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          TA2鈦板點焊工藝研究

          作者編輯:    日期:2022/4/17 18:40:35     來源:本站
          TA2鈦板點焊工藝研究
            熱點專題昨日導讀“第二屆新春短信祝福大賽
          【機電在線訊】“新年前的等待,無祝福不過年”,喜迎2…原創不足?礦山機械行業新聞營銷需創新從虎年春晚舞臺燈光渲染看今年建筑照明設計機電在線助力企業新聞營銷 凸顯電商價值   中國航天科技集團公司空間技術研究院518研究所 楊俊平
          摘 要:本文介紹了TB2鈦合金電阻點焊工藝試驗過程,確定了合理的點焊工藝參數。對其接頭成形特點、組織特征進行了分析,并對接頭進行力學性能試驗。結果表明,只要焊接工藝合理,采用電阻點焊焊接TB2鈦合金板材(2mm +0.8mm)效果良好,可以達到Ⅰ級焊縫要求。
          關鍵詞:TB2;電阻點焊;工藝;試驗
          1 前 言
          TB2,名義成分Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al,是我國自行研制的一種新型材料, 屬于亞穩定β型鈦合金,該合金在固溶狀態下具有優異的冷成形性能和良好的焊接性能,在固溶時效狀態下具有高的強度和良好的塑性匹配,是航空、航天、國防工業中很有發展前途的一種鈦合金。本試驗通過對TB2合金電阻點焊的工藝研究,旨在探討組織性能良好的點焊工藝,確定合理的TB2 電阻點焊工藝流程及其工藝規范。
          2 點焊試驗
          2.1 試驗材料
          試驗所選用的TB2鈦合金,電阻率大,導熱性差,高溫強度稍低,點焊規范與不銹鋼大致相當,且材料熱敏感性高,即使縮短通電時間也有嚴重的晶粒長大,影響材料的力學性能。其化學成分見表1。
           
           
          2.2 試驗方案
          根據點焊試驗對接接頭的要求以及拉剪試驗對鈦板的尺寸要求,設計接頭型式如圖1所示。
          其中,圖1a的接頭用于測試工藝參數以及進行撕裂試驗,圖1b則是根據拉剪試驗對鈦板的尺寸要求設計的。對兩種不同厚度的試板進行搭接點焊, 其組合為0.8mm+2.0mm接頭,焊點直徑設計為5mm。其中試板寬度B=20mm, 試板長度L=100mm,搭接長度t=8mm。
           
          為得到質量可靠的焊點,避免在焊接過程中產生各種缺陷,試板機械加工表面粗糙度達到Ra=0.8,并對試板表面進行了焊前清理。首先進行化學清洗,將焊件放入自動清洗機清洗5min,去除表面氧化皮、油脂、灰塵、手印等影響焊點質量的雜質,用細砂紙仔細清理試板點焊范圍內的氧化膜,使之露出金屬光澤,然后,將工件裝夾在專用夾具上待焊。
          為了確定合理的焊接規范,選擇A(軟規范)、B(中等偏硬規范)、C(硬規范)三種規范進行點焊工藝試驗。在進行焊接時,焊接時間(較小值)、焊接電流、電極壓力依次從小到大,詳細點焊工藝參數見表2。
          采用大量的對比試驗,確定采用中等偏硬的點焊規范,參照相關標準的要求,進行焊縫檢驗,并比較分析了保護氣體對焊接接頭組織和性能的影響。
          3 焊接結果及分析
          3.1 焊點外觀檢查
          用40倍放大鏡觀察顯示,焊接區表面無裂紋、燒穿、噴濺和板邊緣的脹裂;檢測壓痕深度,小于0.08mm;沒有氬氣保護進行點焊的焊點表面發黃,并發現一個焊點有深藍色出現;有氬氣保護進行點焊的焊點表面呈金屬色,沒有發黃現象出現。
          3.2 焊點尺寸
          焊點的強度取決于熔核尺寸,即熔核直徑dn(mm)和熔核高hn(mm), 并且要求熔核尺寸隨板厚增加而增大, 一般可用下式表示:
          dn=5 δ
          Hn=(0.2~0.8)(δ-△)
          △=(0.1~0.5)δ
          式中:δ為焊件厚度(mm),△為焊件表面壓痕深度。
          試驗中測出點焊直徑大于5mm,而根據公式估算出的理論值為4.47mm, 表明試驗研究中得到的焊點尺寸符合點焊強度要求,因此該工藝參數設計合理。
          3.3 X射線探傷
          對試樣接頭100%進行X射線探傷, 未發現氣孔、飛濺及裂紋等缺陷,接頭質量符合相關標準要求。說明焊接工藝參數合理、可行,適合進行批量生產。
          3.4 撕破檢驗
          為了檢驗焊點強度是否滿足設計要求,進行了撕破檢驗。撕破檢驗是一種判定焊接接頭質量的現場工藝檢驗方法。對上述試片進行撕破檢驗,圖2和圖3是試片撕破產生的“鈕扣”!扳o扣”狀撕破比率為96%以上,可知焊點質量滿足要求。
           
