金屬材料焊接工藝 第3版 教案 32 鈦及鈦合金的焊接

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動(dòng)化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價(jià)□其他活動(dòng)□課時(shí)安排2課時(shí)序號(hào)32授課日期月日月日月日月日授課班級(jí)教學(xué)內(nèi)容：3、鈦及鈦合金的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：了解鈦及鈦合金的焊接性能力目標(biāo)：掌握鈦及鈦合金的特點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會(huì)交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：要求學(xué)生熟悉鈦及鈦合金的焊接工藝特點(diǎn)。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價(jià)方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：4．用于焊接鈦及鈦合金的焊接方法有哪幾種？課后小結(jié)：填表說明：1.序號(hào)，指該課程授課的順序號(hào)，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問15分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識(shí)點(diǎn)1鈦及鈦合金的類型及性能特點(diǎn)1．工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦呈銀白色，密度小、熔點(diǎn)高、線脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性差。其性質(zhì)與純度有關(guān)，純度越高，強(qiáng)度和硬度越低，塑性越好，易于加工成形。鈦在885℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在885℃以下為密排六方晶格，稱為α鈦；在885℃以上為體心立方晶格，稱為β鈦。工業(yè)純鈦中的雜質(zhì)有H、O、Fe、Si、C、N等，其中C、N、O與鈦形成間隙固溶體，F(xiàn)e、Si等元素與鈦形成置換固溶體，起固溶強(qiáng)化作用，顯著提高鈦的強(qiáng)度和硬度，降低塑性和韌性。H以置換方式固溶于鈦中，微量的H即能使鈦的韌性急劇降低，引起氫脆。工業(yè)純鈦根據(jù)雜質(zhì)（主要是O和Fe）含量以及強(qiáng)度差別分為TA1、TA2、TA3三個(gè)牌號(hào)，隨數(shù)字序號(hào)增加，雜質(zhì)含量增加，強(qiáng)度增加，塑性下降。工業(yè)純鈦具有很高的化學(xué)活性，鈦與氧的親和力很強(qiáng)，在室溫條件下，即可在表面形成一層致密而穩(wěn)定的氧化膜，由于氧化膜的保護(hù)作用，使鈦在硝酸、稀硫酸、磷酸、氯鹽溶液以及各種濃度的堿液中都具有良好的耐蝕性。工業(yè)純鈦具有良好的焊接性，還常被用作其他鈦合金的填充金屬。工業(yè)純鈦的板材和棒材可用于制造350℃以下工作的零件，如飛機(jī)蒙皮、隔熱板、熱交換器、化學(xué)工業(yè)中的耐蝕結(jié)構(gòu)等。2．鈦合金鈦合金分類方法很多，按照鈦的同素異構(gòu)體和退火組織可分為α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金，其牌號(hào)分別以T加A、B、C和順序數(shù)字表示。TA4～TA10表示α鈦合金，TB2～TB4表示β鈦合金，TC1～TC12表示α+β鈦合金。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段α鈦合金α鈦合金是通過加入α穩(wěn)定元素Al和中性元素Sn等固溶強(qiáng)化而形成。α鈦合金具有高溫強(qiáng)度高、韌性好、抗氧化能力強(qiáng)、焊接性好、組織穩(wěn)定等特點(diǎn)，比工業(yè)純鈦強(qiáng)度高，但加工性比β和α+β鈦合金差。