TA2钛合金焊接试验研究

100——200——300——400——500——600——700——800——900（℃）
Ti
TiO~TiO1.9
TiO2(金红石型)
钛及其合金焊接时，必须使熔融金属及热影响区 受到良好的保护，温度控制在 300℃以下.对于钛及钛 合金焊件，喷嘴已不足以保护焊缝区高温金属，需要 附加拖罩.
拖罩附在焊炬的后面，以保护正在冷却的焊缝及 热影响区.拖罩具有独立的气源，并做成与焊缝相同的 曲率形状，其长度和宽度取决于焊件的散热程度和焊 接速度.拖罩的设计见图 1，它采用 1mm 紫铜板制成 长 105 mm×宽 45 mm×高 35 mm、R=45 mm 的近半
内部缺陷.按标准 JB4730-94 评为 1 级.
5.2 装配要求 1）装配时保证对接接头的错位不超过板厚的
10%[4].装配间隙 1 mm～2 mm. 2）用紫铜压板压紧试板，帮助散热，减少变形[6,7].
5.3 工艺要求 1）焊接采用直流正接电源. 2）为防止保护气体流失，导致焊接开始段保护效
保护气体通过放置在槽内中央的三根φ10×1 mm 不锈钢管中对称朝上的直径为φ1 mm，纵向间距 10
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mm 的小孔，均匀分布到工件背面.
紫铜压板
不锈钢复合板 背面保护罩 （22×150×500）
不锈钢气体分配管(φ 10×1mm) 不锈钢槽底板(δ=3mm)
图 2 背面保护装置
4 焊机 采用芬兰生产的肯比氩弧焊机.
由于金属钛具有上述焊接特点，所以在焊接过程 中，必须采取有效的技术措施，制定合理的焊接工艺， 才能确保焊接质量.
2 试验用材及性能 2.1 基材
TA 板材（8mm×100mm×300mm）（厚×宽×长）2 焊丝 φ2mm，GB/T3623-1998
船舶工程 总第 29 卷，2007 年第 2 期
TA2 钛合金焊接试验研究
陈倩清1，唐永刚2
（1．浙江国际海运职业技术学院，杭州 316021；2．江苏省无锡交通高等职业技术学校，无锡 214151）
摘 要：通过对 TA2 钛合金焊接特点的分析，优选合理的焊接工艺、气体保护方式和焊接规范进行 试验，试验数据证明采用 TIG 焊焊接 TA2 钛合金钢不仅焊缝成型好，微观组织及力学性能也达到了相关 标准要求.文章还给出了钛及钛合金的焊接保护焊接区域免受空气侵蚀的相关观点.
收稿日期：2006-11-28；修回日期：2007-01-18 作者简介：陈倩清（1964-），女，工学硕士，高级讲师，主要从事钢结构焊接工艺及焊接技术的研究.
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时铁污染会导致加速吸氢，形成氢致裂纹，造成氢脆 破坏.因此，在焊接过程中，要避免铁的污染.
钛合金水上排气外舌阀用钛材为 TA2、TA5、TC4 等，由于钛及钛合金的焊接都是非常相似的，故只做
110
保护气体 流量/L·min-1
枪体 拖罩 背面保护装置
13~14 19~21 17~18
6 焊接工艺试验结果 1）焊缝宽度均匀一致，焊缝表面光洁并圆滑过渡
到母材，尺寸符合标准 JB/T4745-2002 10-4 规定. 2）焊缝及热影响区均为银白色和少量金黄色，按
标准 JB/T4745-2002 中表 10-5 评为合格. 3）焊接接头经 100%X 光拍片检查，未发现任何
时间长，加之钛的活性强，文献[1~5]表明，由于工业 生产中常用的手工 TIG 焊枪枪体本身的气体稳定性较 差和喷嘴口径较小，很难以保证钛及其合金的焊接接 头性能.必须采用有分子气筛（气体透镜）的专用焊枪. 3.2 跟踪保护拖罩
钛在空气中加热后，其氧化物分类和相应的色彩 表示如下：
银白色 金黄色 普鲁士蓝 蔚蓝色 紫色 灰白色 灰色
0 前言 某产品水上排气外舌阀是控制其主机废气排出的
单向阀门和通道，舌阀工作环境为热废气和海水的混 合介质.以往我国同类产品主要采用钢质舌阀，在海水 和废气等工件介质影响下存在着较严重的腐蚀现象， 影响其使用寿命.钛及钛合金具有优良的防腐性能，用 它们制作舌阀，可以延长舌阀的使用寿命和安全性， 因此研究钛及其加工技术，具有十分重要的意义.而在 钛及其合金的加工中，焊接是一个非常重要的组成部 分.
