形貌特征对焊缝力学性能有改善。

  作为技术核心的活性剂配方是制约该项技术发展的瓶颈。由于对配方的研究较为复杂,国内通过引进和正交试验以及均匀试验法等找寻合适的材料,由于作用机理不同,较好的单独作用的材料混合后,效果可能下降,因此对活性剂的研究还需要进一步的实验研究探索。
 
2 等离子弧焊
  由于等离子弧焊的焊接规范窄,焊接稳定性及重复性差的缺点已经成为制约等离子弧焊工业应用进程及自身技术发展的突出障碍。20世纪90年代以来,由于等离子弧焊接设备制造水平及控制技术不断提高,等离子弧焊接稳定性问题在很大程度上得以改善。因此,在穿孔等离子弧焊过程中,掌握影响焊接稳定性的因素及作用规律,利用先进的控制技术,进一步提高焊接自动化及控制精确化程度,必然是今后的研究重点。
 
  研究结果表明,等离子焊接接头拉伸性能良好,与母材性能相当,焊缝冲击韧性较母材有所下降,焊缝组织为残余β相和马氏体针状α相,与接头拉伸性能、冲击性能及接头硬度分布相对应,这些组织具有超过母材金属的硬度和强度,但塑性低。

  穿孔焊接时,存在穿孔起弧不稳定及穿孔后线能量不能维持在最小值等问题,这是实现穿孔稳定焊接需要解决的问题。裴利程[14] 主要研究了起弧参数对穿孔加热过程和挖掘过程的作用规律,并通过控制穿孔时刻的温度场分布,实现了起弧的稳定成形。该研究通过试验分析发现,焊接电流是影响穿孔加热过程及温度场分布状态的决定因素,离子气流量在焊接加热过程中主要影响穿孔时间。焊接电流和离子气流量对未穿透阶段熔池深度和小孔形状的影响同等重要。通过调节起弧程序,使穿孔时刻小孔周围的温度场分布接近优良焊缝的稳态温度场分布,并保证送丝时刻提前于穿孔时刻1~2s,可实现起弧段的稳定过渡及成形控制。

  动态控制等离子焊接可以在保证焊透的情况下,通过控制峰值电流和基态电流使得等离子弧焊在穿孔型焊接和熔透型焊接之间转换,从而在最小的热输入条件下满足焊缝使用条件。与常规等离子焊接相比,由于热输入减少,接头熔合区减小而且晶粒尺寸减小,虽然微观结构变化不大但焊缝中先析出的β相晶粒大幅度减少,从而使马氏体的形成得到抑制,焊接接头具有更好的韧性和更高的硬度。
 
3 真空电子束焊
  真空电子束焊非常适合钛及钛合金的焊接。这主要是因为它具有一系列的优点:焊接冶金质量好、焊缝窄、深宽比大、焊接角变形小、焊缝及热影响区晶粒细小、接头性能好、焊缝和热影响区不会被空气污染、焊接厚件时效率高等。其缺点是焊缝中易出现气孔,结构尺寸易受真空室限制,不适合于大批量生产,但对小尺寸工件其质量具有绝对优势。
 
  焊接接头中会产生相当大的残余应力,并随焊接件厚度的增大而增加,因此研究人员探寻了电子束局部热处理降低残余应力的可能性。经过试验测定发现:电子束局部热处理可以改善钛合金焊缝组织性能,使焊缝区晶粒组织得到细化,不仅使焊缝中心的纵向拉应力峰值外移,而且使得焊缝中心的横向残余应力为压应力,大大改善了焊接残余应力分布状况,提高了焊接质量。对于14.5mm 厚板也发现了类似的现象[17],进一步证明对厚板钛合金来说,电子束局部热处理对改善焊接残余应力状况、提升焊接质量有显著的作用。

  由于大厚板较大的残余应力,使得真空电子束焊较多应用在薄板上。对大厚板钛合金的电子束焊接,Lu 等[18] 进行了相关试验,发现微观结构是典型的包含α 相和薄片状的(α+β)双相结构的TC4-DT,通过电子束焊接可以得到不含沉积缺陷的优质焊接接头。其中熔合区形成马氏体的篮网组织,层层堆积的先析β相晶界在焊缝金属的上层和中部清晰可见,但在底部不是那么明显,而且β晶粒尺寸和马氏体长度从熔合区顶部到底部逐渐减小。热影响区的组织微观结构不均匀,靠近熔合区的热影响区由针状马氏体和少量初生α相组成, 而靠近母材的热影响区则由初生α相和含有针状α的转变β相组成。这两部分热影响区的边界取决于焊缝冷却过程中β相的转变温度。随着板厚方向上深度的增加,熔合区晶粒尺寸减小,显微硬度增加。该试验为今后对大厚板钛合金的深入研究和理论分析及应用提供了很好的试验基础。
 
