CN113547190A - 一种tc4钛合金板焊接的气体保护装置和工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置，该保护装置包括底座(1)、接气管(5)和充气室(4)；充气室(4)通过接气管(5)与焊接设备气瓶连接，充气室(4)为两端封闭的弧形筒，弧形筒口部焊接在底座(1)下表面上，底座(1)上表面中心设置有纵向的焊缝预装槽(2)，焊缝预装槽(2)的两侧壁上分别设置有多个针式出气孔(3)，多个针式出气孔(3)均与充气室(4)连通，安装时焊缝预装槽(2)紧贴工件焊缝处。本发明解决TC4钛合金焊接接头脆化、焊缝裂纹倾向、焊接气泡等焊接缺陷，改善产品焊接一次交检合格率，提高TC4钛合金板材的焊接效率。

Description

一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置和工艺方法
技术领域
本发明属于钛合金材料焊接技术领域，具体涉及一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置和工艺方法，特别适用于焊缝等级为二级以上的TC4钛合金板材焊接，。
背景技术
TC4钛合金被视为“全能金属”，具有比强度高、耐腐蚀、热稳定性等特性，是高机动性装备，轻量化制造的优选材料之一。但TC4钛合金的焊接性能性能比较差，焊缝等级不易达到，焊接效率比较低。
TC4钛合金是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下对氢、氧和氮等气体具有极强的亲和力，特别是在焊接过程中，这种能力伴随着温度的升高更为强烈，传统焊接方法对钛合金与氢、氧和氮等气体的吸收和溶解不易控制，容易发生焊接接头脆化、焊缝裂纹、气泡等焊接缺陷，返工成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种TC4钛合金板焊接工艺方法，解决TC4钛合金焊接接头脆化、焊缝裂纹倾向、焊接气泡等焊接缺陷，改善产品焊接一次交检合格率，提高TC4钛合金板材的焊接效率。
本发明的技术方案是，一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置包括底座1、接气管5和充气室4；充气室4通过接气管5与焊接设备气瓶连接，充气室4为两端封闭的弧形筒，弧形筒口部焊接在底座1下表面上，底座1上表面中心设置有纵向的焊缝预装槽2，焊缝预装槽2的两侧壁上分别设置有多个针式出气孔3，多个针式出气孔3均与充气室4连通，安装时焊缝预装槽2紧贴工件焊缝处。
多个针式出气孔3沿底座1的纵向排列。
该工艺方法的具体步骤如下：
第一步，焊接前工艺准备；
采用机械加工形成工件焊接窄坡口，焊前清理，耐高温阻燃胶带粘接工件结合面，将气体保护装置与工件焊缝贴合，使气体保护装置上的焊缝预留槽与工件焊缝密封；
第二步，过程焊接；采用两面对称焊，对工件的两面均进行打底焊、分层焊和盖面焊；焊接过程中焊枪离焊件表面距离尽量小，焊枪操作要平衡均匀，不作摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度不宜过大；其中工件打底层焊接完成后仍继续充氩气，直至第二层焊接完毕；分层焊时，工件焊缝层间温度控制在60℃以下，盖面层焊接母材两侧各熔1～2mm，焊趾要齐，焊缝高度控制在2～3mm；
第三步，返处理；焊缝不符合要求时要进行返处理，对表面颜色不合格的应全部去除，检查合格后进行层间清理，用硬质合金刮刀或合金锉刀修整平高出的接头，用不锈钢丝刷清理焊缝及母材两测除去氧化膜，直到焊缝符合要求为止；
