TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究(可编辑).doc
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1、TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性的研究 TA2钛管钨极氩弧焊焊接工艺及可靠性研究 Study on TIG Welding Procedure and Reliability of TA2 Commercial Pure Titanium Pipe学科专业:材料加工工程 研 究 生:郭靖 指导教师:荆洪阳 教授 天津大学材料学院 二零一二年十二月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的
2、同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日我是爱天大的! ! 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 摘 要 钛及钛合金由于自身优异的综合力学性能、良好的耐腐蚀性而广泛地应用于航空航天、石
3、油化工、船舶工业等领域。由于钛及钛合金得到了越来越多的重视,工业界对于钛合金的焊接的研究也越来越多。 本研究以直径 50.8 mm、壁厚 4.0 mm的 TA2工业纯钛管为对象,分析了钛合金的焊接性及焊接中的常见问题,制定了合理的手工钨极氩弧焊焊接工艺参数。第一层焊接参数:焊接电流 80-90 A,焊接电压 8.5-11 V;第二次焊接参数:80-90 A,焊接电压 8.9-11.6 V。 通过焊接工艺试验,明确了合适的坡口设计、焊前清理方法、焊接工艺参数。并设计了针对钛管焊接的气体保护罩来避免气孔、裂纹等工艺缺陷。 最后,根据相关检验标准,对焊接件进行了无损检测、力学性能测试、金相组织观察以
4、及电化学测试等一系列试验。试验结果证明焊接质量优良,焊接工艺可直接应用于工程实际。关键词: TA2工业纯钛 手工钨极氩弧焊 焊接工艺研究 焊接检验 ABSTRACT Titanium and its alloy have been extensively used in aerospace, petrochemical, shipbuilding industry and medical application owing to their excellent mechanical property and corrosion resistance. Because titanium and
5、titanium alloy have got more and more attention in industry, the research on the welding of Titanium and its alloy increases rapidly This thesis mainly analyzes the welding ability and the common weld defects based on the TA2 pipes with 50.8 mm diameter and 4 mm thickness. Besides, weld defects are
6、reduced by develop the reasonable welding process. Welding parameter of the first welding layer: welding current is 80-90 A, Arc voltage is 8.5-11.0 V; welding parameter of the second welding layer:welding current is 80-90 A,Arc voltage is 8.9-11.6 VThe groove type, the cleaning methods before weldi
