Qualitätskontrolle und Maßnahmen zur Vermeidung von Poren beim Schweißen von Rohren aus Titanlegierung (TA2) mit kleinem Durchmesser

Titan und Titan-Legierungen haben die Eigenschaften einer geringen Dichte, einer hohen Festigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit und werden häufig in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und in der chemischen Industrie eingesetzt. Während des Bauprozesses von Rohre aus Titanlegierung, wenn die Rohrdurchmesser ist klein（ Φ 12 Φ 100mm), steigt die Schwierigkeit der Schweißkonstruktion. Um die Qualität des Schweißens zu verbessern Rohre aus Titanlegierung mit kleinem Durchmesser und die Entstehung von Luftlöchern zu verhindern, werden in diesem Artikel die Vorbereitungsarbeiten in Bezug auf die Umgebung und die Materialien vor dem Schweißen sowie die Präventivmaßnahmen während der Schweißkonstruktion vorgestellt und auf die Methoden zur Prüfung der Schweißqualität.

0. Einführung

Titan-Legierung Rohre haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, Raumtemperaturen und Tiefsttemperaturen, eine geringe Dichte, hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Medien. Sie werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Petrochemie und der mechanischen Fertigung eingesetzt. Wenn der Durchmesser von Rohren aus Titanlegierungen jedoch klein ist (φ 20-φ 100mm), erhöht sich die Schwierigkeit des Schweißens. Der Artikel fasst die Probleme und Maßnahmen zusammen, die bei der Konstruktion von Titanrohren in einem bestimmten Projekt aufgetreten sind, um eine Referenz für ähnliche Schweißkonstruktionen von Titanrohren zu liefern.

1. Eigenschaften von Titan und Titanlegierungen beim Schweißen

Titan und Titanlegierungen selbst weisen beim Schweißen die folgenden Eigenschaften auf:

• (1) Titan hat eine geringe Dichte, eine hohe spezifische Festigkeit, einen hohen Schmelzpunkt, eine gute Hitzebeständigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit, eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Raumtemperatur und ultratiefe Temperaturen sowie eine ungiftige und unmagnetische Eigenschaft.
• (2) Titan ist ein chemisch aktives Metall mit einem extrem starken Reduktionsvermögen, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen, wo es sich mit verschiedenen Elementen wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff verbinden kann und auch Sauerstoff aus einigen Metalloxiden extrahieren kann.
• (3) Wenn Verunreinigungen im Titan vorhanden sind, werden seine mechanischen Eigenschaften stark beeinträchtigt. Interstitielle Verunreinigungen (wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff usw.) können die Plastizität des Titans stark verringern und seine Festigkeit verbessern. Als Konstruktionswerkstoff besitzt Titan durch die Zugabe von Legierungselementen und die strenge Kontrolle des Gehalts an Legierungselementen hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie bei schneller Abkühlung und Erwärmung. Einschlüsse sind in industriellen Titanlegierungen erlaubt. Mit zunehmendem Gehalt an Verunreinigungen wie TA1, TA2 und TA3 steigen die Festigkeit und die Härte deutlich an, aber die Plastizität oder Zähigkeit nimmt ab.
• (4) Titanlegierungen haben beim Schweißen unterschiedliche Eigenschaften in verschiedenen Temperaturbereichen. Wenn die Temperatur über 300 °C liegt ℃, 600 ℃, und 700 ℃Sie entsprechen den Eigenschaften der schnellen Wasserstoffaufnahme, der Sauerstoffaufnahme und der Stickstoffaufnahme, wobei die Oxidation an der Luft am empfindlichsten ist.
• (5) Die Kombination von Ti und H erzeugt TiH₂. Es ist ein binäres Hydrid mit geringer Dichte (feste Form) und einer 0,86-fachen Dichte von Titan (Ti-Dichte von 4,51g/mm³TiH2 Dichte von 3.91g/mm³), die typischerweise in Form von Nadelspitzen oder Flocken in der Schweißraupe auftreten. Daher sind die nadelförmigen Defekte in RT-Bildern in der Regel keine Wasserstoffporen, sondern TiH₂. TiH₂ zeigt auf RT-Bildern ein kleines und unscharfes Merkmal, insbesondere wenn die Ränder nicht so klar sind wie bei Poren. Wenn man dieses Hydrid mit geringer Dichte besser verstehen muss, kann man es leicht mit einer Pore verwechseln.