3）在氢饱和残余应力的作用下，可导致焊接接头 延迟裂纹的产生，因此焊接中要采取有效措施防止含 氢物质的混入，设法降低焊接残余应力.
4）钛的弹性模量小，约为低碳钢的一半，焊接变 形大；冷变形的回弹能力强，约为不锈钢的（2～3） 倍，故造成校形困难.因此，焊接中要采取有效措施预 防焊接变形.
5）铁的含量对钛的耐腐蚀性能影响很大.铁的存 在会在富铁相区与α相区建立起自发电池，产生电偶腐 蚀，特别是在焊缝和热影响区会产生“优先腐蚀”；同
3）焊接工作地应干净，焊接平台、设备及工装等 应清洁，必要时，应用丙酮擦拭拖罩及背面保护装置、 压板等.焊工及装配工戴洁净的纱布手套.
4）安装好供气系统及辅助设备，见图 3.
气体流量计
拖罩 焊枪 焊机
氩气瓶
工件 背面保护装置
图 3 焊接实施示意图
保护装置及工件焊接处空气、尘埃等.
4）采用左向焊，焊炬与工件尽可能垂直.试验采
或无水酒精擦拭干净.
5.4 焊接工艺规范
1）钨极直径为 3.0 mm，头部磨成圆锥形；干伸
长为 5 mm.
2）钨极端部与焊接工件间的距离在便于操作的情
况下，尽可能地近.
3）焊接工艺参数见表 2.
表 2 钨极氩弧焊焊接工艺参数
规格
t=8mm
电流/A
130~150
电压/V
16~18
焊速/mm·min-1
钛及其合金导热l生差冷却速度慢高温停留银白色f金黄色f普鲁士蓝10203oo140一itiltiotiox9时间长加之钛的潘l生强文献151表明由于工业生产中常用的手工tig焊枪枪体本身的气体稳定性较差和喷嘴口径较小很难以保证钛及其合金的焊接接头性能
SHIP ENGINEERING Vol.29 No.2 2007
焊丝直径φ=2mm 标准值 ≤0.25 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.012 ≤0.20
—
材质
0.02 0.010 0.017 0.002 0.13
枪体、跟踪保护拖罩、背面保护装置均采用高纯 氩气，并彼此气源独立.
3 气体保护 3.1 焊枪
钛是一种活性金属，高温下与氧、氮、氢反应速 度较快.钛及其合金导热性差，冷却速度慢，高温停留
图 5 HAZ 区及熔合线(100×)热影响区为锯齿形α+板条α
1）焊前表面清理很重要. 2）焊接坡口应用机械切削，达到一定的光洁度， 使其表面无毛刺、凹坑及小裂缝等. 3）结构合理的焊接夹具（只能用铜、铝及不锈钢 材料做）非常重要.这些夹具要具有某些重要的功能， 它们能保持被焊部件之间的对正，压板要有足够的厚 度控制工件的变形，并能加快焊缝冷却速度，以将高 温下的停留时间缩短到最低限度. 4）只要气体保护是全方位的，在焊接工艺正确情 况下，任何焊接位置及接头型式都会得到理想的接头. 5）焊接加丝方法有两种：（1）焊丝送到电弧下方 熔化滴入熔池，得到较大的熔深和利于气体的逸出， 缺点是焊缝成形差；（2）焊丝送到熔池边缘与焊件一 起熔化进入熔池，得到光滑均匀的焊缝，并易控制烧 漏，缺点是熔深浅. 6）试验证明：纯钛焊接宜采用偏小的线能量和偏 快的冷却速度.