7、ng and the welding parameter are decided, after the pre-production welding test. At the same time,a gas shielded cover is design to protect the welding process from gas pores and cracksAt last, the corresponding non-destructive, mechanical performance test and the corrosion test are applied. The res
8、ult shows that the welding joints have good quality, and the welding process is feasibleKEY WORDS:TA2 commercial pure Titanium, TIG welding, welding process research, welding inspection目 录 目 录. 3?第一章 绪论. 6?1.1钛及钛合金的应用7?1.1.1 钛在航空工业中的应用. 7?1.1.2 钛在海洋工程中的应用. 7?1.1.3 钛在民用工业中的应用. 7?1.1.4 钛在医疗行业的应用8?1.2
9、钛合金常见焊接方法 8?1.2.1 熔化极氩弧焊8?1.2.2 等离子弧焊 8?1.2.3 电子束焊. 9?1.2.4 激光焊9?1.2.5 电阻焊9?1.2.6 钎焊. 10?1.2.7 钨极氩弧焊. 10?1.3 焊接方法的选择 10?1.4 焊接工艺设计. 11?1.5 焊接接头性能研究11?1.6 本文研究目的及主要内容13?第二章 TA2管焊接性分析14?2.1 TA2焊接中的常见问题. 14?2.1.1 焊缝金属晶粒尺寸粗大14?2.1.2 焊接接头脆化 14?2.1.3 焊接裂纹15?2.1.4 气孔. 15?2.1.5 杂质污染16?2.1.6 焊接变形16?2.2 本章小结
10、16?第三章 焊接工艺试验. 18?3.1 焊接材料及设备 18 3.1.1 TA2 管的选择. 18?3.1.2 焊丝的选择. 18?3.1.3焊机的选择18?3.1.4 保护气体的选择19?3.1.5 气体保护罩. 20?3.1.6 其他工具21?3.2焊前准备. 21?3.2.1坡口设计 21?3.2.2 焊前清理22?3.2.3 钛管的装配. 23?3.2.4 设计氩气拖罩保护装置,选择合适的氩气流量. 23?3.3 确定焊接工艺参数24?3.3.1 确定焊接层数 24?3.3.2 确定焊接工艺参数. 24?3.4焊接中注意事项. 28?3.5 焊接质量检验方法29?3.6 焊接缺陷返
11、修工艺要点 30?3.7 本章小结 30?第四章 TA2管焊接质量检验方法32?4.1 焊接质量检测及分析方法32?4.2 外观检验 32?4.3 渗透检验 33?4.4 射线检测 33?4.5力学性能研究34?4.5.1 弯曲试验34?4.5.2 拉伸试验36?4.5.3 断口分析37?4.6 TA2 管材焊后显微组织观察及硬度实验 38?4.6.1显微组织试验. 39?4.6.2 硬度试验40?4.7 焊接接头耐蚀性研究. 41?4.7.1电化学电极电位腐蚀试验42?4.7.2电偶电位腐蚀试验44?4.8 本章小结 46 结论. 47?发表论文和参加科研情况说明51?致 谢52第一章 绪论
12、 第一章 绪论 钛在上世纪 50年代走向工业化,是一种具有优秀综合性能的新型结构材料。钛拥有密度小,比强度、疲劳强度高,塑性、韧性好,耐腐蚀好,线膨胀系数低,生理相容性好,具有储氢、超导、形状记忆功能等一系列优点,因此钛被称为太1,2空金属、海洋金属、智能金属 。 3钛的密度为 4.51 g/cm ,属轻金属;熔点比较高,约为 1688,比热容为 522 J/kg?K,导热率 16 J/m?s?K;钛在常温下强度高,并且在高温下也能保持比较高的强度。钛的耐腐蚀性能优异,在水和空气中,钛可以在短时间内和氧反应,3在其表面生成一层致密的氧化膜,这层氧化膜使钛具有良好的耐腐蚀性 。此外,钛还具有良好