第四步，焊缝外观检验和力学性能检测。
第一步焊接前工艺准备中，所述焊前清理是指，清理工件两侧20～30mm的氧化膜，直至露出金属光泽为止，然后清洗工件及焊丝表面的手印、有机物质和油污，清理完后应尽量缩短存放时间。
第一步焊接前工艺准备中，所述工件焊接窄坡口：当板材厚度≥12mm的板材，采用双X型窄坡口，坡口角度为≤60°，试件钝边为≤2mm；当板材厚度≤5mm的板材，采用V型窄坡口,坡口角度为≤30°；当板材厚度5～12mm的板材，窄坡口的坡口角度为≤45°。
所述第二步过程焊接中，焊材选用Φ3.0～4.0的TC4焊丝，使用纯度为99.999％的高纯氩，氩气气源压力≥1MPa，确保气体保护装置出气口处氩气流量15～20L/min；选用Φ4.0的铈钨极，钨极端部应磨成30～45度锥形，保证工件焊缝层间温度控制在60℃以下。
所述第二步过程焊接中，2个被焊工件组对定位焊接，定位长度为10～15mm，对板间隙为3～4mm，错边量≤0.5mm，采用两面定位焊，定位焊要单面焊双面成型。
所述第二步过程焊接中，所述底层接，在起焊坡口内引燃电弧后，焊枪稍作摆动，预热上下两侧坡口面，待坡口开始熔化时形成熔孔，迅速填入焊丝建立熔池，熔池形成后电弧稍作停顿，看到熔池内陷时，向前移动焊枪，快速填进焊丝，焊枪作直线运动。
本发明的有益效果是，本发明采用TC4钛合金板水平固定直流TIG焊接工艺方法，在对TC4钛合金钛合金焊接过程中，利用气体保护装置对施焊区域强化保护，把焊接高温区与空气隔开，防止空气侵入而沾污焊接区的金属，解决TC4钛合金焊接接头脆化、焊缝裂纹倾向、焊接气泡等焊接缺陷，改善产品焊接一次交检合格率，提高TC4钛合金板材的焊接效率。从而降低了钛合金工件的制造成本，主要用于不同规格的TC4钛合金板材焊接。该方法有广泛的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置的结构示意图；
图2为本发明一种TC4钛合金板焊接工艺方法中工艺焊接双X型窄坡口结构示意图；
图3为本发明一种TC4钛合金板焊接工艺方法中焊枪角度及焊接方向示意图；
图4为本发明一种TC4钛合金板焊接工艺方法中多层焊接顺序示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明方法采用TC4钛合金板水平固定直流TIG焊接工艺方法，在对TC4钛合金钛合金焊接过程中，利用气体保护装置对施焊区域强化保护。本发明一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置包括底座1、接气管5和充气室4。充气室4有四个充气口，四个充气口分别连接1个接气管5，4个接气管5均与焊接设备的气瓶连接，通过接气管5匀速通入氩气进入充气室4。充气室4为两端封闭的弧形筒，弧形筒口部焊接在底座1下表面。底座1上表面中心设置有纵向的焊缝预装槽2，焊缝预装槽2的两侧壁上分别设置有多个针式出气孔3，多个针式出气孔3沿底座1的纵向排列，多个针式出气孔3均与充气室4连通。安装时焊缝预装槽2紧贴工件焊缝处，使氩气从焊缝下方充盈焊缝，有效避免焊接时钛合金在300～600℃氧化、氮化及吸氢。
本发明一种TC4钛合金板焊接工艺方法的具体步骤如下：
第一步，焊接前工艺准备。
(1)如图2所示，机械加工形成工件焊接窄坡口。选择焊接设备WSME-500，为逆变式交直流脉冲氩弧焊机。确定气体保护装置，选购特种耐高温阻燃胶带。准备焊接工具，如不锈钢丝刷，备用钨极和喷嘴，金刚石锉刀、硬质合金刮刀、化学清洗剂(丙酮、无水乙醇、甲醇等)氩弧焊手套等。
