钛比鋼輕45%,比鋁重60%,比其中任何一種都強三倍以上。雖然它比許多其他金屬貴得多,但它具有更高的耐腐蝕性,更低的生命周期成本,更長的使用壽命,以及比大多數更低的維護和維修成本。钛的常見應用包括軍事,航空航天,船舶,化工,發電,石油和天然氣開采以及醫療設備。

钛是一種活性金屬,易與氧氣相互作用,易于氧化和污染,并且難以焊接。然而,細緻的準備,穩定的手法和大量的練習可完成成功的焊接。

本文重點介紹使用ASTM Gr5,國内TC4(Ti6Al4V)作為參考的钛管钛合金管和管道上的氣體保護鎢極電弧焊(GTAW,也稱為TIG焊或鎢極惰性氣體保護焊)。

清潔是至關重要的

焊接钛管需要極其清潔 - 基礎金屬,填充金屬和焊接環境必須完美無暇。焊接工人如果擦了護手霜等身體乳,成型和拉伸過程中的油污,車間灰塵,油漆,污垢,切削液和潤滑劑都會導緻脆化和焊接失效。

首先清潔工作區域并清除各種碎屑,并确保選擇氣流最小的地方,盡量保證環境無風,以免在焊接過程中幹擾保護氣體。接下來對填充棒和基底金屬上的油污清潔:戴上專門用于此目的的丁腈手套,以防止操作工手上的護手霜或者其他手上附着的油污擦到待焊接钛管上。然後将甲基乙基酮(MEK)塗在幹淨的無絨布上并擦拭钛以去除任何殘留的表面污染物。此時将填充棒放入密封容器中以防止進一步污染。

在焊接之前,除去管道表面钛與氧氣反應時形成的氧化皮。該氧化物層為钛提供了顯着的耐腐蝕性。但是,必須在焊接之前将其去除,因為它在比钛更高的溫度下熔化并且可以進入熔融焊池以産生使夾層變弱的夾雜物。

無論是帶有硬質合金去毛刺工具的模具磨床還是專用于钛合金的硬質合金锉刀,都能最好地從焊接接頭上去除氧化層。建議不要使用鋼絲絨和磨料,因為它們會造成污染。請記住使用低磨削速度以防止過熱。在将氧化層磨掉後,用MEK或丙酮浸濕的布再次擦拭接頭。因為某些溶劑具有低閃點, 等所以要待溶劑在撞擊電弧之前完全蒸發。

完美契合

對于钛管而言,裝配可能比任何其他金屬管更重要,因為它對于防止氧氣進入焊縫至關重要。接頭應為方形(不要形成V形缺口),這有助于減少填充接頭所需的熱量和焊接金屬量; 這反過來又降低了燒穿和污染的可能性。

将零件夾在定位器或工作站上,以确保兩端盡可能緊密,準确地對接在一起。

大多數薄壁钛管和管道不需要預熱。但是,如果您計劃焊接厚度超過1/3英寸的钛管,請咨詢您的焊接設備供應商,因為某些預熱和後加熱可能是有益的。

屏蔽氣體覆蓋的重要性

建議使用純氩氣來焊接钛,因為它具有高純度和低水分含量。可以使用75/25的氩/氦混合物來提高穩定性并僅在指定時增加滲透。

美國焊接協會(AWS)建議測量焊接氣體純度,以确保其符合每種應用的标準。保護氣體的純度至少為99.995%,不超過百萬分之20(PPM)的氧氣,露點高于-76華氏度。其他應用需要99.999%的純氩氣流量。

用尾部護罩裝備焊槍是至關重要的 - 否則氧氣污染的風險會增加,并且随之而來的是開裂的可能性。一些焊工會制造自己的尾随防護罩,雖然有很多款式可供購買。尾随護罩符合管子的形狀,并沿着管子的GTAW割炬。在割炬及其氩氣流通過後,護罩在焊縫上提供額外的氩保護。将割炬和尾随保護氣流設置為20立方英尺/小時(CFH)可提供最佳保護氣體覆蓋率。