4 激光焊
  激光焊的质量和效率均优于其他焊接方法。激光易用反射镜或棱镜改变光路,可在工件的任意位置上焊接。激光焊对于钛及钛合金的薄板及精密零件的焊接可能具有更广泛的应用前景。但激光焊也有其不足之处: 穿透力不如电子束强。
 
  对激光焊接钛合金板材后的性能,相关研究表明,激光焊接接头的力学性能受到焊缝成形和焊缝组织的影响[19-20]。当焊接热输入量较大时,焊缝中存在密集散乱排布的针状马氏体,使得抗拉强度值提高。而当焊缝中出现粗大的柱状晶组织时,焊接接头的屈服强度和相对位移量减小,降低接头的塑韧性。通过合理的参数选择,可以实现接头抗拉强度、抗剪强度等性能与母材相当,而接头的疲劳性能经真空热处理后能得到明显改善。虽然真空热处理后弯曲角改善但只能达到母材的1/2。因此,在钛谷有色金属交易中心钛合金结构设计时应避免将焊缝置于最大弯矩处。

  激光焊接的优势很明显,但目前来说,激光焊接涉及影响钛合金焊接质量的气体保护、试件清理和光致等离子体控制等方面的工艺问题, 迫切需改进和完善。由于激光焊接存在的问题,采用激光复合焊接技术可以减小甚至消除激光焊接中出现的缺陷,从而可以提高焊缝的焊接质量。

  对激光复合焊接后的质量,Li等试验结果表明,在合适的焊接条件下可以形成没有表面氧化、气孔、裂纹和未焊透等焊接缺陷的优良焊缝。与LBW 相比,laser-MIG焊接头的延展性更好,采用低强度的TA10焊丝可以改善焊缝成形质量降低微观硬度, 但热影响区的硬度可能由于较大的热输入而大幅度上升。J. Zhou 等 认为Laser-MIG 焊接技术可以消除微裂纹,阻碍气孔的形成以及改善焊缝的组成。通过在焊丝中加入一些抗裂纹的元素可以减少和消除诸如焊缝热裂纹敏感性高和强度降低等缺陷。而焊丝熔滴进入母材的混合及扩散程度受到熔池中液体流动动力学的影响很大。这就需要在今后的研究中,注意找寻更为合适的焊丝和合理的工艺参数组合,从而保证良好的焊接质量。
 
  激光与MIG或TIG等其他方法如(法如官方网站,法如社区,法如产品一览,法如应用案例)何合理组合才能保证复合焊接的最优性能,是科研工作者在不断探寻的问题。Chen 等[23-24] 通过研究发现激光能量密度决定了锁孔的形成与消失。为此,他们对激光在电弧中穿过时的传播特性与吸收特性进行了计算和定量的测量, 从而证实了激光-TIG 复合热源焊接有限增强熔深、存在焊接机制转变的观点,从而为优化复合焊接效果提供了依据。

  除了减少缺陷外,复合焊接后微观组织也与单纯的激光焊接后的组织有所不同。激光焊和复合焊接技术焊缝中均存在α相,在激光焊中含有粗糙的柱状α相和少量细小的针状α相,而复合焊接头的微观结构中包含针状α、钛谷有色金属交易中心无骗局薄片状α以及孪晶相,这种微观结构使得复合焊接头具有良好的连接强度和延展性[25]。通过EDX 分析可以发现焊缝熔合区中氧的密度分数的确比母材高,但不能以此认为氧含量就是在给定焊速条件下影响焊缝能硬度的唯一因素。最终硬度应与冷却速度和氧氮含量的因素的交互影响有关。

  其他诸如保护气体、气流大小以及Laser与电极间的距离等都是需要进行研究的参数,这样可以使复合焊接更加优化,从而产生最合乎需要的焊缝。相关知识库的建立则有助于实现自动化。
 
