工业纯钛的焊接工艺编制.doc123剖析

绪论钛及钛合金是一种优良的结构材料，它可以和不锈钢、镍基合金争夺应用范围。

近年来已在石油化工设备上广泛应用。

由于我国钛矿贮量丰富,因此钛及其合金作为石油化工设备新型的抗腐蚀材料有着广阔的前途。

在航空、航天、火箭、人造卫星、造船、化工、冶金、造纸、食品、化纤、电镀等工业部门中由于采用钛及钛合金后，提高了设备的使用寿命、生产率，并减轻了结构的重量，从而获得显著的经济效益。

钛合金在航空、火箭、宇航技术部门应用较多，如1979年美国有60%以上的钛合金用于喷气发动机、导弹、飞行器等的制造。

早在1957年美国火箭技术部门就开始采用钛合金制造高压容器、燃料箱和发动机壳体。

1964年采用钛合金制造宇宙飞行器上的框架、高压容器。

这些零、部件都是焊接结构。

在航空工业中钛及钛合金用于制造某些飞机的喷气发动机排气系统、机身的尾段、蒙皮、消防隔板等。

在亚音速飞机上采用钛合金制造大梁、滑轨、机壳等部件时可以减轻重量40%。

随着钛的加工和焊接技术问题的解决，钛及钛合金在民用工业部门中的用量及其使用范围也在逐步扩大。

作为一种耐腐蚀介质的结构材料——纯钛，在化学工业中得到了广泛的应用。

当它用于与强腐蚀介质接触的化工设备中时，可显著地延长设备的使用寿命、检修周期，并提高了产品的质量。

纯钛还常用于生产氯气、纯碱、有机染料、人造纤维的设备上，以及用来制造热交换器、蒸发器、气体洗涤器、干燥器、稀硫酸贮槽、大型通片管道、盒形烟道、泵等产品。

工业纯钛是一种银白色金属，密度小，熔点高，线膨胀系数小，导热行差。

工业纯钛不含合金元素，不能热处理强化。

工业纯钛的熔点高（1668℃）比强度大，并具有很高的化学活性。

当钛暴露于空气中时，既会在表面上形成一层致密的、非常稳定的氧化膜，用于该层薄膜的保护作用，使钛在硝酸、稀硫酸、稀盐酸、磷酸、氯盐溶液、各种浓度的碱液中具有优良的耐蚀性。

第一章工业纯钛的焊接性分析1.1工业纯钛的物理化学性能随着纯钛加热温度的增高，其化学活性迅速增大，并在固态下能强烈地吸收各种气体。

例如：将纯钛板加热至300℃时，在钛板表面就会吸收氢气；而加热至400℃时即吸收氧气；在600℃时吸收氮气。

含有氢、氧、氮等元素的纯钛，强度显著提高，而塑性急剧下降。

工业纯钛的再结晶温度在550—650℃间。

钛在885℃以下时呈密排六方晶格，称α钛，其密度为4.51 g/cm3；当加热至885℃以上时变成体型立方晶格，称β钛，密度为4.31 g/cm3。

工业纯钛中含有微量的碳、氧、氮、氢、铁、硅等杂质，这些杂质促使钛强化。

根据杂质含量的不同，工业纯钛可分为TA1、TA2、TA3三种牌号，其化学成分及常温机械性能见表1。

表1 工业纯钛的化学成分及板材的室温机械性能钛的机械性能与纯度有关，钛纯度越高，强度越低，但塑性增加。

杂质与钛形成脆性化合物，使塑性、韧性急剧降低，因此，钛中杂质受到严格限制。

钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较见表2。

表2 钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较工业纯钛易于加工成型，但加工后会产生冷作硬化现象。

为恢复塑性，一般采用真空退火处理，其温度问700℃，保温1h。

工业纯钛具有优良的冲击韧度，尤其是低温下的冲击韧度。

1.2工业纯钛的焊接钛及钛合金具有特定的物理、化学性能和热处理性能，为掌握钛及钛合金的焊接工艺，提高焊接接头的质量，必须了解钛及钛合金的焊接特性。

1.2.1各种元素对钛的影响在400℃以上的高温（固态）下极易被空气、水分、油脂、氧化皮污染，由表面吸收入氧、氮、氢、碳等杂质，以致降低焊接接头的塑性和韧性。

现将各种气体的影响概述于下：①氧的影响氧在钛的α相或β相中都有很高的溶解度，并能形成间隙固溶相，使钛的晶格严重扭曲，从而提高钛及钛合金的硬度、强度，但塑性却显著降低。

