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

Titan und Titanlegierungen zeichnen sich durch geringe Dichte, hohe Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus und finden breite Anwendung in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der chemischen Industrie. Während des Bauprozesses von Rohre aus Titanlegierungwenn die Rohrdurchmesser klein ist（ Φ 12 Φ 100 mm), erhöht sich die Schwierigkeit der Schweißkonstruktion. Zur Verbesserung der Qualität des Schweißens 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 die Verfahren zur Prüfung der Schweißqualität.

0. Einführung

Titan-Legierung Rohre haben hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, Raumtemperaturen und Tiefsttemperaturen, eine geringe Dichte, hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Medien. Sie sind in der Luft- und Raumfahrt, der Petrochemie und der mechanischen Fertigung weit verbreitet. 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 Titanrohr-Schweißkonstruktionen zu liefern.

1. Eigenschaften von Titan und Titanlegierungen beim Schweißen

Titan und Titanlegierungen weisen beim Schweißen die folgenden Eigenschaften auf:

• (1) Titan-Metall hat die Eigenschaften der geringen Dichte, hohe spezifische Festigkeit, hoher Schmelzpunkt, gute Hitzebeständigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Beständigkeit gegen hohe Temperatur, Raumtemperatur und ultra-niedrige Temperatur, und nicht-toxisch und nicht-magnetisch.
• (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 und auch Sauerstoff aus einigen Metalloxiden gewinnen kann.
• (3) Wenn Verunreinigungen im Titan vorhanden sind, werden seine mechanischen Eigenschaften stark beeinträchtigt, und interstitielle Verunreinigungen (wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff usw.) können die Plastizität des Titans stark verringern und seine Festigkeit verbessern. Als Konstruktionswerkstoff verfügt Titan über hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie bei schneller Abkühlung und Erwärmung, was durch die Zugabe von Legierungselementen und die strenge Kontrolle des Gehalts an Legierungselementen erreicht wird. Einschlüsse sind in industriellen Titanlegierungen erlaubt. Mit zunehmendem Gehalt an Verunreinigungen wie TA1, TA2 und TA3 nehmen Festigkeit und Härte deutlich zu, die Plastizität oder Zähigkeit jedoch ab.
• (4) Titanlegierungen haben beim Schweißen unterschiedliche Eigenschaften in verschiedenen Temperaturbereichen. Liegt die Temperatur über 300 ℃, 600 ℃und 700 ℃Sie entsprechen den Merkmalen der schnellen Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffabsorption, wobei die Oxidation an der Luft am empfindlichsten ist.
• (5) Die Kombination von Ti und H erzeugt TiH₂. Es handelt sich um ein binäres Hydrid mit geringer Dichte (feste Form) mit einer Dichte, die 0,86-mal so hoch ist wie die von Titan (Ti-Dichte von 4,51 g/mm³TiH2-Dichte von 3,91 g/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 weist auf RT-Bildern ein kleines und unscharfes Merkmal auf, vor allem wenn die Ränder nicht so klar sind wie bei Poren. Wenn man dieses Hydrid mit geringer Dichte besser verstehen will, 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 möglichst in einem sauberen und trockenen Raum oder einer speziellen Schweißwerkstatt eingerichtet werden. Die Innentemperatur sollte nicht niedriger als 5 ℃und der Luftdurchsatz sollte nicht zu hoch sein. Das Gummi sollte auf den Boden gelegt werden.
(2) Die Schweißplattform oder der Arbeitsrahmen sollten aus rostfreiem Stahl bestehen. Wenn andere Materialien mit Verunreinigungen durch Eisenionen, wie z. B. Kohlenstoffstahl, verwendet werden, sollte die Schweißplattform oder der Arbeitsrahmen vollständig mit Klebeband oder anderen Gegenständen umwickelt werden, und die Tischplatte sollte mit Gummi abgedeckt werden.
(3) Bereiten Sie das Schweißen von Abschleppschutzabdeckungen vor, die den Spezifikationen des Grundmaterials und anderen kleinen Werkzeugen entsprechen, die beim Schweißen verwendet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung.1 Abschleppschutz

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

(5) Die Arbeitskleidung des Bedienungspersonals 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 mit dem Grundmaterial übereinstimmen und über entsprechende Qualifikationsnachweise verfügen.
• (3) Prüfung von Argongas: Der Reinheitsgrad des Argongases darf nicht unter 99,99% liegen, 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 auszurüsten.

