钛材的焊接技术

钛材料焊接技术

一．影响钛材焊接质量的因素

1.气体杂质对焊缝金属性能的影响

钛具有很高的化学活泼性，与空气中的氧、氮有极高的亲和力。在较低的温度下，钛与氧相互作用生成一层致密的氧化膜，随着温度的提高，氧化膜的厚度随之增厚，超过600℃钛开始吸氧并使氧溶解到钛中。温度再高，钛的活性就会急剧增加并与氧发生激烈反应而生成钛的氧化物。钛在300℃以上开始吸氢，在700℃以上开始吸氮。氧和氮对钛污染的结果是使钛强度和硬度增高而塑性降低。氮比氧的影响程度更大，氢在钛中含量从0.01%～0.05%会使焊缝金属的冲击韧性急剧下降，而塑性却下降较少。这是氢化物引起的脆性，即所常说的“氢脆”。氢也是引发焊缝产生气孔的根源。

熔化焊接过程中，熔池像一个小冶金炉，熔融金属暴露在大气中。如果不采取相应的防护措施使熔融的金属钛与空气隔绝，则氧、氮、氢等气体元素就会熔入钛中，形成脆性氧化物或氮化物，致使焊缝金属的塑性急剧降低，拉伸强度提高，严重的情况下将发生脆断，塑性等于零。

2.其他杂质对焊缝金属性能的影响

其他杂质是指除气体杂质外，可能熔入熔池的杂质。其来源可能是焊接操作环境不清洁、戴脏手套触摸钛焊件遗留下油污、焊接前用棉纱擦洗接头、坡口可能留下的棉絮、焊接生产环境与钢铁焊接生产混合可能产生的铁锈、水分和其他一些有机物等。这些污染物在电弧高温作用下分解出氧、氢、氮、碳等元素，然后溶于熔融的钛中。当这些元素的量超过在钛中的溶解度时，便形成相应的化合物（TiO2 TiH2 TiN TiC)。这些化合物随着熔池结晶而进入钛的晶格中，致使钛的晶格畸变、歪曲，从而改变了钛的力学性能。

有些微量元素少量溶入钛中，如果其量不超过允许的范围是可以的，有时也是我们所希望的。但超量的杂质元素含量是不允许的，特别是有机物杂质，有百害而无一利，这是因为这些杂质元素除使钛焊接的力学性能变差，降低而腐蚀性外，还是焊缝中产生气孔的根源。

3.焊接金属和接头热影响区的组织变化

钛是有同素异形体转变的金属。在882.5℃开始发生组织的固态转变。882.5℃以下晶体结构为密排六方结构，称为α钛；在高于882.5℃时，α结构的钛转变为体心立方结构的β钛。这个转变过程是熔池由液态变为固态的“瞬间”完成的。而这个“瞬间”长短差异仍对熔池的结晶形式有影响，“瞬间”越长越有利于柱状晶生长。由于钛具有熔点高（1668℃），热容量大和导热差等特性，所以焊接时焊缝受到焊接线能量大小和焊缝强制冷却的好坏影响，焊缝处于高温下滞留的“瞬间”就有差异。“瞬间”稍长给熔池结晶的柱状晶长大和接头热影响加宽提供了条件。这也是焊接接头塑性下降的重要原因之一。接头的拉伸强度断口往往发生在焊缝热影响区。为了降低这一不良影响，钛焊接时尽量采用较软的焊接规范，即用较小的焊接线能量和较快的冷却速度。

4.气孔是钛焊缝中常见和较难避免的缺陷

气孔生成的机制是焊接过程中溶入液态金属中的气体经过扩散、脱溶、成核、长大等过程而形成气泡。由于熔池的凝固结晶速度很快，长大的气泡来不及逸出液态金属时就以气孔的形式残留在固态金属中。酿成气孔的氢气和CO等气体主要源自有机物的污染物，经电弧热作用所产生的。有时焊接前对焊件和焊材做了充分的清洁、清洗，氩气保护的效果也理想，但焊缝中仍然有气孔。钛材专家的实践经验表明，空气中的水分对焊接影响很大。在实验中，相对湿度小于40%的焊接环境下，焊缝基本没有发现；在相对湿度大于90%以上的环境中，焊缝中存在的气泡既多又大。充分说明空气的湿度大小是气孔产生的重要原因之一。

二．钛材的焊接方法

1.手工钨极氩弧焊

钨极氩弧焊非熔化极电弧焊，是利用钨极与被焊工件之间产生的电弧热熔化被焊件的接缝并使焊件熔在一起，焊接过程中可以填加焊丝也可以不加焊丝，且钨极、熔池、焊缝的近缝区以及填加焊丝的熔化端都应处于氩气的保护中。

施焊一般采用非接触式的高频引弧，弧长控制在1.0～1.5倍电极直径。角焊缝时弧长可稍长，焊嘴向后（反焊接方向）倾斜75度。焊接电流是电弧焊的最重要技术参数，它对焊缝熔深、焊速、熔敷金属量以及焊缝质量有直接的影响。钨极氩弧焊焊钛常用正接法的焊接电源，即正极连接焊件，负极连接焊把。正接法电弧所产生的热能30%集中在钨极上，而70%的热能集中在被焊件上，所以相对反接法而言，熔深较深。电弧自开始引弧到熄弧必须与氩气供给和停气的时刻相匹配，即电弧引弧前提前供气，而电弧熄弧后氩气必须滞后停气。

2.保护气体

保护气体从焊嘴喷出覆盖了整个钨极长度和电弧熔化的熔池区免受空气污染。常用的气体是惰性气体氩或氦。氩气的导热系数小，在电弧作用下不发生分解吸热，所以氩气的热损耗较少，电弧电压较低，约为8～15V。保护效果好坏除保护气体的纯度（大于99.98%)很重要外，还与焊嘴几何尺寸设计有关，即能保证由焊嘴喷出的氩气流为层流而不能是紊流。一般情况下，焊嘴高度为喷口直径的1.5倍。

三．钨极氩弧焊焊接工艺

1.接头与坡口

在钛材焊接中，各种接头形式都有，如对接，搭接，角接，管板焊接等。板厚一般为1.0～10mm，还有不同厚度板材相接。接头与坡口对获得优质焊缝是很重要的。

2.焊前清理

钛材焊件以及焊丝（填充丝）很容易被污染，如钛材生产过程用的润滑剂残留以及氧化膜、油污、油漆、涂层、手印等。如果这些污染物不在焊接前清除掉，将会在焊接时与电弧热作用分解出有害杂质溶于焊缝金属中，对焊缝质量产生不良影响。

3.钛材手工钨极氩弧焊焊接规范

钛及钛合金化学牌号和化学成分GB/T 3620.1—2007

【TA1ELI】工业纯钛

Fe 0.10 C 0.03 N 0.012 H 0.008 O 0.10

其他元素单一0.05总和0.20

【TA1】工业纯钛

Fe 0.20 C 0.08 N 0.03 H 0.015 O 0.18

其他元素单一0.10 总和0.40

【TA1-1】工业纯钛

Fe 0.15 C 0.05 N 0.03 H 0.003 0.12--0.10 Al≤0.20 Si≤0.08其他元素单一--- 总和0.10

【TA2ELI】工业纯钛

Fe 0.20 C 0.05 N 0.03 H 0.008 O 0.10

其他元素单一0.05 总和0.20