1 扩散焊
扩散焊的基本条件是在真空中或在保护气氛中进行钛件的焊接。焊接的基本工艺参数为温度、压力和时间。在真空中,870℃和6.9MPa的压力下焊件接触面金属蠕动并相互填人接触面的空穴,10min内90%的接触面达到相互接触。温度低用较大压力,温度高用较小压力。在必须控制总变形量的情况下,所施压力是有一定范围的。焊接时间一般为0.5~1.5h,时间长固然原子扩散更充分,但要防止晶粒长大。
扩散焊是一种固相连接方法,钛的扩散焊焊缝用肉眼很难看出焊接接头的金相组织变化痕迹。
扩散焊过程基本可分为三个阶段。
第一阶段是被焊表面变形阶段。被焊件加热到一定温度后施加压力于焊件,焊件接触面开始塑性流变。虽然焊接接触面宏观上是光滑的,但从微观角度看,仍是凹凸不平的表面。这些凹凸点在温度,压力作用下就相互嵌入,达到大部分界面相互紧密接触的程度,这一阶段已经形成界面晶界,实现了晶粒之间的连接,但尚未实现全界面接触,即尚存在一定空隙。
第二阶段是接触面的金属原子发生金相组织结构的重组,晶粒、晶界发生长大和迁移,界面的空穴已基本消失。
第三阶段,界面上发生体积上的再结晶和晶粒长大,甚至原界面上的氧化薄膜完全消失,全部被基体所溶解,达到冶金结合。
以上三个阶段实际上是在真空、温度、压力、时间从头到尾连续发展过程,它们之间并不存在一个截然的界限,致使达到完全结合上的程度差别。
钛的扩散焊性能很好,特别适合双相钛合金焊接,如Ti6A14V合金。双相钛合金熔化焊接头性能损失较大,强度系数只为基本金属的80%左右,塑性也有所降低,原因是接头热影响区晶粒长大了。扩散焊对近β型钛合金如Ti-3Al-13V-11Cr也有应用实例。对α型钛合金,如工业纯钛和5A12.5Sn都比较容易实现很好的接头性能。
2扩散钎焊
扩散焊进一步发展的形式是扩散钎焊,即在钛件表面先镀一层铜或镍,或夹一层0.03~0.05mm的铜或镍,在900~950℃时接头接触面发生低熔点共晶反应,像钎料一样填满接头间隙,在该温度下保温1~4h,使共晶体充分扩散并成为固相接头。该焊接工艺已用于制造飞机蒙皮带有筋条的钛合金、喷气发动机圆筒壳体和空心叶片。
3 潜弧焊
潜弧焊也是熔化焊方法之一,是将焊弧潜埋在焊料下面在高纯氩气保护下进行焊接的一种焊接方法。钛合金潜弧焊焊接方法及设备都是从俄罗斯引进的。它的优点是焊接电流大,焊接能力强,一次可以焊透厚度达100mm的锻件或厚板。其缺点是焊缝及热影响区宽,焊缝铸态组织粗大。
钛的潜弧焊性能很好,焊缝的室温强度和高温为基体强度的90%~95%.特别适合航空用厚板和锻件的近α型钛合金和(α+β)型钛合金的焊接,如TA15和TC4合金。TA15合金潜
弧焊可将几十毫米(65mm)的厚板一次性焊透。TA15合金潜弧焊的24mm、64mm锻件强度系数(n)分别为94.8%和94.0%.采用潜弧焊可以焊接厚度达15~50mm的TC4钛合金结构件。潜弧焊能够提高焊接效率和熔透能力,并且不要求加开坡口。表4-13列出了推荐的自动潜弧焊制度,仅供使用者参考。
表4-13 TC4钛合金自动潜弧焊推荐制度 | ||||
焊接厚度/mm | 焊接电流/A | 电弧电压/V | 焊接速度/m·h-1 | 接头间隙/mm |
4 | 210-250 | 12-14 | 15-20 | 0+0.3 |
7 | 320-350 | 13-15 | 12-14 | 0+0.5 |
8-10 | 340-380 | 13-15 | 10-12 | 0+0.5 |
13-15 | 450-500 | 13-15 | 7-8 | 0+0.7 |
23-24 | 800-850 | 15-16 | 13-15 | 0+1 |
4穿透焊
TA15合金在飞机薄壁构件中,用薄板(如厚2mm板材)采用自动氩弧焊的方法,将薄板焊透,并将与薄板成T字形的端面焊接在一起,成为穿透焊。即穿透焊是从T字形的接头平板背面施焊使T字形接头一道焊接双面成形,具有很高的焊接效率和焊接质量。还可以与其他钛合金互焊。厚2mm板材的自动氩弧焊焊接接头,在其焊接状态、焊后450℃下100h热暴露状态的强度、弯曲角和冲击性能差别不大,接头对热处理不敏感。
TA15合金薄板拼焊的LT方向取样的强度系数(n)均为100%,L方向取样的强度系数(n)均为90.5%;穿透焊的强度系数(n)为93.1%.薄板的对接拼焊和穿透焊的强度系数(n)均
>90%,所以薄板的对接拼焊和穿透焊的性能良好。
5焊接安全
钨极氩弧焊弧光中的紫外线和红外线容易灼伤皮肤和刺伤眼睛,操作者焊前必须戴好头罩、手套,穿好工作服、工作鞋,没有皮肤裸露,焊帽上的滤光片采用中等深浅颜色。焊接过程中电弧作用下会产生一定量的臭氧和一氧化氮,这些气体对人体健康都有不良的影响,所以要注意适当通风。
钨钍电极比钨铈电极固然有很大优点,但钨钍合金中的针是放射性元素,长期接触或因打磨电极时产生的灰尘对人体健康都是有害的。
化学清理使用的HNO3和HF,对皮肤有很强烈的灼伤性,且不易痊愈,用时要慎重,并防止溅到人身上,避免烧伤眼睛和皮肤。
焊接工作离不开“电”。不同的焊接方法会接触到不同电压的电源,电压从几十伏到几十万伏,要慎重操作与维护,防止电伤人。电子束焊要防止高压束流下产生的X射线,观察孔要安装铅玻璃。
凡从事爆炸焊的研究或生产单位,必须先向国家安全部门申请并取得许可和资质,炸药、雷管、导火索等物品应用、保管、运输、人库出库等,必须严格按规章制度办事,略有疏忽就会造成人员伤亡和财产损失,甚至给一方土地造成灾难。