α鈦合金不能通過熱處理強(qiáng)化，但可以通過600～700℃退火消除加工硬化；也可通過550～650℃不完全退火消除焊接應(yīng)力。（2）β鈦合金β鈦合金含有很高比例的β穩(wěn)定元素如Mo和V等，使馬氏體轉(zhuǎn)變?chǔ)隆吝M(jìn)行得很緩慢，在一般工藝條件下，組織幾乎全部為β相。通過時(shí)效處理，β鈦合金的強(qiáng)度可以提高。β鈦合金在單一β相條件下加工性能良好，并具有加工硬化性能；但在室溫和高溫下性能差，脆性大，焊接性差，易形成冷裂紋，在焊接結(jié)構(gòu)中較少使用。（3）α+β鈦合金α+β鈦合金是由α鈦為基體的固溶體和β鈦為基體的固溶體兩相組織構(gòu)成，可以通過熱處理強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度。合金強(qiáng)度高、耐熱性好、熱穩(wěn)定性好。隨α相比例增加，加工性能變差；隨β相比例增加，焊接性變差。α+β鈦合金的典型牌號(hào)是TC4（即Ti-6Al-4V），綜合性能良好，焊接性在α+β鈦合金中最好，是航空航天工業(yè)中應(yīng)用最多的一種鈦合金。能力知識(shí)點(diǎn)2鈦及鈦合金的焊接性1．焊接接頭區(qū)的脆化鈦是一種化學(xué)活性很高的金屬，常溫下與氧發(fā)生反應(yīng)生成致密的氧化膜，且氧化膜穩(wěn)定性高而具有耐蝕性，而540℃以上生成的氧化膜則不致密。鈦在高溫下與O、N、H反應(yīng)劇烈，隨溫度的升高，鈦及鈦合金吸收O、N、H的能力也隨之明顯升高，如圖7-9所示。鈦從250℃開始吸H，從400℃開始吸O，從600℃開始吸N，這些雜質(zhì)的吸收都將造成鈦的塑性降低，從而引起接頭區(qū)的脆化。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段2．焊接區(qū)裂紋傾向大（1）熱裂紋敏感性低。（2）冷裂紋和延遲裂紋當(dāng)焊縫含O、N量較高時(shí)，焊縫或熱影響區(qū)金屬性能變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下，會(huì)出現(xiàn)裂紋，這種裂紋一般是在較低溫度下形成的。焊接鈦合金時(shí)，有時(shí)會(huì)在熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋，這種裂紋可以延遲幾小時(shí)、幾天甚至幾個(gè)月出現(xiàn)。延遲裂紋的防止方法，主要是減少焊接接頭的含氫量，必要時(shí)進(jìn)行真空退火處理。3．容易形成焊縫氣孔（1）材質(zhì)因素主要是氬氣、母材及焊絲中含有的氣體，如O2、N2、H2、CO2、H2O等都會(huì)引起焊縫氣孔。當(dāng)這些氣體在氬氣、母材及焊絲中的含量增加時(shí)，氣孔傾向明顯增大。但N2對焊縫氣孔影響較弱。材質(zhì)表面狀況對生成焊縫氣孔也有較大影響。母材及焊絲表面的水分、油脂、氧化物（常含有結(jié)晶水）、含碳物質(zhì)、砂粒、有機(jī)纖維及吸附的氣體等，都會(huì)促使鈦及鈦合金焊縫生成氣孔。（2）工藝因素熔池的存在時(shí)間對氫氣孔的形成起著重要作用。當(dāng)熔池存在時(shí)間較長時(shí)，有利于氣泡的逸出，所以焊縫中的氣孔逐漸減少。防止產(chǎn)生氣孔的措施1）嚴(yán)格限制原材料中O2、N2、H2等雜質(zhì)氣體的含量；2）選用高純度的氬氣氬氣純度應(yīng)不低于99.99%，氬氣管不宜用橡皮管，而應(yīng)用尼龍管。3）正確選擇焊接參數(shù)，延長熔池存在時(shí)間，以便氣泡逸出?？刂茪鍤饬髁?，防止湍流現(xiàn)象將空氣帶入焊接區(qū)。4）正確選擇焊接方法選用氬弧焊、真空電子束焊或等離子弧焊等方法。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段能力知識(shí)點(diǎn)3鈦及鈦合金的焊接工藝要點(diǎn)1．焊前準(zhǔn)備（1）坡口形式及定位焊在選擇坡口形式和尺寸時(shí)，應(yīng)盡量減少焊接層數(shù)和填充金數(shù)量。