TA2钛板点焊工艺研究
  热点专题昨日导读“第二届新春短信祝福大赛
【机电在线讯】“新年前的等待，无祝福不过年”，喜迎2…原创不足？矿山机械行业新闻营销需创新从虎年春晚舞台灯光渲染看今年建筑照明设计机电在线助力企业新闻营销 凸显电商价值 　　中国航天科技集团公司空间技术研究院518研究所 杨俊平
摘 要：本文介绍了TB2钛合金电阻点焊工艺试验过程，确定了合理的点焊工艺参数。对其接头成形特点、组织特征进行了分析，并对接头进行力学性能试验。结果表明，只要焊接工艺合理，采用电阻点焊焊接TB2钛合金板材（2mm +0.8mm）效果良好，可以达到Ⅰ级焊缝要求。
关键词：TB2；电阻点焊；工艺；试验
1 前 言
TB2，名义成分Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al，是我国自行研制的一种新型材料, 属于亚稳定β型钛合金，该合金在固溶状态下具有优异的冷成形性能和良好的焊接性能，在固溶时效状态下具有高的强度和良好的塑性匹配，是航空、航天、国防工业中很有发展前途的一种钛合金。本试验通过对TB2合金电阻点焊的工艺研究，旨在探讨组织性能良好的点焊工艺，确定合理的TB2 电阻点焊工艺流程及其工艺规范。
2 点焊试验
2.1 试验材料
试验所选用的TB2钛合金，电阻率大，导热性差，高温强度稍低，点焊规范与不锈钢大致相当，且材料热敏感性高，即使缩短通电时间也有严重的晶粒长大，影响材料的力学性能。其化学成分见表1。
 
 
2.2 试验方案
根据点焊试验对接接头的要求以及拉剪试验对钛板的尺寸要求，设计接头型式如图1所示。
其中，图1a的接头用于测试工艺参数以及进行撕裂试验，图1b则是根据拉剪试验对钛板的尺寸要求设计的。对两种不同厚度的试板进行搭接点焊, 其组合为0.8mm+2.0mm接头，焊点直径设计为5mm。其中试板宽度B=20mm, 试板长度L=100mm，搭接长度t=8mm。
 
为得到质量可靠的焊点，避免在焊接过程中产生各种缺陷，试板机械加工表面粗糙度达到Ra=0.8，并对试板表面进行了焊前清理。首先进行化学清洗，将焊件放入自动清洗机清洗5min，去除表面氧化皮、油脂、灰尘、手印等影响焊点质量的杂质，用细砂纸仔细清理试板点焊范围内的氧化膜，使之露出金属光泽，然后，将工件装夹在专用夹具上待焊。
为了确定合理的焊接规范，选择A（软规范）、B（中等偏硬规范）、C（硬规范）三种规范进行点焊工艺试验。在进行焊接时，焊接时间（较小值）、焊接电流、电极压力依次从小到大，详细点焊工艺参数见表2。
采用大量的对比试验，确定采用中等偏硬的点焊规范，参照相关标准的要求，进行焊缝检验，并比较分析了保护气体对焊接接头组织和性能的影响。
3 焊接结果及分析
3.1 焊点外观检查
用40倍放大镜观察显示，焊接区表面无裂纹、烧穿、喷溅和板边缘的胀裂；检测压痕深度，小于0.08mm；没有氩气保护进行点焊的焊点表面发黄，并发现一个焊点有深蓝色出现；有氩气保护进行点焊的焊点表面呈金属色，没有发黄现象出现。
3.2 焊点尺寸
焊点的强度取决于熔核尺寸，即熔核直径dn（mm）和熔核高hn（mm）, 并且要求熔核尺寸随板厚增加而增大, 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为焊件厚度（mm），△为焊件表面压痕深度。
试验中测出点焊直径大于5mm，而根据公式估算出的理论值为4.47mm, 表明试验研究中得到的焊点尺寸符合点焊强度要求，因此该工艺参数设计合理。
3.3 X射线探伤
对试样接头100％进行X射线探伤, 未发现气孔、飞溅及裂纹等缺陷，接头质量符合相关标准要求。说明焊接工艺参数合理、可行，适合进行批量生产。
3.4 撕破检验
为了检验焊点强度是否满足设计要求，进行了撕破检验。撕破检验是一种判定焊接接头质量的现场工艺检验方法。对上述试片进行撕破检验，图2和图3是试片撕破产生的“钮扣”。“钮扣”状撕破比率为96％以上，可知焊点质量满足要求。
 