2. Vorbereitung vor dem Schweißen

In Anbetracht der hohen Aktivität von Titanlegierungen ist es notwendig, die Umgebung, die Materialien und die Fugenvorbereitung vor dem Schweißen sorgfältig vorzubereiten.

2.1 Vorbereitung der Schweißumgebung

(1) Der Schweißplatz sollte so weit wie möglich in einem sauberen und trockenen Raum oder einer speziellen Schweißwerkstatt eingerichtet werden. Die Innentemperatur sollte nicht unter 5°C liegen. ℃und die Luftstromrate sollte nicht zu hoch sein. Das Gummi sollte auf den Boden gelegt werden.
(2) Die Schweißplattform oder der Arbeitsrahmen sollte aus rostfreiem Stahl bestehen. Wenn andere Materialien mit Verunreinigungen durch Eisenionen, wie z.B. Kohlenstoffstahl, verwendet werden, sollten Sie die Schweißplattform oder den Arbeitsrahmen mit Klebeband oder anderen Gegenständen vollständig umwickeln und die Tischplatte mit Gummi abdecken.
(3) Bereiten Sie das Schweißen von Abschleppschutzabdeckungen vor, die den Spezifikationen des Grundmaterials und anderer kleiner Werkzeuge entsprechen, die beim Schweißen verwendet werden, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung.1 Schutzhülle für das Abschleppen

(4) Die beim Bau verwendeten Schleifscheiben, Schneidmesser, Reibahlen, Polierscheiben, Feilen usw. sollten aus rostfreiem Stahl sein.

(5) Die Arbeitskleidung des Bedienpersonals sollte sauber gehalten werden und Öl und Staub so weit wie möglich vermeiden. Schweißerhandschuhe sollten aus entfettetem weißem Feinmull bestehen und sauber gehalten werden, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung.2 Handschuhe

2.2 Vorbereitung des Materials

• (1) Prüfung des Grundmaterials: Rohre und Rohrformstücke sollten über entsprechende Konformitätsbescheinigungen verfügen. Das Aussehen des Grundmaterials und des Zubehörs sollte keine Einschlüsse oder Doppelhäutungen aufweisen.
• (2) Prüfung des Schweißmaterials: Der Schweißdraht sollte dem Grundmaterial entsprechen und über entsprechende Qualifikationszertifikate verfügen.
• (3) Prüfung von Argongas: Die Reinheit des Argongases darf nicht weniger als 99,99% betragen, und der Gaslieferant muss entsprechende Konformitätsbescheinigungen und Prüfberichte vorlegen. In Anbetracht des Einflusses von Faktoren wie Vakuumpumpen und Befüllung durch den Gaslieferanten ist es ratsam, so viel wie möglich flüssiges Argon in Dosen zu verwenden und es mit Vor-Ort-Vergasungsgeräten auszustatten.

2.3 Vorbereitung der Rille

• (1) Die Rille am Ende des Rohrs sollte so weit wie möglich bearbeitet werden.
• (2) Beim Schneiden, Trennen und Polieren der Rille vor Ort sollte übermäßiger Kraftaufwand vermieden werden, und das Schleifen sollte zum vorgesehenen Zeitpunkt erfolgen, um übermäßige lokale Hitze zu vermeiden.
• (3) Die mit einer Harzschleifscheibe geschnittene und polierte gerillte Oberfläche sollte mit einer Reibahle aus rostfreiem Stahl nochmals poliert werden.
• (4) Innerhalb von 40 mm der Innen- und Außenflächen der Rohrendenrille sollte eine Reibahle verwendet werden, um die Passivierungsschicht zu entfernen.
• (5) Verwenden Sie vor der Paarung eine Polierscheibe, um Grate und Ablagerungen aus der Rille zu entfernen.
• (6) Vor der Montage muss sorgfältig geprüft werden, ob die Ölflecken an der Stirnseite der Rohrmündung gründlich gereinigt wurden, um zu verhindern, dass sie durch die Erwärmung während des Schweißens vom Schmelzbad absorbiert werden.
• (7) Reinigen Sie die Stirnseite der Rille vor dem Zusammenfügen mit Aceton oder wasserfreiem Alkohol.