          3.5 抗剪檢驗
          對以上TA2鈦板合金點焊試片進行抗剪切試驗,以測定焊接接頭承受靜拉伸載荷的能力?辜粼嚇咏宇^為圖1所示搭接接頭。單焊點試驗三組,測得單點抗剪力為1300N、1350N、1335N;雙排六焊點試驗三組,抗剪力分別為33900N、34200N、33400N;且焊點大都沿母材斷裂,少數沿結合面斷裂,說明焊點內部缺陷。如圖4所示。
          4 結束語
          4.1 通過對鈦合金(TB2)薄板(0.8mm +2.0mm)的點焊試驗確定了點焊的很佳工藝參數,具體如下:電流(I)4.5kA, 焊接通電時間(t)0.15s,電極壓力120 ~200PSI。
          4.2 TB2鈦合金薄板電阻點焊接頭具有很高的點焊接頭強度,可以推廣應用。
          4.3 點焊試驗過程中,焊點出現了表面發藍(過燒)的現象,通過分析,認為是發生了分流導致過燒。后來,通過優化工藝,采取氬氣保護焊接接頭,改善薄板之間的裝配松緊關系,合理安排點焊順序,終保證了焊點質量,達到了相關標準要求。
          參考文獻
          [1] 中國機械工程學會焊接學會編. 焊接手冊: 第三卷焊接方法及設備, 第二卷材料的焊接. 第二版. 北京: 機械工業出版社, 2001
          [2] 中國機械工程學會焊接學會編. 焊工手冊. 第二版. 北京: 機械工業出版社, 2003
          [3] 俞尚知主編. 焊接工藝人員手冊. 上海: 上?茖W技術出版社, 1991
          [4] 中國航空材料手冊編委會. 中國航空材料手冊(一版)[M]. 北京: 中國標準出版社, 1989
          [5] 顧曾迪等編著. 有色金屬焊接(第二版)[M]. 北京: 機械工業出版社, 1995.
          [6] 戚運蓮等編著. 鈦及鈦合金的焊接技術[J]. 鈦合金進展, 2004(6): 25~29

          摘 要 本文結合蘭煉三葉公司順酐裝置中鈦材設備的制造實踐,介紹了鈦材焊接工序、工藝特點和焊接工藝參數,從加工條件、坡口切削、卷板以及焊接工藝特點和焊接保護措施等方面,總結了確保鈦材設備制造質量的經驗。
          主題詞 金屬材料 設備 制造 工藝 焊接 性能

          1 首富
          鈦材是一種新型金屬材料,具有較高的強度、較小的密度(僅為碳鋼的60%)、優良的耐腐蝕性能以及良好的工藝性能,今后將日益廣泛地用于制造耐腐蝕的石油化工設備。我們為蘭煉三葉公司順酐裝置共制造了十二臺鈦材設備,其中冷換設備五臺、塔三臺、罐四臺。經過近幾年的開工使用證明,冷換設備傳熱系數高、不易結垢;塔和罐基本上沒有腐蝕情況,使用效果較好。
          蘭煉三葉公司新建的化工原料順酐裝置,因介質腐蝕性強,有些設備選用了鈦材制造。由于我們是首制造鈦材設備,技術資料和經驗都比較缺乏,而焊接是決定鈦材設備質量的3.2 螺旋鋁芯扭制成型
          關鍵,為此我們進行了大量的鈦材焊接工藝性能評定實驗,確定了鈦材的焊接工藝參數。鈦材特有的物理性能、機械性能及較高的化學活性,決定了鈦材設備的制造不同于碳鋼或不銹鋼設備的制造。
          鈦材設備的制造加工流程見圖1。