13、的塑、韧性。 钛具有 2种晶格结构:882以下为密排六方晶格结构,称为 钛;882 以上为体心立方晶格结构,称为 钛。通过合金化的方法,可以改变相稳定存在的温度范围,使得 钛和 钛在室温下存在。 钛合金是含有 稳定元素铝和中性强化元素锡等的钛合金。 钛合金有良好的热稳定性,蠕变强度,组织稳定性,低温力学性能和焊接性; 钛合金含有高比例的 稳定元素 Mo 和 V等; + 钛2合金的组织是由 钛为基的固溶体和 钛为基的固溶体两相组成 。 与其它材料相比,钛具有以下特点。 (1)钛的密度小、强度高。钛的密度,仅为铁的 57.4%,铜的 50.7%。钛合金的比强度是常用工业合金中最大的,为不锈钢的 3
14、.5倍,是铝合金的 1.3倍,是镁合金的 1.7倍。 (2)耐蚀性能优异。由于钛能在表面形成致密的钝性氧化膜,所以钛在海水、湿氯气、亚氯酸盐及次氯酸盐溶液、硝酸、铬酸、金属氯化物、硫化物、除草酸和大于 10%的甲酸外的有机酸、5%以下的硫酸、盐酸、磷酸等很多腐蚀性4,5介质中不被腐蚀 。钛表面的钝化膜有很强的自愈和再生能力,即使遇到机械磨损等情况也能迅速生成新的氧化膜,完全满足钛在一般情况下的耐腐蚀性要求。钛在海水中的耐腐蚀性要高于不锈钢、铝合金和镍基合金。 (3)高温性能好。钛的耐热性能好,通常铝在 150,不锈钢在 310即失去了原有的较高的力学性能,而钛合金在 500左右仍保持良好的力学
15、性能,有些钛合金的工作温度可高达 550,并有可能在未来达到 700。 (4)低温性能好。钛合金在低温下依然可以保持较高的强度、塑性及韧性。6第一章 绪论 1.1 钛及钛合金的应用 材料的应用取决于其性能,由于钛合金这些优秀的性能,钛合金材料越来越6广泛地运用于航天航空、化工、医疗器械以及海洋工程等领域 。 1.1.1 钛在航空工业中的应用 7钛的应用起始于 20世纪 50年代初,最早应用于航空工业 。钛合金具有较高的比强度,钛合金的强度和钢相近但密度远小于钢;并且钛耐热性能好,钛熔点为 1668,远高于铝和镁,再结晶温度也高达 600。由于这些特性,钛合金适合用于制造飞机,航天飞船的部件。目
16、前,大约一半以上的钛材应用于航天航空领域,主要运用在航空发动机、机体和机载设备上。钛的应用始于军用飞机,8目前美国的 B-1轰炸机中使用了约 21%的钛合金作为结构材料 。从上世纪 60年代开始,钛合金开始应用于商业飞机,在世界上最成功的商用飞机波音系列飞机中,钛材使用比例也逐渐提高,其中从波音 707的 0.3%增加到波音 777的 9.4%。 1.1.2 钛在海洋工程中的应用 钛在船舶及海洋领域的诸多方面有着重要应用,被称为“海洋金属”。海水有较强的腐蚀性,这就要求用于海洋中的材料具备良好的耐腐蚀性;另外应用于海洋中的材料要长期受海水冲刷与海浪周期性冲击,因而对材料的综合力学性能也有较高要
17、求。钛的力学性能好,耐腐蚀能力极强,在海水及潮湿环境下几乎不会被腐蚀,综合性能远优于不锈钢、铝合金、铜等传统金属结构材料 ,是舰船、9海洋工程的理想材料 。例如,TA16和 TA17钛合金已经运用于俄罗斯潜艇中,极大地提高了潜艇的战斗性能和安全可靠性。钛在海洋开发中也显得越来越重要,主要涉及海上采油设备、海水淡化等。在海上采油设备中,设备要经常接触海水、原油、氯化物、硫化物的腐蚀;还有承受工作载荷和风浪冲击。钛材制作的海水海洋工程设备,虽然一次性投资大,但是维护费用低,使用时间越长经济效益越明显,通常钛制设备的设计寿命高达 50 年,寿命远高于传统金属材料。 1.1.3 钛在民用工业中的应用
18、钛合金在化工、冶金、电力等民用工业上也越来越受到重视。在石油加工过程中,加工设备要经常接触高温、高压、腐蚀介质,传统材料在服役期间常常会发生安全事故。为了解决这些问题,目前国内外都逐渐开始采用钛合金作为制作工业设备的材料。钛制设备应用于沿海发电站冷凝器,有效解决了不锈钢及铜合金因腐蚀而漏气带来的问题;炼油厂中采用钛制设备有效减少了因为硫化物等腐7第一章 绪论 蚀而带来的巨大的经济损失;此外钛合金也越来越多地应用于生产酸、碱、化肥、农药的生产中。钛合金的广泛应用,在一定程度上促进了工业的发展。 1.1.4 钛在医疗行业的应用 钛密度小、耐腐蚀性好、无毒性,是制作医疗器械的重要材料。钛应用于医疗领