3. Montage Schweißen

Verstärken Sie den Gasschutz und die Prozesskontrolle während der Montage Schweißverfahren um die Entstehung von Defekten (wie z.B. Poren) zu verhindern. Die spezifischen Anforderungen sind wie folgt:

(1) Die Heftschweißung sollte unter argongefüllten Bedingungen durchgeführt werden.

(2) Bevor Sie das Schweißen positionieren, sollten Sie den Spalt und die Fehlausrichtung der Schweißnaht sorgfältig überprüfen. Der Spalt sollte innerhalb von 2,5-3,5 mm und die Fehlausrichtung innerhalb von 1 mm kontrolliert werden, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Abb.3 Messung des Rillenspaltes vor dem Schweißen

(3) Es ist am besten, die Ein-Tropfen-Stelle zu verwenden Schweißverfahren für das Positionierungsschweißen, um ein Polieren der Positionierungsschweißpunkte während des formellen Schweißens zu vermeiden.

(4) Wenn sich während der Montage Verunreinigungen (z.B. Staub, Schweißflecken usw.) auf der Nut befinden, müssen Sie sie vor dem formellen Schweißen erneut mit Aceton reinigen.

(5) Der dreifache Schutz der Argonfüllung im Rohr, des Schweißhandgriffs und der Schleppabdeckung ist unverzichtbar, und es gibt eine passende Durchflussrate (normalerweise beträgt der Durchflussbereich der Schweißgerätedüse 13-16L/min; der Durchflussbereich im Rohr beträgt 8-16L/min, und der Durchflussbereich der schützenden Schleppabdeckung beträgt 15-30L/min). Die Argonfüllung im Rohr sollte die Luft vollständig ersetzen, und das Schutzgas des Schweißbrenners und der Schleppabdeckung sollte 5-10 Sekunden vor dem Zünden des Lichtbogens geöffnet werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.

(6) Mäßige Kühlung. Neben einer möglichst geringen Wärmezufuhr während des Schweißens sollten Sie das Schweißen von Rohren mit kleinem Durchmesser auch schrittweise unterbrechen, um sicherzustellen, dass das Grundmaterial nicht überhitzt wird.

(7) Während des Schweißens sollte das Schweißgerät so wenig wie möglich nach links oder rechts schwingen. Die Abdeckhaube sollte sich nicht sofort nach jedem Zwischenstopp und der letzten Schweißung von der Schweißraupe und dem Schweißbad lösen. Zu diesem Zeitpunkt sollte der Schutz der Gaszufuhr fortgesetzt werden. Nur wenn die Temperatur unter 250 °C fällt ℃ kann die Abschlepphaube zum Abnehmen in Betracht gezogen werden.

(8) Wenn Sie das Schweißen in der Mitte unterbrechen, muss auch das schmelzende Ende des Schweißdrahtes mit Gas geschützt werden. Wenn das schmelzende Ende aus der Gasschutzzone bewegt wird, sollte der oxidierte Teil des vorderen Endes des Schweißdrahtes beim erneuten Schweißen abgeschnitten werden.

(9) Beim Schweißen sollten zwei Personen arbeiten, eine Person schweißt und eine Person arbeitet mit. Die mitarbeitende Person sollte über reiche Erfahrung in der Konstruktion von Titanrohren und ein starkes Verantwortungsbewusstsein verfügen.