3.5 抗剪检验
对以上TA2钛板合金点焊试片进行抗剪切试验，以测定焊接接头承受静拉伸载荷的能力。抗剪试样接头为图1所示搭接接头。单焊点试验三组，测得单点抗剪力为1300N、1350N、1335N；双排六焊点试验三组，抗剪力分别为33900N、34200N、33400N；且焊点大都沿母材断裂，少数沿结合面断裂，说明焊点内部缺陷。如图4所示。
4 结束语
4.1 通过对钛合金（TB2）薄板（0.8mm +2.0mm）的点焊试验确定了点焊的很佳工艺参数，具体如下：电流（I）4.5kA, 焊接通电时间（t）0.15s，电极压力120 ~200PSI。
4.2 TB2钛合金薄板电阻点焊接头具有很高的点焊接头强度，可以推广应用。
4.3 点焊试验过程中，焊点出现了表面发蓝（过烧）的现象，通过分析，认为是发生了分流导致过烧。后来，通过优化工艺，采取氩气保护焊接接头，改善薄板之间的装配松紧关系，合理安排点焊顺序，终保证了焊点质量，达到了相关标准要求。
参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会编. 焊接手册: 第三卷焊接方法及设备, 第二卷材料的焊接. 第二版. 北京: 机械工业出版社, 2001
[2] 中国机械工程学会焊接学会编. 焊工手册. 第二版. 北京: 机械工业出版社, 2003
[3] 俞尚知主编. 焊接工艺人员手册. 上海: 上海科学技术出版社, 1991
[4] 中国航空材料手册编委会. 中国航空材料手册（一版）[M]. 北京: 中国标准出版社, 1989
[5] 顾曾迪等编着. 有色金属焊接（第二版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 1995.
[6] 戚运莲等编着. 钛及钛合金的焊接技术[J]. 钛合金进展, 2004(6): 25~29

摘　要　本文结合兰炼三叶公司顺酐装置中钛材设备的制造实践，介绍了钛材焊接工序、工艺特点和焊接工艺参数，从加工条件、坡口切削、卷板以及焊接工艺特点和焊接保护措施等方面，总结了确保钛材设备制造质量的经验。
主题词　金属材料　设备　制造　工艺　焊接　性能

1　首富
钛材是一种新型金属材料，具有较高的强度、较小的密度(仅为碳钢的60%)、优良的耐腐蚀性能以及良好的工艺性能，今后将日益广泛地用于制造耐腐蚀的石油化工设备。我们为兰炼三叶公司顺酐装置共制造了十二台钛材设备，其中冷换设备五台、塔三台、罐四台。经过近几年的开工使用证明，冷换设备传热系数高、不易结垢；塔和罐基本上没有腐蚀情况，使用效果较好。
兰炼三叶公司新建的化工原料顺酐装置，因介质腐蚀性强，有些设备选用了钛材制造。由于我们是首制造钛材设备，技术资料和经验都比较缺乏，而焊接是决定钛材设备质量的3.2　螺旋铝芯扭制成型
关键，为此我们进行了大量的钛材焊接工艺性能评定实验，确定了钛材的焊接工艺参数。钛材特有的物理性能、机械性能及较高的化学活性，决定了钛材设备的制造不同于碳钢或不锈钢设备的制造。
钛材设备的制造加工流程见图1。