例如:1.5mm放入TA2工业纯钛的含氧量从0.15%增至为0.38%时，其抗拉强度从568.4MPa，增至735MPa，冷弯角由180°降至100°。

在600℃的高温下，氧与钛发生强烈的作用，当温度高于800℃时，氧化膜开始向钛中溶解、扩散。

为了保证焊接接头的性能，除了在焊接过程中严防焊缝及热影响区发生氧化外，同时还应限制基体金属及焊丝中的含氧量。

②氮的影响在700℃以上的高温下，氮和钛发生剧烈的作用，形成脆硬的氮化钛（TiN）,而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪扭程度，比同量的氧所引起的更为严重。

因此，氮更剧烈的提高了钛的变形抗力，降低钛的塑性。

③碳的影响碳对钛的变形抵抗力的影响比氧和氮小。

原因是碳与α钛形成的间隙固溶体中，碳原子的分布具有一定的有序性，使碳原子沿一定的晶向发生滑移变形没有很大困难。

一般钛材中的碳含量限制在0.1%以下，若钛材中碳含量高达0.28%时，接头的性能变得很脆。

④氢的影响氢是稳定β相的元素，在β相中有较大的溶解度，而在α相中的溶解度很小，大约只有0.002%，钛-氢（Ti-H）相图如图1所示。

溶于α-Ti中的氢，随着温度的下降，以γ相(TiH2)形式析出。

所析出的γ相呈片状或针状存在，断裂强度很低，在金属中起到微裂纹作用，引起接头下降。

氢对工业纯钛焊缝金属力学性能的影响如图1所示：为防止氢造成的脆化，焊接时要严格控制氢的来源。

首先从原材料入手，限制母材和焊材中氢的含量以及表面吸附的水分，提高氩气的纯度，使焊缝的氢含量控制在0.015%以下。

其次可采用冶金措施，提高氢的溶解度。

添加5%的铝，在常温下可使氢在α钛中的溶解度达到0.023%。

添加β相稳定元素Mo，V可使室温组织中残留少量的β相，溶解更多的氢，降低焊缝的氢脆倾向。

当焊接重要结构件时，可将焊丝、母材放入真空度为0.0130～0.0013Pa的真空退火炉中加热至800～900℃，保温5-6h进行脱氢处理，将氢的含量控制在0.0012%以下，可提高焊接接头的塑性和韧性。

1.2.2钛与铝、铁等金属的物理性比较钛的熔化温度高、热熔大、电阻率大、热导率比铝、铁等金属低的多，这种物理特性使钛的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。

故在选择焊接工艺参数时，应尽量保证焊接接头（特别是热影响区金属）既不过热又不产生淬硬组织，一般采用小电流、高焊接速度的焊接工艺参数。

钛的纵向弹性模量比不锈钢小（约为不锈钢的50%）在同样的焊接应力作用下，钛及钛合金的焊接变形量比不锈钢越大1倍，因此，焊接时宜采用垫板和压板将焊件压紧，以减少焊接变形量，此外，尚可起到加强焊缝的冷却效果。

焊接5～6mm 厚钛板所用的夹具需通水冷却。

由试验查明：有循环水冷却的夹具与无循环水冷却的夹具相比，前者可使焊接区的高温停留时间缩短，焊缝的表面色泽得以进一步改善（即氧化程度减轻）。

1.2.4钛易形成冷裂纹由于氢气的溶解度变化引起β相过饱和析出，并由焊接过程中体积膨胀引起较大内应力的作用而导致冷裂纹的产生。

对接接头的冷裂纹一般处于焊缝横断面上。

为防止冷裂纹，需控制焊接接头中的氢含量。

对于复杂的焊接结构应进行焊后消除应力处理。

1.2.5钛的气孔问题及防止措施气孔是最常见的缺陷，它占钛合金整个焊接缺陷的70%以上，尽管国内外对气孔进行了大量的研究，在焊接过程中常采用多种预防措施，但是气孔仍不能完全避免。