          圖1 鈦材設備加工流程框圖2 組裝及加工
          2.1 前期準備
          (1)專門劃分一塊鈦材設備制造區域,嚴禁與碳鋼設備混堆、接觸,工作場地必須鋪設橡膠板。
          (2)材料要入庫妥為保管,禁止露天堆放。同時設置幾個鈦材專用的邊角余料箱,將邊角料分類回收。
          (3)自行設計、制造所需的專用機具、胎具等。其中多層螺旋盤管彎制機不但解決了鈦材盤管的煨彎難題,還榮獲國內專利,專利號為;其它設備如剪板機、刨邊機、滾板機等要保持清潔,防止油污、鐵屑、輥子上的缺陷等損傷鈦材表面。
          (4)參加鈦材設備制造的人員,著裝應符合要求,工作服、手套要整潔,不允許穿帶鐵釘的鞋,并且盡量避免在鈦板上走動。
          2.2 劃線與落料
          鈦材對缺陷的敏感性很強,因此禁止用鐵錘擊打鈦材表面或打樣沖或鋼印,禁止用墨汁或油漆書寫有關標記。鈦材還易受鐵、油污等的污染,下料切割后須用砂輪機將污染部位打磨干凈,因此劃線時要適當多留一些加工余量,一般以10~20mm為宜。
          采用剪板、砂輪機或等離子弧切割落料。采用等離子弧切割時,為防止飛濺損傷鈦板,應在鈦板表面涂刷白堊粉。
          2.3 加工坡口
          對板材要求在刨邊機上刨出坡口,對管材要求在車床上車出坡口,坡口均為V型,較長的板在刨邊過程中容易產生撓曲、被撕裂的現象。為了解決這些問題,我們用槽鋼壓緊刨削端,以增大刨邊機對板材的壓緊力,同時減小板材伸出刨邊機的長度(由常規的50mm減為30mm),以增大其剛度,再調整好刀具的刃傾角,并采用低速和小的進刀量切削,結果坡口光亮如鏡,比碳鋼及不銹鋼坡口的粗糙度要低得多。
          注意在鈦材刨邊過程中不能中途停止進刀,否則容易引起切削表面硬化,同時鈦材刨邊時磨刀及更換刀具也比碳鋼及不銹鋼頻繁。
          2.4 卷板
          鈦板在卷制時,板材回彈量要比碳鋼及不銹鋼大,致使點焊比較困難。我們采用天車配合使筒節在滾板機上滾圓后立即點焊,之后再吊離滾板機。卷板時為了防止輥子上的缺陷損傷鈦板表面,采用鍍鋅鐵皮裹住鈦板兩面。
          錐形封頭、直徑≥108mm的接管(沒有無縫鈦管,需用板卷制)、人孔筒節等在滾板機上無法成型,可使用自制胎具壓制。
          3 焊接及檢測
          3.1 焊接材料及設備
          鈦材焊接時采用手工鎢極氬弧焊。由于鈦材的熔點高、熱容大、導熱性差,與碳鋼及不銹鋼相比,鈦材還具有較高的化學活性。當焊接時,它極易與氧、氫、氮、碳等元素發生劇烈反應,導致焊接接頭脆化,容易產生裂紋。為了獲得機械性能良好的焊縫,焊前表面清理及焊接過程中的保護措施是保證焊接質量的關鍵。焊接所用的材料及設備是:
          (1)純度不低于99.99%的氬氣。
          (2)選用鈰鎢極,包括直徑1、1.5、2、3mm四種。
          (3)焊絲應按GB3623-83“鈦及鈦合金焊絲”標準選用,也可把板材剪成絲使用。
          (4)使用鎢極(自動或手工)交、直流兩用氬弧焊機。
          3.2 焊接操作
          3.2.1 焊前清理
          焊縫只要受到少量鐵、油污等雜質的污染,會嚴重影響焊接質量,因此,對焊縫表面必須進行嚴格的清理。清理的順序如下:
          (1)用砂紙或砂輪機除去焊縫及其兩側不少于50mm范圍內的氧化層,直到露出銀白色的金屬為止。
          (2)用嶄新的綢布蘸無水酒精將表面擦拭干凈,直到綢布上沒有污染為止。
          (3)將焊絲用無水酒精擦拭干凈。
          (4)焊縫及焊絲清理后要立即施焊,否則應重新清理。
          3.2.2 焊接操作要領
          (1)手工鎢極氬弧焊的焊接工藝參數如表1所示(焊絲均為TA2)。
          (2)鎢極伸出10~12mm為宜,焊縫每次填充的高度為2~3mm,最高不超過5mm。單面焊雙面成型焊縫的對接間隙為1.5mm。
          表1 焊接工藝參數
          類  別板  厚 
          (mm)焊接位置焊絲直徑
          (mm)電  流
          (A)電  壓
          (V)焊  速
          (cm/min)氬氣流量
          (L/min)
          組合角接3垂直俯位2.0
          3.080~100
          90~10014~16
          15~164~8
          10~1210~11
          11~12
          對  接3平  焊2.0
          3.080~100
          90~11014~15
          14~168~10
          8~168~10
          9~15
          (3)焊接完畢后焊炬不能立即離開,要連同保護盒繼續保護,TA2鈦板直到焊接接頭冷卻到400℃以下方可離開。
          (4)厚度大于4mm的對接和角焊縫應采用多層焊。每層焊道施焊前,都應保證上一層無氧化,如有氧化必須徹底清除后再施焊。
          (5)當焊縫表面存在咬邊、弧坑或焊肉低于母材表面時,如無氧化污染則可直接修補;但對于未焊透、表面未熔合及表面裂紋等均應將缺陷打磨干凈,進行清理后補焊。返修次數不能超過兩次。
          3.2.3 焊接過程的保護措施
          由于鈦材對氧、氫、氮有很高的親合力,容易導致焊接接頭塑性下降,所以對焊縫熔池及其背部凡400℃以上的焊接熱影響區都必須進行嚴格的保護。熔池的保護由焊炬來完成,熱影響區及400℃以上的受熱部位由保護盒保護。保護盒很好用銅材制作,我們自制的保護盒如圖2所示。氬氣流量以7~15L/min為宜,太小氣流剛性低,保護效果差;太大會引起氣流紊亂,把空氣帶入焊接區。因此,氬氣應保持層流狀態。