(2)焊前清理。采用机械加工、硬质合金刮刀或不锈钢丝刷，清理工件两侧20～30mm的氧化膜，直至露出金属光泽为止。然后用丙酮、无水乙醇、甲醇等清洗工件及焊丝表面的手印、有机物质、油污等。焊接时必须戴洁净的手套，不得使用角磨机磨坡口及其两侧附近区域，严禁用铁器敲打钛板表面及坡口。清理完后应尽量缩短存放时间尽快焊接，以免二次污染。
(3)焊接工艺参数调试。采用敞开式焊接，安装工件对口装配，在工件焊缝正下方安装气体保护装置，使气体保护装置出气口与工件焊缝重合。沿气体保护装置与工件结合面，用耐高温阻燃胶带粘接，保证体保护装置焊缝预留槽与工件焊缝密封。调整焊接参数如表1：
表1:手工钨极氩弧焊焊接参数
Figure BDA0003204979150000051
第二步，过程焊接。采用手工钨极氩弧焊，对工件进行打底焊、填充分层焊和盖面焊，焊接后进行热处理。焊接设备采用WSME-500逆变式交直流脉冲氩弧焊机；焊接工艺装备有气体保护装置、耐高温阻燃胶带；焊接工具有不锈钢丝刷，备用钨极和喷嘴，金刚石锉刀、硬质合金刮刀、化学清洗剂(丙酮、无水乙醇、甲醇配比)氩弧焊手套等。
焊材选用Φ3.0～4.0的TC4焊丝。使用纯度为99.999％的高纯氩，氩气气源压力≥1MPa(当＜1MPa时禁用＝，确保气体保护装置出气口处氩气流量15～20L/min。选用Φ4.0的铈钨极，钨极端部应磨成30～45度锥形。坡口形状：当板材厚度≥12mm的板材，双X型窄坡口，坡口角度为≤60°试件钝边为≤2mm；当板材厚度≤5mm的板材，V型窄坡口,坡口角度为≤30°；当板材厚度5～12mm的板材，窄坡口，坡口角度为≤45°。保证工件焊缝层间温度控制在60℃以下。
(1)打开气源，通过四个充气管为气体保护装置的充气室充气，气体保护装置将充气室的氩气通过针孔充盈焊缝预留槽，槽内氩气最终通过工件对接焊缝溢出，把焊接高温区与空气隔开，以防止空气侵入而沾污焊接区的金属。
(2)2个被焊工件组对定位焊接，定位长度为10～15mm,对板间隙为3～4mm,错边量≤0.5mm,采用两面定位焊，定位焊要单面焊双面成型，如图2所示。定位焊所用的焊丝、焊接工艺参数及气体保护条件与焊接接头焊接时相同。
(3)工件打底层焊接。在氩气有效保护下打底施焊，同时接头背面也要单独通过通入氩气保护，打底层焊接完成后仍继续充氩气不能终止直至第二层焊接完毕。在起焊坡口内引燃电弧后，焊枪稍作摆动，预热上下两侧坡口面，待坡口开始熔化时形成熔孔，迅速填入焊丝建立熔池。熔池形成后电弧稍作停顿，看到熔池内陷时，向前移动焊枪，快速填进焊丝，焊枪作直线运动。焊枪与焊丝角度如图3所示。
(4)填充层及盖面层的焊接
打底焊结束后，分层施焊。工件焊缝层间温度控制在60℃以下。
焊接过程中为了控制工件焊接变形，采用两面对称焊，焊接顺序如图4所示。
焊接过程中焊枪离焊件表面距离尽量小，但不要影响焊接时的视线，焊枪操作要平衡均匀，基本不作摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度也不宜过大，以防影响氩气保护。
(5)盖面层焊接工件两侧各熔1～2mm,焊趾要齐，焊缝高度控制在2～3mm,控制焊缝表面气孔，裂纹，咬边等焊接缺陷。
第三步，对焊缝不符合要求时返处理。
对表面颜色不合格的应全部去除，检查合格后进行层间清理，用硬质合金刮刀或合金锉刀修整平高出的接头，用不锈钢丝刷清理焊缝及工件两测除去氧化膜。重复步骤S2～S4，直到焊缝符合图纸要求为止。
第四步，焊缝外观检验和力学性能检测。焊缝外观检验采用观察法检测。
力学性能见表2：
表2:TC4钛合金焊缝的机械及物理性能
Figure BDA0003204979150000071

Claims (8)