19、域,主要是被用作人体植入件、手术器械。在常被制作成人体骨骼和人体关节用于人体硬组织修复的金属材料中,钛的弹性模量和人体最接近,大约 80-110 GPa,这样的弹性模量可以减轻金属种植体与骨骼组织见的机械不适应。钛的热导率低,仅为金合金的 1/17,用于制作假牙能有效保护牙髓、避免冷热刺激作用。钛用于手术器械的好处有减轻重量,耐腐蚀性好且无毒。 1.2 钛合金常见焊接方法 选择钛合金的焊接方法时,要考虑钛合金的物理性能、化学性能和冶金特点。由于钛在高温下很活泼,极易吸收空气中的氧、氢、氮等杂质,危害焊接接头质量,因此在焊接时必须在氩气保护下或真空中焊接。同时,由于钛合金的比热容低、导热性能差、
20、热影响区容易过热,因此需要选择能量集中的焊接方法。 目前来说,钛合金焊接的方法有以下几种,分别是:熔化极氩弧焊,等离子焊,电子束焊,激光焊,电阻焊,钎焊,钨极氩弧焊等。 1.2.1 熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊(MIG焊)采用氩气作为保护气体,使用焊丝作为熔化电极,其特点是熔敷速度较高,焊接变形小,适用于中厚度钛材的焊接,并且采用直流反接的方法。虽然 MIG焊有生产效率高、焊接变形小的特点,但在焊接过程中,熔滴以细颗粒的形式过渡,填充金属容易受到杂质污染,飞溅问题相对严重,影响焊缝成形和气体保护效果,焊缝成形不如钨极氩弧焊。 1.2.2 等离子弧焊 采用氩气保护的等离子弧焊,也常用于钛及钛合金的
21、焊接。等离子弧焊具有线能量大、单面焊双面成形、得到的焊件受热面积小、变形小、气孔少等优点,10,11非常适合钛合金的焊接 。等离子弧的能量密度介于钨极氩弧焊和电子束之间,用等离子弧焊接钛及钛合金时,热影响区较窄,焊接变形也较易控制。与钨极氩弧焊相比,等离子弧焊焊接后的钛材有几乎相同的强度、更好的塑性,另外12等离子弧焊生产效率高于钨极氩弧焊 。但是,等离子弧焊焊接设备成本高,对8第一章 绪论 焊接操作要求高,同时焊接时伴随着较强的辐射、大量烟尘、噪音。等离子弧较其它电弧的光辐射强度更大,尤其是紫外线的强度大,对皮肤损伤严重;焊接中伴随有大量汽化的金属蒸气、臭氧、氮化物等,对焊工的身体健康不利。
22、 1.2.3 电子束焊 电子束焊在物理本质上是利用真空电子枪产生高能电子束轰击焊接接缝,高速电子与焊件发生碰撞时将其动能转送给焊件,使之加热熔化。电子束焊的电子束斑直径小,形成的焊缝窄而小,焊缝深宽比达到 20:1,单次可焊透工件 100 -250 mm以上。电子束具有焊接热量集中,功率密度高,热效率高,热影响区小,焊13,14接变形小等特点 。由于电子束焊焊接热输入较小,冷却速度比较快,另外高温停留时间短,焊后晶粒为较均匀的等轴晶,使得焊接接头强度较高,塑性降低15。但是,电子束焊要求在严格的高真空环境中进行焊接,无形中增加了成本,对焊接接头的装配要求也较为严格。 1.2.4 激光焊 激光焊
23、接是利用激光能量密度高,电磁能相干性好、单色性强、方向性好的16特点进行焊接的方法 。激光焊将强大的光源聚焦在一个很小的区域,使该区域内的金属熔化,实现材料间的连接。为了避免氧、氢、氮等杂质元素的影响,在激光焊接过程中需要使用氩气进行保护。采用激光焊焊接钛得到的热影响区小,焊件变形小,焊接准确;焊接时可通过玻璃窗进行焊接,不需与焊接区直接接触,不受磁场的影响,焊接时不需要焊料,焊接时间短;国内外许多学者对 TC4等17-19钛合金的激光焊进行了研究,证明了激光焊是一种焊接钛合金的有效方法 。1.2.5 电阻焊 钛的电阻率大,导热性小,较易进行电阻焊。电阻焊利用电流通过焊接接触面间的电阻产生热量
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