气孔不仅是造成应力集中的因素，而且气孔边缘的金属含氢量高、塑性低，结果使整个接头的塑性和疲劳寿命降低，甚至导致某些结构发生断裂、破坏。

形成气孔的因素很多，且很复杂，影响钛焊缝气孔的各种因素如表3所示：表3 钛焊缝形成气孔的影响因素影响因素形成气孔的原因 焊接区气氛在熔池中混入氧、氮、氢等杂质气体焊丝焊丝表面吸附杂质气体 焊丝表面存在灰尘和油脂 焊丝表面存在氧化物 焊丝内部含有杂质气体焊件 焊件表面吸附杂质气体 焊件表面存在灰尘和油脂 焊件表面存在氧化物焊件内部含有杂质气体焊接条件 钨极氩弧焊时焊接电流太大焊接读读太快坡口形式破口角度太小 一般认为：氢气是引起气孔的主要原因。

在焊缝金属冷却过程中，氢的溶解度会发生变化，如焊接区周围气氛中氢的分压较高时，焊缝金属中的氢不易扩撒逸出，而聚集在一起形成气孔。

当钛焊缝中的碳大于0.1%及氧大于0.133%时由氧与碳反应生成的CO 气体也可导致产生气孔。

随着焊接电流的增大气孔有增加的倾向，特别是当焊接电流达到220A 时，气孔急剧增加如图2所示。

不同焊接速度对气孔的影响如图3所示，无论是单层焊还是双层焊，焊接速度增大，气孔增多。

在单层钨极氩弧焊时，焊接速度大于10m/h,气孔总体积迅速增加。

为防止气孔的产生，必须采取以下措施：1.严格控制基体金属、焊丝、氩气中氢、氧、氮等杂质气体的含量。

2.彻底清楚板材、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物。

3.正确选择焊接工艺参数，延长熔池的停留时间，便于气泡浮出，一般可减少气孔5—6倍，这是值得推荐的措施。

4.用等离子弧焊代替钨极氩弧焊可以减少气孔，这是由于等离子弧焊的熔池温度高，对熔池前沿的焊接破口热清理作用大及放气过程快的缘故。

5.尽量缩短焊件从清理到焊接的时间。

临焊前对焊件、焊丝清理具有良好的效果，可减少气孔1.5—2.0倍。

从清理到焊接的时间一般不超过2h，否则要用玻璃纸包好存放，以防吸潮。

6.对钛丝进行真空处理。

这不仅降低了焊丝的含氢量，而且能改善焊丝的表面状态。

7.焊前在破口端面需进行机械加工，去掉切痕，则可有效地预防气孔的产生。

8.对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象。

9.应保持低的氩气露点，焊炬上通氩气的管道不宜采用橡皮管，而最好用尼龙软管。

第二章工业纯钛的焊接工艺拟定2.1焊前准备2.1.1焊前准备坡口形式及尺寸的选择原则焊前准备坡口形式及尺寸的选择原则是,尽量减少焊接层数和填充金属量，随着焊接层数的增多，焊缝的累积吸气量增加，以致影响到接头的塑性。

V形坡口是常用的一种坡口，采用此种坡口可简化焊缝背部的保护。

V形坡口的钝边宜小，在单面焊时，甚至可不留钝边，坡口角度在60°—65°之间。

钛板的坡口可在刨边机、普通刨床或铣床上加工。

对于较厚的钛板，可用等离子弧切割，但用这种方法切割钛合金板材时，易出现钛板边缘硬度增高的倾向，给随后的机械加工带来困难所以最好采用刨、铣等加工工艺。

对小型球型底封头、螺旋桨叶片、环向接头等形状较复杂的焊件坡口，用锉刀进行手工加工。

钛管端面的坡口，可用电动刮刀削或在车床上加工。

2.1.2焊件、焊丝清理钛板及钛丝的清理质量对焊接接头的力学性能有很大的影响，清理质量不高时，往往在钛板及钛丝表面上生成一层灰白色的吸气层，并导致形成裂纹、气孔，钛板及钛丝的清理可分为机械清理及化学清理两种方法。

表4 钛材的坡口形式及尺寸列与下表1. 机械清理对于焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可用细砂皮或不锈钢丝刷擦拭，但最好用硬质合金刮刀刮削钛板待焊边缘表面，当刮削深度达0.025mm时，氧化膜已基本上被刮除。