搭接接頭由于背面保護(hù)困難，應(yīng)盡量不采用；母材厚度小于2.5mm的不開坡口對接接頭，可不添加焊絲進(jìn)行焊接；厚度大的母材需開坡口并添加焊絲，應(yīng)盡量采用平焊。坡口加工應(yīng)采用刨、銑等冷加工方法，以防熱加工時(shí)容易出現(xiàn)的坡口邊緣硬度增高現(xiàn)象一般定位焊點(diǎn)間距為100～150mm，定位焊縫長度約為10～15mm。定位焊所用的焊絲、焊接參數(shù)及保護(hù)氣體等與焊接時(shí)相同，裝配時(shí)嚴(yán)禁敲擊和劃傷工件表面。（2）機(jī)械清理采用細(xì)砂布或不銹鋼絲刷擦拭，或用硬質(zhì)合金刮刀刮削待焊邊緣0.025mm厚度，即可除去氧化膜；然后用丙酮、乙醇、四氯化碳或甲醇等有機(jī)溶劑去除坡口兩側(cè)的油污及有機(jī)物等。（3）化學(xué)清理如果鈦板熱軋后已經(jīng)過酸洗，存放后又生成氧化膜的，可將鈦板浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～4%的HF+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～40%的HNO3+H2O（余量）的溶液中15～20min，然后用清水清洗干凈并烘干。熱軋后未經(jīng)酸洗的鈦板，由于氧化膜較厚，須先進(jìn)行堿洗。方法是將鈦板浸泡在含NaOH80%、NaHCO320%的濃堿水溶液中10～15min，溶液溫度保持在40～50℃之間。堿洗后取出用清水沖洗，再進(jìn)行酸洗。酸洗液的配方為：每升溶液中HNO355～60mL、HCl340～350mL、HF5mL，酸洗時(shí)間10～15min。取出后分別用熱水、冷水沖洗，并用白布擦拭、晾干。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段3．焊接材料鈦及鈦合金對熱裂紋不敏感，焊接時(shí)可選擇與母材成分相同或相似的填充金屬。常用的焊絲牌號(hào)有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6及TC3等，其成分與相應(yīng)牌號(hào)的鈦材料是一致的。焊絲均是以真空退火狀態(tài)供貨，其表面不得有燒皮、氧化色、裂紋等缺陷存在。常用的焊絲直徑一般為ф0.8～ф2.0mm。為了改善焊接接頭的塑性和韌性，有時(shí)采用強(qiáng)度低于母材的填充材料，例如，用工業(yè)純鈦TA1、TA2作填充材料焊接TA7和厚度不大的TC4。保護(hù)氣一般采用純氬氣（純度大于99.99%），有時(shí)為了增大熔深和加強(qiáng)保護(hù)效果（仰焊時(shí)），也采用氦氣保護(hù)。4．焊接工藝及焊接參數(shù)（1）鎢極氬弧焊（TIG焊）用于焊接厚度在3mm以下的薄板，分為敞開式焊接和箱內(nèi)焊接兩種方法。應(yīng)采用較小的焊接熱輸入。采用直流正極性進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)見表7-33，該工藝參數(shù)適用于對接焊縫及環(huán)焊縫。厚度0.1～2.0mm的鈦及鈦合金板材、對焊接熱循環(huán)敏感性強(qiáng)的鈦合金及薄壁鈦管焊接時(shí)，宜采用脈沖電流焊接。（2）熔化極氬弧焊（MIG焊）用于中厚板的焊接對保護(hù)要求比TIG焊更為嚴(yán)格。TIG焊的拖罩可用于MIG焊，但由于MIG焊焊接速度快，金屬的高溫區(qū)段較長，拖罩應(yīng)加長，并采用流動(dòng)水冷卻。MIG焊的焊接材料選擇與TIG焊相同，但對氣體純度和焊絲的表面清潔度要求更高。厚度15～25mm的板材可選用90°單面V形坡口。（3）等離子弧焊等離子弧焊具有能量密度大、穿透力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)，所用氣體為氬氣，很適合鈦及鈦合金的焊接。液態(tài)鈦的表面張力大、密度小，有利于采用穿透形等離子弧焊工藝。5～15mm的鈦及鈦合金板材可一次焊透，并可有效防止氣孔的產(chǎn)生。熔透法等離子弧焊接工藝適合于焊接各種板厚，但一次焊接的厚度較小，3mm以上的板需要開坡口。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段4．焊后熱處理鈦及鈦合金焊