(1. Zhejiang International Maritime College, Hangzhou 316021, China; 2. Wuxi Institute of Communications Technology, Wuxi 214151, China)
Abstract: Through the analysis of welding characteristics of TA2 titanium alloy, the welding tests are made with optimized reasonable welding procedure, gas shielded mode and welding rules. The test data show that the welding of TA2 titanium alloy by TIG results in not only good shape of welding seam but the micro structure and mechanical properties meeting the relative standard requirements as well. The paper gives the relevant viewpoints about the welding protection zone of titanium and titanium alloy avoiding air corrosion. Key words: welding technology and device; TA2 titanium alloy; following protection cover; back protection device; welding test
关键词：焊接工艺与设备；TA2 钛合金；跟踪保护拖罩；背面保护装置；焊接试验 中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2007) 02-0058-04
Study on the welding test of TA2 titanium alloy
CHEN Qian-qing1, TANG Yong-gang2
果差，起弧处应加引入板（钛板或不锈钢板均可）. 3）预先送保护气约 10 秒钟，排挤出管道、各种
图 4 基材区（100×）母材为均匀的等轴α晶粒
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4）按标准 JB/T4745-2002 中表 B.8 做力学性能试 验，其一，抗拉强度为 570 MPa～580 MP（a 断在母材）， 大于母材退火状态标准规定值的下限值；其二，正、 反弯试验（D=10t、180°）完好，断面宏观检查未发 现任何焊接缺陷.焊缝微观组织见图 4、图 5 和图 6.
圆柱体外壳，前端与焊枪外径φ30 mm 的气体保护喷 嘴相吻合，在使用中与喷嘴紧密软连接.罩内装三根φ8 ×1 mm 紫铜管，其下部均匀排列φ1.0 mm、间距 5 mm 的出气孔；拖罩底板上均匀钻φ1.2 mm 小孔，上、下、
左、右间距均为 10 mm. 保护气体经过进气导管进入气体分配管，由管中
用的约为 80°.
5）焊炬作平稳的直线移动和保持电弧长度恒定.
焊丝送至熔池边缘与焊件一起熔化进入熔池.在整个
焊接过程中，焊丝头部不能离开焊嘴氩气流保护区.
并且正面保护拖罩紧密跟踪在焊枪的后面.
6）焊接熄弧后，延时保护气（15～30）秒钟，确
保工件冷至 250℃以下.
7）反面用不锈钢专用砂轮片打磨清根，再用丙酮
1 钛及其合金焊接特点分析 钛是较难焊接的金属，其原因是： 1）氧、氮、氢、碳等杂质会严重影响钛的力学和
耐蚀性能，其生成的化合物严重地影响焊接接头的力 学和耐腐蚀性能，因此，焊接时需对熔池、焊缝及温
度超过 300℃的热影响区妥善保护. 2）焊接时，高温区域大、滞留时间长、冷却速度
慢，焊缝区易产生粗大晶粒，形成过热组织而使塑性 下降；冷却速度较快时，又易产生不稳定的脆性 α′ 钛 （钛马氏体），同样使焊接接头的塑性下降.因此，在 焊接施工中，要严格控制线能量和冷却速度.
保护气体：高纯 Ar 气，纯度≥99.999% 试板及焊丝化学成分及性能见表 1.
表 1 TA2 板和 TA2 丝的化学成分及力学性能
材料
化学成分中杂质/%
Fe
C
N
H
抗拉强度σb O
试板厚 t=8mm
标准值 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.015 ≤0.25 （440～620）
材质
0.12 0.01 0.019 0.002 0.14 N/mm2
小孔排出得到缓冲和均布，经过拖罩弧壁到底部板再 次分布，形成更加均匀稳定的层流，对焊接接头起到
良好的保护作用.
气体分配管
连接环
软裙
拖罩底部板 图 1 跟踪保护拖罩
3.3 背面保护装置 由于钛的弹性模量小，焊接变形大；冷变形的回
弹能力强，所以设计的背面保护装置见图 2.在基于保 护的同时，采取厚不锈钢垫板，紫铜板压紧，帮助散 热等措施，防止钨极氩弧焊焊接过程中的焊接变形量， 同时亦减少了焊接接头高温停留时间和过热区宽度， 有利于提高焊接质量.
5 焊接工艺要求 5.1 焊前准备
1）焊丝先用 0~00 号金刚砂纸抛光，然后用白纱 布沾丙酮或无水乙醇擦拭干净.
2）用刨床加工工件焊接坡口，开焊接坡口 60°～ 65°、留根 1.0 mm～1.5mm.先用丙酮或无水乙醇去 脂，再用钢丝直径小于 0.15 mm 的不锈钢丝刷打磨其 加工面的正、反两表面离焊接边缘 30 mm 处，直到露 出金属光泽，最后用白纱布沾丙酮或无水乙醇擦拭干 净.以白纱布不再发黑为合格.