焊接-鈦合金活性焊劑焊接技術

鈦合金材料以其優良的機械性能、耐腐蝕性能以及密度小等優點越來越廣泛地應用於航空、航天、石油、化工及艦船等行業。鎢極氬弧焊是上述各行業中大量應用的鈦合金焊接結構最常使用的焊接方法之一。該方法具有工藝裕度大、工藝適應性強、焊縫質量優良等特點,但也存在電弧能量密度較低、穿透能力較差、焊接時的熱輸入較大、對材料的熱損傷大、焊接應力變形較大等不足;特別是在鈦合金焊接時,易產生氣孔等缺陷,直接影響焊接構件的使用性能。

目前,新型飛機的研製對鈦合金焊接結構件的要求越來越高,急需開發新型、優質、高效的焊接方法,以滿足先進航空發動機、飛機的高效率、高性能及高可靠性的結構設計對先進製造技術長壽命、低成本的要求。活性焊劑鎢極氬弧焊(A-TIG)技術就是適應這一要求而發展起來的。該技術不僅能解決上述常規TIG焊接存在的技術不足,而且在相同的工藝條件下,能提高構件的焊接質量和使用壽命[1-3],為鎢極氬弧焊技術開拓新的應用前景。

 
鈦合金A-TIG焊接技術的基本原理

薄膜的存在限制了電弧的導通截面,從而使電弧收縮;其次,由於焊接前鈦合金材料表面覆蓋活性焊劑層,在電弧導通過程中,只有電弧熱先將活性焊劑和鈦金屬熔融,並實現液態鈦把焊劑薄膜的成功擠走,才能實現電弧的成功導通和穩定燃燒。由於熔融的活性焊劑與液態鈦之間有較好的浸潤性,因此,焊劑薄膜又不容易被擠走。其被擠走的越少,焊縫也就越窄,電弧的熱流量也就越集中,熔透的深度越深;第三,A-TIG焊接時,活性焊劑分子蒸汽進入電弧氣氛,增加了弧柱中等離子的導熱性,從而使電弧收縮;第四,電弧熱使活性焊劑分解電離並進入到電弧外圍空間,焊劑離子捕獲電弧外圍電子形成負離子,降低了弧柱外圍空間的電壓,從而使電弧收縮。正是由於上述幾個方面的協同作用,使A-TIG焊接過程中焊接電弧發生明顯收縮,弧柱電流密度增加,致使焊接熔深增加。

鈦合金A-TIG焊接技及特點

A-TIG焊接技術是焊接前在待焊接工件上表面塗一層活性焊劑,然後沿焊劑層進行TIG焊的工藝方法。與常規TIG焊接工藝相比,鈦合金A-TIG焊接電弧的穿透能力顯著增強,熱輸入量、焊接變形及應力減小。在焊接相同規格的產品構件時,在相同的焊接電流條件下,可以實現不開坡口單道焊接或使堆焊層數明顯減少,從而提高焊接生產率和產品質量,成倍降低成本。

另外,活性焊劑能夠大大減少氬弧焊過程中產生的焊縫氣孔缺陷,從而直接改善焊接接頭及焊接結構的疲勞性能。試驗表明,TC4鈦合金A-TIG焊對接接頭的疲勞極限比常規TIG焊提高16%,可達到母材的90%。目前鈦合金活性焊劑氬弧焊技術已經發展成為一種為保證武器裝備提高質量、提高加工效率和降低成本的新型先進連接製造技術。

國外技術發展現狀

活性焊劑最先是由烏克蘭巴頓焊接研究所於60年代研製出來的。其最初的研製目的是為了通過在焊縫區添加鹵化物以改善鈦合金TIG焊時焊縫中的氣孔問題。試驗結果表明,添加的滷化物在抑制鈦合金焊縫氣孔的同時,還影響了焊縫的成形:在其他條件等同的情況下,焊縫熔深(h)增加,熔寬(b)減小,焊縫形狀係數(ψ=b/h)也相應減小。此外,焊接時熱輸入(q/V)也相應降低。鑑於添加鹵化物所帶來的一系列積極效果,巴頓所於1964年開發了第一種多元活性焊劑產品——AHT-9A,用於鈦合金焊接。目前,其A-TIG焊工藝已通過試驗確認,並用於俄羅斯航空、航天、化工、壓力容器、電力設備、核電設施等領域。美國在氬弧焊用活性焊劑的研究方面比烏克蘭相對落後。但目前美國已利用開發出的不銹鋼與碳鋼氬弧焊用活性焊劑進行雙體船殼體、油輪、核反應容器、壓力容器等的建造;海軍方面正使用該焊劑焊接艦船及潛艇用管道系統和某些零部件。

 

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