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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 XX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 XX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 XX大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 XX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。 (XX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焊接中须知. 28?3.5 焊接质量检验方法29?3.6 焊接缺陷返修工
11、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 第
12、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,钛还具有良好的塑、
13、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 3.5倍
14、,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性能,
15、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 。