          圖2 氣體保護盒示意 
          3.3 焊縫檢測
          焊縫采用外觀檢查、著色及射線檢測三種方式來檢驗焊縫質量。外觀檢查主要觀察焊縫的表面缺陷及焊接接頭的顏色,并根據表面顏色來判定氣體的保護效果,參照表2可通過鈦材焊縫表面顏色判定焊接質量。
          表2 鈦材焊縫顏色與焊接質量的判定
          表面顏色保護情況焊縫情況接頭質量處理措施
          銀白色良好  良好 使用可靠不需處理
          金黃色尚好 沒有影響  能使用用砂紙打磨掉表面金黃色
          藍色一般表面氧化,使表面塑性稍有下降承受負載較大時不能使用用砂紙打磨掉表面藍色
          紫色 
          (花色)較差氧化嚴重,塑性顯著降低使用條件(介質、負載)苛刻時不能使用用砂紙打磨掉表面紫色
          灰色或
          表面有
          粉狀物極差完全氧化,焊接區完全脆化,易產生裂紋、氣孔等缺陷 不能使用不合格,重新施焊
          對于局部表面顏色不合格的焊縫的熱影響區,必須用砂輪全部磨去后重新施焊,補焊次數不能超過兩次。按JB4730-94“壓力容器無損檢測”進行著色及射線檢測,著色檢測應符合Ⅱ級要求,射線檢測應符合Ⅲ級要求。www.xefosnor.com

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