工业纯钛的焊接缺陷原因分析与预防措施

2012-08-29司玉光

装备制造技术 2012年7期

关键词：施焊氩弧焊氩气

司玉光

（茂名市茂港电力设备厂有限公司，广东茂名 525000）

钛原子序数22，原子量为47.9，是一种银白色的过渡金属，其特征为密度小，强度高，具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力，被美誉为“太空金属”。工业纯钛有高的比强度，良好的塑性、韧性和耐腐蚀性。但钛的焊接性较差，对焊接条件要求苛刻。

1 工业纯钛的力学性能

钛的密度为4.506～4.516 g/cm3（20℃），高于铝，而低于铁、铜、镍。但比强度位于金属之首。熔点（1 668±4）℃，熔化潜热15～2 kJ/kg。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢。

钛的化学性质比较活泼。加热时能与O2、N2、H2、S 和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。

工业纯钛是指钛含量不低于99%并含有少量铁、碳、氧、氮与氢等杂质的致密金属钛。

2 焊接缺陷的原因分析

由于钛的活泼性和对加热的敏感性，其焊接性较差。下面结合生产实践，对工业纯钛焊接时出现缺陷的情况进行分析，具体原因如下。

2.1 气体等杂质引起焊接接头氧化、氮化和脆裂

钛在熔融状态下能和几乎所有元素反应，而且在400℃时开始大量吸氢。氢是工业纯钛最有害的元素之一，其能降低钛的塑性与韧性，导致脆裂。故工业纯钛的化学成分严格控制氢含量在0.003%～0.015%。钛在600℃以上时，快速吸氧，生成二氧化钛；在700℃以上快速吸氮，生成氮化钛。当加热到800℃以上，二氧化钛即溶解，并扩散到金属钛的内部组织，形成脆裂。

钛的熔点高，在焊接时需要高热源，钛的导热系数低，热量不易散失，过热倾向严重从而导致产生裂纹。此外钛一旦沾染铁离子即变脆，这也是产生焊接裂纹的主要原因之一。

2.2 焊缝中的气孔

气孔是工业纯钛焊接时最常见的焊接缺陷。气孔生成的机制是，焊接过程中溶入液态金属中的气体，经过扩散、脱落、成核、长大等过程，形成气泡。由于熔池的凝固结晶速度很快，气泡来不及逸出，就以气孔的形式残留在固态金属中。酿成气孔的气体主要源自有机物的污染，经实践经验表明，空气相对湿度的大小，也是影响气孔产生的主要原因之一。

3 焊接缺陷的预防措施

针对工业纯钛焊接时出现缺陷的原因，提出了预防措施。

3.1 选择合适的焊接工艺

根据工业纯钛的热敏性和焊接缺陷的形成机理，选择合适的焊接工艺参数，是至关重要的。工业纯钛适用焊接方法范围：钨极气体保护焊，熔化极气体保护焊，等离子弧焊。在生产制造过程中，多采用手工钨极氩弧焊。手工钨极氩弧焊工艺参数见表1。

3.2 严格控制母材含碳量及焊接材料纯度

首先，母材及焊丝中的氢、氧、氮、碳要尽可能少，碳含量应≤0.1%；其次，严格控制氩气的纯度，要求Ar ＞99.99 %，N ＜0.005%，O ＜0.002%，H ＜0.002%，H2O 在0.001mg/L 以下。

表1 手工钨极氩弧焊工艺参数

3.3 严格焊前清理及保持施焊环境清洁

钛材焊件及焊丝极易被污染。在焊接前，一定要清除焊丝及焊接区域所附着污染物。焊件的清理，一般采用机械清理，也可用酸洗。采用机械清理，可先用丙酮去油污，细砂布去氧化皮，再用丙酮擦洗。值得注意的是，钛表面打磨只能用橡胶或尼龙掺合氧化铝的砂轮，决不能用打磨过碳钢的砂轮。此外，保持施焊环境的清洁也很重要。如搭防风、防雨、防尘棚，配备抽湿机，均可取得良好效果。