5 扩散焊
  目前扩散焊较多地应用于钛合金与不锈钢间的焊接。优点是空气对焊缝污染少、变形小、节省材料,但要求待焊表面清洁度高,清除一切杂物。采用恒温恒压扩散焊、相变超塑性扩散焊和脉冲加压扩散焊实现了钛合金和不锈钢的焊接,物相分析发现钛合金- 不锈钢接头中存在Fe2Ti和σ-(FeCr) 这两种脆性金属间化合物[26]。由于脉冲加压扩散焊能促进扩散过程的进行,减少脆性金属间化合物的产生,并改善其分布,是一种较有应用前景的扩散焊方法。为避免和减少脆性金属间化合物的产生,扩散焊接进一步发展了的形式是在钛件表面上先镀一层铜或镍,或夹一层0.05~0.03mm 的铜或镍。
 
  钛合金与不锈钢异质接头采用扩散焊直接焊接时,很难避免接头应力和脆性的金属间化合物相的出现,从而容易使焊接接头产生裂纹,因此大多采用了中间层金属,且采用中间过渡层并产生微观机械咬合的接头性能较好。通过对不同工艺下接头和母材的微观组织和抗拉性能的研究发现,填加Ni 基合金作为中间层材料进行扩散焊接,其接头的扩散带组织都较好,没有出现孔洞和空隙等焊接缺陷。焊接温度升高和保温时间延长使扩散层宽度增加,但也会造成所有组织晶粒长大,从而使接头的性能下降。因此,在综合考虑工艺参数对接头性能的影响规律,从而确定可能的最佳工艺时,应在保证接头焊接质量的前提下,优先选择焊接温度较低,保温时间较短的工艺。
 
6 钎焊
  钎焊是钛及其合金与其他金属最简单可靠的连接方法。纯钛在882.5℃发生同素异构转变,从密排六方结构的α相转变为体心立方结构的β相。钛合金的同素异构转变决定了其钎焊工艺过程受限于温度及时间,当高于(α-β)相变温度时,其组织和性能将发生重要变化。从冶金学角度分析,更重要的是由基体与钎料反应生成脆性相,使得钎焊接头性能恶化[30]。综上几点,选择合适的钎料,尽可能保持在β 相转变温度以下对钛合金进行钎焊是基本原则。这样既可以保持母材性能,也能形成优良力学性能的钎焊接头。
 
  针对高温钛合金TA15 材料率先开展了钎焊及扩散处理的连接工艺研究工作, 通过采用先进的钎焊材料及优化的真空钎焊与扩散处理工艺, 对该材料实施了有效的连接, 并采用电子显微组织与能谱等手段, 分析了钎焊接头界面的元素分布及钎焊接头的组织。钎焊材料的成分设计合理, 真空钎焊工艺合理可行。钎料中的Cu、Ni元素属于β相稳定元素, 其含量在30% 左右, 钎焊的钛合金焊缝可在钎焊温度下热处理使其组织趋于稳定的片层状组织。

  以铝硅共晶合金为填充材料, 采用激光熔钎焊的方法对铝/ 钛异种合金进行焊接, 获得了同时具有熔焊和钎焊双重特征的焊接接头。由于激光局部加热并且有很高的冷却速度, 发现在钛合金附近的钎焊界面形成了特殊的形态结构。焊缝上部界面金属间化合物较厚, 主要呈锯齿状;焊缝下部界面金属间化合物厚度不足1μm,呈薄层状。界面金属间化合物的主要成分为TiAl3, 以Ti(SixAl1-x)3 结构的置换固溶体形式存在。底部界面容易成为裂纹产生的源头,裂纹多沿界面附近焊缝中的共晶组织扩展,接头的平均抗拉强度约为铝母材的85% 。
 
7 搅拌摩擦焊
  传统条件下,钛合金材料可以采用熔焊方法进行焊接。但是由于熔焊条件苛刻、过程复杂,并且容易产生缺陷和接头强度较低等原因,人们开始探索利用新型的搅拌摩擦焊技术(FSW)来解决和改善钛合金材料的焊接。根据英国焊接研究所提供的资料和参考国外公开发表的文献资料,钛合金和镍基高温合金搅拌摩擦焊焊接所需要的搅拌头,最好采用纯钨、钨- 铼合金、钨- 铱合金或者立方氮化硼(PCBN)材料。

 
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