(10) Das mitarbeitende Personal sollte stets den Betriebszustand der Schweißgeräte, Argongaszähler, Gasbänder, Argonfüllstopfen und Schleppabdeckungen überprüfen, bei der Reinigung der Schweißdrähte mitwirken und die oxidierten Schweißdrahtköpfe abschneiden, um ein reibungsloses Schweißen zu gewährleisten.

Abb.4 Schematische Darstellung des Dreifach-Schutzgassystems während des Schweißvorgangs

4. Prüfung des Aussehens

Das Aussehen von geschweißten Rohrverbindungen kann darüber entscheiden, ob die Qualität den Anforderungen entspricht.

(1) Das Aussehen und die innere Durchdringung der Schweißraupe sind gut geformt, mit einem glatten und gleichmäßigen Übergang, der den geometrischen Größenanforderungen entspricht und ohne Oberflächenfehler wie Poren, Einschlüsse, unvollständige Durchdringung, Risse und Hinterschneidungen.

(2) Die Farbprüfung der Schweißecke und der Oberfläche des Schweißbereichs ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle.1 Vergleichstabelle von Schweißnahtschutz, Oxidationseffekt und Farbe

Schützende Wirkung	Grad der Oxidation	Farbe (Oxidfilm)
Gut	Nichts	Silber Weiß
Gut	Leichte	Goldgelb
Vorzugsweise	Feuerzeug	Purpurrot
Schlecht	Schwer	Azurblau
Unterschied	Schwere	Grau

(3) Titan-Rohrverbindungen können anhand der Farbe des Oberflächenoxidfilms vorläufig geprüft werden, und eine "gute" oder höhere Bewertung gilt als qualifizierte Schutzwirkung. Bei Verbindungen mit unbefriedigender Schutzwirkung sollten sie entsprechend der tatsächlichen Situation behandelt werden. Wenn die Oxidationswirkung relativ leicht ist, können Sie den Oxidationsbereich mit einer sauren Beizbehandlung oder einer Edelstahldrahtbürste abbürsten, bis das Metall silberweiß ist, um eine weitere Oxidation des inneren Metalls zu verhindern. Bei starken Oxidationseffekten sollte die Schweißnaht abgetrennt und zum Schweißen wieder zusammengesetzt werden.

Die Schweißnahtmorphologie während des Schweißprozesses von Rohren aus Titanlegierungen mit kleinem Durchmesser ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abb.5 Wirkungsdiagramm während des Schweißvorgangs

5. Schlussfolgerung

• (1) Schutzgas - Argon sollte einer strengen Qualitätssicherung unterliegen, um sicherzustellen, dass die Reinheit von Argon nicht weniger als 99,99% beträgt.
• (2) Der Schweißbereich (Nut und ihre Innen- und Außenseiten) und die Oberfläche des Schweißdrahtes sollten gründlich von Schmutz, wie Oxidhaut und Fett, gereinigt werden, um die Sauberkeit der Arbeitsfläche zu gewährleisten.
• (3) Kontrollieren Sie die Änderung der Schweißtemperatur ordnungsgemäß, um zu verhindern, dass das Schmelzbad und das Grundmetall in der Wärmeeinflusszone Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, andere Gase, Eisen, Kohlenstoff und andere Elemente absorbieren.
• (4) Das Klebeband, mit dem die Rille beklebt ist, sollte handlich sein, da es zu Reinigungsproblemen führen kann. Verwenden Sie stattdessen weniger Papierklebeband.
• (5) Ein guter Schweißprozess sollte das Schmelzbad in einem klaren und stabilen Zustand halten. Wenn Phänomene wie kleine Explosionen beobachtet werden, müssen Sie prüfen, ob Poren vorhanden sind. Mögliche Gründe dafür sind eine unzureichende Reinheit des Schutzgases, eine unsaubere Schweißoberfläche, das Versäumnis, den oxidierten Teil des Schweißdrahtkopfes abzuschneiden, und eine hohe Schmelzbadtemperatur.

Autor: Sun Liqun