图1　钛材设备加工流程框图2　组装及加工
2.1　前期准备
(1)专门划分一块钛材设备制造区域，严禁与碳钢设备混堆、接触，工作场地必须铺设橡胶板。
(2)材料要入库妥为保管，禁止露天堆放。同时设置几个钛材专用的边角余料箱，将边角料分类回收。
(3)自行设计、制造所需的专用机具、胎具等。其中多层螺旋盘管弯制机不但解决了钛材盘管的煨弯难题，还荣获国内专利，专利号为；其它设备如剪板机、刨边机、滚板机等要保持清洁，防止油污、铁屑、辊子上的缺陷等损伤钛材表面。
(4)参加钛材设备制造的人员，着装应符合要求，工作服、手套要整洁，不允许穿带铁钉的鞋，并且尽量避免在钛板上走动。
2.2　划线与落料
钛材对缺陷的敏感性很强，因此禁止用铁锤击打钛材表面或打样冲或钢印，禁止用墨汁或油漆书写有关标记。钛材还易受铁、油污等的污染，下料切割后须用砂轮机将污染部位打磨干净，因此划线时要适当多留一些加工余量，一般以10～20mm为宜。
采用剪板、砂轮机或等离子弧切割落料。采用等离子弧切割时，为防止飞溅损伤钛板，应在钛板表面涂刷白垩粉。
2.3　加工坡口
对板材要求在刨边机上刨出坡口，对管材要求在车床上车出坡口，坡口均为V型，较长的板在刨边过程中容易产生挠曲、被撕裂的现象。为了解决这些问题，我们用槽钢压紧刨削端，以增大刨边机对板材的压紧力，同时减小板材伸出刨边机的长度(由常规的50mm减为30mm)，以增大其刚度，再调整好刀具的刃倾角，并采用低速和小的进刀量切削，结果坡口光亮如镜，比碳钢及不锈钢坡口的粗糙度要低得多。
注意在钛材刨边过程中不能中途停止进刀，否则容易引起切削表面硬化，同时钛材刨边时磨刀及更换刀具也比碳钢及不锈钢频繁。
2.4　卷板
钛板在卷制时，板材回弹量要比碳钢及不锈钢大，致使点焊比较困难。我们采用天车配合使筒节在滚板机上滚圆后立即点焊，之后再吊离滚板机。卷板时为了防止辊子上的缺陷损伤钛板表面，采用镀锌铁皮裹住钛板两面。
锥形封头、直径≥108mm的接管(没有无缝钛管，需用板卷制)、人孔筒节等在滚板机上无法成型，可使用自制胎具压制。
3　焊接及检测
3.1　焊接材料及设备
钛材焊接时采用手工钨极氩弧焊。由于钛材的熔点高、热容大、导热性差，与碳钢及不锈钢相比，钛材还具有较高的化学活性。当焊接时，它极易与氧、氢、氮、碳等元素发生剧烈反应，导致焊接接头脆化，容易产生裂纹。为了获得机械性能良好的焊缝，焊前表面清理及焊接过程中的保护措施是保证焊接质量的关键。焊接所用的材料及设备是：
(1)纯度不低于99.99%的氩气。
(2)选用铈钨极，包括直径1、1.5、2、3mm四种。
(3)焊丝应按GB3623-83“钛及钛合金焊丝”标准选用，也可把板材剪成丝使用。
(4)使用钨极(自动或手工)交、直流两用氩弧焊机。
3.2　焊接操作
3.2.1　焊前清理
焊缝只要受到少量铁、油污等杂质的污染，会严重影响焊接质量，因此，对焊缝表面必须进行严格的清理。清理的顺序如下：
(1)用砂纸或砂轮机除去焊缝及其两侧不少于50mm范围内的氧化层，直到露出银白色的金属为止。
(2)用崭新的绸布蘸无水酒精将表面擦拭干净，直到绸布上没有污染为止。
(3)将焊丝用无水酒精擦拭干净。
(4)焊缝及焊丝清理后要立即施焊，否则应重新清理。
3.2.2　焊接操作要领
(1)手工钨极氩弧焊的焊接工艺参数如表1所示(焊丝均为TA2)。
(2)钨极伸出10～12mm为宜，焊缝每次填充的高度为2～3mm，最高不超过5mm。单面焊双面成型焊缝的对接间隙为1.5mm。
表1　焊接工艺参数
类　　别板　　厚 
(mm)焊接位置焊丝直径
(mm)电　　流
(A)电　　压
(V)焊　　速
(cm/min)氩气流量
(L/min)
组合角接3垂直俯位2.0
3.080～100
90～10014～16
15～164～8
10～1210～11
11～12
对　　接3平　　焊2.0
3.080～100
90～11014～15
14～168～10
8～168～10
9～15
(3)焊接完毕后焊炬不能立即离开，要连同保护盒继续保护，TA2钛板直到焊接接头冷却到400℃以下方可离开。
(4)厚度大于4mm的对接和角焊缝应采用多层焊。每层焊道施焊前，都应保证上一层无氧化，如有氧化必须彻底清除后再施焊。
(5)当焊缝表面存在咬边、弧坑或焊肉低于母材表面时，如无氧化污染则可直接修补；但对于未焊透、表面未熔合及表面裂纹等均应将缺陷打磨干净，进行清理后补焊。返修次数不能超过两次。
3.2.3　焊接过程的保护措施
由于钛材对氧、氢、氮有很高的亲合力，容易导致焊接接头塑性下降，所以对焊缝熔池及其背部凡400℃以上的焊接热影响区都必须进行严格的保护。熔池的保护由焊炬来完成，热影响区及400℃以上的受热部位由保护盒保护。保护盒很好用铜材制作，我们自制的保护盒如图2所示。氩气流量以7～15L/min为宜，太小气流刚性低，保护效果差；太大会引起气流紊乱，把空气带入焊接区。因此，氩气应保持层流状态。

图2　气体保护盒示意 
3.3　焊缝检测
焊缝采用外观检查、着色及射线检测三种方式来检验焊缝质量。外观检查主要观察焊缝的表面缺陷及焊接接头的颜色，并根据表面颜色来判定气体的保护效果，参照表2可通过钛材焊缝表面颜色判定焊接质量。
表2　钛材焊缝颜色与焊接质量的判定
表面颜色保护情况焊缝情况接头质量处理措施
银白色良好　　良好　使用可靠不需处理
金黄色尚好　没有影响　　能使用用砂纸打磨掉表面金黄色
蓝色一般表面氧化，使表面塑性稍有下降承受负载较大时不能使用用砂纸打磨掉表面蓝色
紫色 
(花色)较差氧化严重，塑性显著降低使用条件(介质、负载)苛刻时不能使用用砂纸打磨掉表面紫色
灰色或
表面有
粉状物极差完全氧化，焊接区完全脆化，易产生裂纹、气孔等缺陷　不能使用不合格，重新施焊
对于局部表面颜色不合格的焊缝的热影响区，必须用砂轮全部磨去后重新施焊，补焊次数不能超过两次。按JB4730-94“压力容器无损检测”进行着色及射线检测，着色检测应符合Ⅱ级要求，射线检测应符合Ⅲ级要求。www.wxxbjs.cn