2.3 Vorbereitung der Rille

• (1) Die Rille am Ende des Rohres 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 geschliffene und polierte Rillenfläche sollte mit einer Reibahle aus rostfreiem Stahl erneut poliert werden.
• (4) Innerhalb von 40 mm der Innen- und Außenflächen der Rohrendrille sollte eine Reibahle verwendet werden, um die Passivierungsschicht zu entfernen.
• (5) Entfernen Sie vor der Paarung mit einer Polierscheibe Grate und Ablagerungen aus der Rille.
• (6) Vor der Montage ist sorgfältig zu prüfen, ob die Ölflecken an der Stirnseite der Rohrmündung gründlich gereinigt sind, um zu verhindern, dass sie durch die Erwärmung während des Schweißens vom Schmelzbad absorbiert werden.
• (7) Reinigen Sie die Rillenstirnfläche vor dem Zusammenfügen mit Aceton oder wasserfreiem Alkohol.

3. Montage Schweißen

Verstärkung des Gasschutzes und der Prozesskontrolle während der Montage Schweißverfahren um die Entstehung von Defekten (z. B. Poren) zu verhindern. Die spezifischen Anforderungen sind wie folgt:

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

(2) Vor dem Positionierungsschweißen sollten der Spalt und die Fehlausrichtung der Schweißverbindung sorgfältig überprüft werden. Der Spalt sollte innerhalb von 2,5-3,5 mm und die Fehlausrichtung innerhalb von 1 mm kontrolliert werden, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Messung des Fugenspalts vor dem Schweißen

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

(4) Wenn sich während der Montage Verunreinigungen (z. B. Staub, Schweißflecken usw.) in der Nut befinden, muss diese vor dem formellen Schweißen erneut mit Aceton gereinigt werden.

(5) Der dreifache Schutz der Argonfüllung im Rohr, des Schweißhandgriffs und der Schleppabdeckung ist unverzichtbar, und es gibt einen passenden Durchfluss (normalerweise beträgt der Durchflussbereich der Schweißwerkzeugdüse 13-16 l/min; der Durchflussbereich im Rohr beträgt 8-16 l/min, und der Durchflussbereich der Schleppschutzabdeckung beträgt 15-30 l/min). Die Argonfüllung in der Rohrleitung 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 Abkühlung. Neben einer möglichst geringen Wärmeeinbringung während des Schweißens sollte das Schweißen von Rohren mit kleinem Durchmesser auch schrittweise abgebrochen werden, um eine Überhitzung des Grundwerkstoffs zu vermeiden.

(7) Während des Schweißens sollte das Schweißgerät möglichst nicht nach links oder rechts schwingen. Der Schleppdeckel sollte sich nicht sofort nach jedem Zwischenstopp und der Endschweißung von der Schweißraupe und dem Schweißbad lösen. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Sicherung der Gaszufuhr fortgesetzt werden. Erst wenn die Temperatur unter 250 °C sinkt ℃ kann die Abschlepphaube als abnehmbar betrachtet werden.

(8) Wenn das Schweißen in der Mitte unterbrochen wird, 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. Das kooperierende Personal sollte reiche Erfahrung im Titanrohrbau und ein starkes Verantwortungsbewusstsein haben.

(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.

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Dreifach-Schutzgassystems während des Schweißvorgangs

4. Kontrolle 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 keine Oberflächenfehler wie Poren, Einschlüsse, unvollständige Durchdringung, Risse und Hinterschneidungen aufweist.

(2) Die Farbprüfung der Oberfläche der Schweißecke und 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 ein Wert von "gut" oder höher wird als qualifizierte Schutzwirkung angesehen. Verbindungen mit unzureichender Schutzwirkung sollten entsprechend der tatsächlichen Situation behandelt werden. Wenn die Oxidationswirkung relativ leicht ist, kann der Oxidationsbereich mit einer sauren Beizbehandlung oder einer Edelstahldrahtbürste gebürstet werden, 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.

Abbildung 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) Ordnungsgemäße Kontrolle der Änderung der Schweißtemperatur, 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 Nut 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, ist zu prüfen, ob Poren vorhanden sind. Mögliche Gründe hierfür sind eine unzureichende Reinheit des Schutzgases, eine unsaubere Schweißfläche, das Nichtabschneiden des oxidierten Teils des Schweißdrahtkopfes und eine hohe Schmelzbadtemperatur.

Autor: Sun Liqun