鈦及其合金焊接過程中雜質(zhì)元素的污染及控制

鈦及其合金焊接過程中雜質(zhì)元素的污染及控制

鈦及其合金是一種具有優(yōu)異耐腐蝕性和理想物理機械的結(jié)構(gòu)材料。廣泛應用于航空、軍事和石油領(lǐng)域。在多年容器制造監(jiān)檢實踐中,體會到,鈦及其合金焊制壓力容器的制造質(zhì)量控制關(guān)鍵問題是如何防止雜質(zhì)元素污染。鈦及其合金中的雜質(zhì)元素,其污染發(fā)生機率貫穿在制造過程的各個環(huán)節(jié),其中最易發(fā)生及危害性最大的是在焊接環(huán)節(jié),下面從鈦的物理化學性能的角度分析雜質(zhì)元素污染的機理及其危害。1焊中鈦的雜質(zhì)元素污染機理鈦原子序數(shù)22,屬過渡族元素,具有高的化學活性,熔點高、熱容大、導熱差。在常溫下,光潔的鈦表面就能與空氣中的氧起作用,生成一層致密的保護性氧化薄膜隨著溫度的升高,鈦的化學活潑性急劇增加,在250℃時開始吸氫、600℃開始吸氮,并能和氫、氧起激烈反應。氧、氫、氮、碳、鐵是鈦的間隙元素,能溶解于鈦,形成間隙固溶體,當以上元素的含量超過其在鈦中的溶解度時,就會與鈦形成各種化合物。鈦的標準平衡電位為-1.63伏,其表面受到鐵或其它金屬離子污染后,在含氫介質(zhì)中,會發(fā)生電化學反應,此時氫進入金屬內(nèi)部,使鈦變脆。氧、氫、氮、鐵雜質(zhì)元素與鈦不論形成間隙固溶體或化合物,均使鈦變脆,強度和硬度升高,塑性下降,此過程是不可逆的隨著氧、氮、碳元素增加,鈦的塑性不斷下降,強度逐漸升高,而且氮的影響量大,氧的影響次之,碳最小。隨著氧、氮、碳元素增加,鈦的硬度逐漸增加,增加速率氮最大,氧次之,碳最小。隨著氫含量的增加,強度和塑性變化很小,但沖擊韌性卻明顯降低。隨著Fe含量增加,鈦的強度和硬度急劇增加,韌性下降。氫、氧、氮、碳、鐵等雜質(zhì)元素在不同溫度下與鈦形成各種間隙固溶體或化合物,使鈦的機械性能明顯變壞的過程即所謂鈦的雜質(zhì)元素污染在鈦及其合金容器制造過程中,污染所產(chǎn)生的工藝缺陷主要表現(xiàn)為:(1)焊接時,由于氫在鈦的β相(1668℃～882℃)和α相(882℃以下)中,溶解度不同,前者大,后者小。若熔池金屬中氫含量較高,在熔池金屬結(jié)晶時,氫可以溶解在β相,形成間隙固溶體,隨著焊縫金屬的繼續(xù)冷卻,β相轉(zhuǎn)成α相,由于氫在α相中的溶解度下降,此時若氫在α相中過飽和,特別是當溫度下降到320℃～125℃時,氫在α相中的溶解度只有0.0010～0.0019%,此時含有過飽和氫的α相將發(fā)生共析反應而析出TiH2,由于TiH2具有低的斷裂強度,使焊縫的韌性下降,另外,伴隨著共析反應,產(chǎn)生體積膨脹而引起很大的晶間應力。所以,具有較低斷裂強度的焊縫金屬在大的晶間應力作用下可能產(chǎn)生晶間裂紋,進一步則會擴展成裂縫。特別是當焊縫中含有較高的氧、氮、碳等雜質(zhì)元素而降低了焊縫的塑性時,晶間微裂紋擴展成宏觀裂縫的可能性就更大。所以氫是使鈦焊縫產(chǎn)生裂縫的根源,氧、氮、碳是促進裂縫形成的因素。同樣,鐵的作用與氫相似,鐵在鈦中的溶解度極小,當615℃時不高于0.5%,而在室溫下則下降到0.05～0.1%,如果此時鐵的濃度值>0.1%則要析出脆硬TiFe型金屬間化合物,使焊縫脆化,形成裂紋。(2)焊接時,由于雜質(zhì)元素的存在,使熔池中含有較多氣體,當這些氣體形成了氣泡,又在熔池結(jié)晶前來不及逸出溶池,就形成氣孔。2氣體雜質(zhì)元素殘留在焊絲、焊咀等質(zhì)(1)鈦及其合金材料本身固溶有較多量的雜質(zhì)元素、材料表面粗糙部份雜質(zhì)氣體的吸附。(2)焊前對焊絲、焊件沒有清理干凈,有水份、氧化膜、氮化膜、氫化膜,油污及其有機物質(zhì)等物質(zhì)殘留在焊絲、焊件上。這些物質(zhì)在電弧熱作用下分解成氧、氫、氮、碳等雜質(zhì)元素。(3)焊咀保護不良,高純度保護氣體氣流過大或過小,鎢極伸出過長,操作不當(角度不對等),至使外部氣體入侵污染溶池。(4)保護氣體純度不夠。(5)正面拖罩或背面墊板、氣盒設(shè)計或放置不當,使外部空氣侵入到尚處于400℃以上的焊縫及受熱部份,造成從空氣中吸收氧、氮、氫等。3表面清理及焊接污染問題是鈦及其合金焊制壓力容器質(zhì)量好壞的關(guān)鍵,因此,對鈦及其合金焊制的壓力容器應加大現(xiàn)場監(jiān)督檢查力度:(1)冷作成形場地必須與其它材料設(shè)備制作場地隔離,有防止鐵或其它金屬粉塵污染源的設(shè)施。(2)焊前必須對坡口、坡口周圍(任何要在400℃以上加熱的表面)及焊絲用溶劑進行徹底清理。經(jīng)砂輪打磨后的表面及表面有氧化膜的部位必須用刮刀刮除。(3)用作保護的氣體(氬、氦及兩種氣體的混合氣)的露點應在0～40°F范圍內(nèi)。流速必須與焊接規(guī)化一致,保證層流狀態(tài)。(4)用作保護的施罩、氣墊、氣盒、材質(zhì)及形狀必須與焊接工藝規(guī)程相一致。(5)所有工夾具的材質(zhì)必須與制造工藝要求相一致,并保持清潔。(6)用復合板焊制的容器,焊接復層時,電流、電壓、焊速、坡口的間隙必須嚴格按規(guī)范執(zhí)行,一旦焊接接頭的根部焊透(根部以下為基層)時,則該處已被鐵污染,機械性能已被破壞,極可能出現(xiàn)裂紋,失去抗腐蝕能力。(7)吊裝用的鋼纜必須全部用橡膠套保護,盡可能減少工具與設(shè)備之間直接接觸特別是滑動或摩擦。4焊縫面色澤檢測除通過對試板機械性能檢驗、滲透探傷、RT檢驗外,由于鈦吸收氣體后會出現(xiàn)特別顏色,根據(jù)接頭表面色澤也可以說明氣體保護的有效程度,又可間接說明焊縫的