1.一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置，其特征是：该保护装置包括底座(1)、接气管(5)和充气室(4)；充气室(4)通过接气管(5)与焊接设备气瓶连接，充气室(4)为两端封闭的弧形筒，弧形筒口部焊接在底座(1)下表面上，底座(1)上表面中心设置有纵向的焊缝预装槽(2)，焊缝预装槽(2)的两侧壁上分别设置有多个针式出气孔(3)，多个针式出气孔(3)均与充气室(4)连通，安装时焊缝预装槽(2)紧贴工件焊缝处。
2.按照权利要求1所述的一种TC4钛合金板焊接的气体保护装置，其特征在于：多个针式出气孔3沿底座1的纵向排列。
3.采用权利要求1所述一种TC4钛合金板焊接气体保护装置的一种TC4钛合金板焊接工艺方法，其特征在于：该工艺方法的具体步骤如下：
第一步，焊接前工艺准备；
采用机械加工形成工件焊接窄坡口，焊前清理，耐高温阻燃胶带粘接工件结合面，将气体保护装置与工件焊缝贴合，使气体保护装置上的焊缝预留槽与工件焊缝密封；
第二步，过程焊接；采用两面对称焊，对工件的两面均进行打底焊、分层焊和盖面焊；焊接过程中焊枪离焊件表面距离尽量小，焊枪操作要平衡均匀，不作摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度不宜过大；其中工件打底层焊接完成后仍继续充氩气，直至第二层焊接完毕；分层焊时，工件焊缝层间温度控制在60℃以下，盖面层焊接母材两侧各熔1～2mm，焊趾要齐，焊缝高度控制在2～3mm；
第三步，返处理；焊缝不符合要求时要进行返处理，对表面颜色不合格的应全部去除，检查合格后进行层间清理，用硬质合金刮刀或合金锉刀修整平高出的接头，用不锈钢丝刷清理焊缝及母材两测除去氧化膜，直到焊缝符合要求为止；
第四步，焊缝外观检验和力学性能检测。
4.按照权利要求3所述的一种TC4钛合金板焊接工艺方法，其特征在于：第一步焊接前工艺准备中，所述焊前清理是指，清理工件两侧20～30mm的氧化膜，直至露出金属光泽为止，然后清洗工件及焊丝表面的手印、有机物质和油污，清理完后应尽量缩短存放时间。
5.按照权利要求3所述的一种TC4钛合金板焊接工艺方法，其特征在于：第一步焊接前工艺准备中，所述工件焊接窄坡口：当板材厚度≥12mm的板材，采用双X型窄坡口，坡口角度为≤60°，试件钝边为≤2mm；当板材厚度≤5mm的板材，采用V型窄坡口,坡口角度为≤30°；当板材厚度5～12mm的板材，窄坡口的坡口角度为≤45°。
6.按照权利要求3所述的一种TC4钛合金板焊接工艺方法，其特征在于：所述第二步过程焊接中，焊材选用Φ3.0～4.0的TC4焊丝，使用纯度为99.999％的高纯氩，氩气气源压力≥1MPa，确保气体保护装置出气口处氩气流量15～20L/min；选用Φ4.0的铈钨极，钨极端部应磨成30～45度锥形，保证工件焊缝层间温度控制在60℃以下。
7.按照权利要求3所述的一种TC4钛合金板焊接工艺方法，其特征在于：所述第二步过程焊接中，2个被焊工件组对定位焊接，定位长度为10～15mm，对板间隙为3～4mm，错边量≤0.5mm，采用两面定位焊，定位焊要单面焊双面成型。
8.按照权利要求3所述的一种TC4钛合金板焊接工艺方法，其特征在于：所述第二步过程焊接中，所述底层接，在起焊坡口内引燃电弧后，焊枪稍作摆动，预热上下两侧坡口面，待坡口开始熔化时形成熔孔，迅速填入焊丝建立熔池，熔池形成后电弧稍作停顿，看到熔池内陷时，向前移动焊枪，快速填进焊丝，焊枪作直线运动。
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