始終使用幹淨,無孔的塑料軟管将保護氣體輸送到割炬,尾随護罩和吹掃。

填充金屬選擇

焊接厚度大于0.010英寸的钛管時,請使用填充金屬(參見圖1)。通常,您應該将填充金屬與焊接的钛的等級相匹配 - 理論上該是完全匹配的。某些應用允許例外,例如屈服強度低于母材的填充金屬,以提高延展性。但是,任何變化都應經過仔細測試和調查,以确保其符合工藝要求和規格。

推薦的钛填充金屬合金
基礎填充 AWS A5.16 ERTi-2 AWS A5.16 ERTi-2 AWS A5.16 ERTi-3 AWS A5.16 ERTi-5 AWS A5.16 ERTi-9和ERTi-9ELI AWS 
A.16 ERTi-23
Gr1(CP-1)
[工業純钛]
X
Gr2(CP-2) X X
Gr3(CP-3)
Gr5
(Ti6A14V)
X
Gr9
(Ti3A12.5V)
X X
Gr23
(Ti6A14V ELI)
(超低
間隙)
X
圖1

挑選合适的火焰和消耗品

與任何其他焊接工藝相比,GTAW使焊工能夠更好地控制熱輸入和熔池。具有高頻電弧啟動,遠程電流控制功能,後流量計時器和至少250安培輸出的GTAW逆變器将很好地焊接钛。

始終将機器的極性設置為直流電極負極(DCEN)。與直流電極正極(DCEP)相比,DCEN具有更深的穿透性。

使逆變器與空氣或水冷割炬匹配。如果您的焊接溫度低于150安培,并且其成本低于水冷式割炬,則風冷式割炬可提供良好的性能。另一方面,水冷式割炬更小,更易于操作,并且允許在更長的時間内以更高的安培數進行焊接,盡管钛上的大多數焊接都很短并且在低于150安培的輸出水平下産生。

使用2%的金屬鎢電極接地,并與焊接電流相匹配,如下所示:

  • 高達90安培:1/16英寸或更小
  • 90 - 200安培:3/32英寸
  • 超過200安培:1/8英寸

使用氣體透鏡均勻分布保護氣體,并在焊接熔池上形成平穩的氣流。

打一個弧并開始工作

首先,切斷加注棒的末端,露出純淨,無污染的點,開始焊接。啟動氩氣流動幾秒鐘,然後撞擊電弧,确保焊接區域完全覆蓋。

使用變頻器的高頻起弧功能打弧。與焊接不鏽鋼相似的割炬角度,割炬速度和填充焊絲角度為焊接钛管提供了最佳條件。

用钛制造焊接熔池相當容易,但它可能不容易移動。将焊接熔池與電弧和填充棒一起推動通常可以獲得最佳效果,但在焊接時必須将填充棒保持在保護氣體外殼内。因為過多的熱量會使焊縫破裂,所以減少熱量輸入也很重要。使用填充金屬的dab技術(以穩定的行進速度)。

完成焊接後,允許20到25秒的後續流動以保護接縫,因為它會冷卻到800華氏度以下的阈值。使氧不再與钛産生反應。某些焊接可能需要溫度降至500華氏度以下。

一旦焊接完成,钛就可以顯示出真正的顔色。焊接接頭的最終顔色表明保護氣體保護焊縫免受污染以及氧化層厚度的程度(見圖2)。除目視檢查外,染料滲透檢查,硬度測試,X射線,超聲波探傷和破壞性測試還可确定钛焊縫的質量。

顔色驗收标準
焊接顔色 質量指标
亮銀色 可以接受
銀色 可以接受
輕稭稈 可以接受
黑暗的稻草 可以接受
青銅 可以接受
棕色 可以接受
紫色 不可接受的b,c
深藍 不可接受的b,c
淺藍 不可接受的b,c
綠色 不可接受的b,c
灰色 不合格
白色 不合格
圖2. 
注意:變色有各種色調。
在進一步焊接之前必須去除變色。
在焊縫和HAZ中,焊縫以外的最大值為0.03英寸。
如果要進行額外的焊接,則會導緻紫羅蘭色,藍色和綠色變色。成品焊縫可以接受藍色和綠色變色,但必須在後續加工之前将其去除。

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