钛合金的钨极氩弧焊

钛合金的钨极氩弧焊

首先对钛合金做了简单介绍，特别强调钛合金在航空领域的应用，然后通过对钛合金焊接性能的分析，指出钛合金焊接时会产生脆化现象、冷裂纹和气孔问题。最后以8 mm 厚的TA7 钛合金板为例，重点介绍在钨极氩弧焊焊接过程中应如何正确选择焊接工艺参数，应该采取哪些工艺措施保证钛合金的焊接接头质量。

1 前言

钛是 20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，以钛为基体加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金按性能和用途可分为结构钛合金、耐蚀钛合金、耐热钛合金和低温钛合金；按生产工艺可分为铸造钛合金、变形钛合金和粉末钛合金；根据退火组织可分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金3 大类。

钛合金具有很高的强度和刚度，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性能，较好的高温性能和低温性能，最为突出的是密度小，比强度高，工艺性能好，焊接性能优良，是一种优良的结构材料，其应用范围日益广泛。

钛合金优异的综合性能使它在航空、航天、化工、造船等工业领域发展迅猛，在航空航天领域的优势尤为突出。目前主要用于火箭、导弹和高速飞机的一些结构件，可制造飞机的机身、机翼、蒙皮和起落架等承力构件。比如F-15 战斗机的机体结构材料，钛合金用量达7000 kg，约占结构质量的34%。

波音757 客机的结构件，钛合金约占5%，用量达3640 kg。某些钛合金的最高工作温度为550 ℃，预期可达700 ℃。因此特别适合于制造涡轮喷气发动机、涡轮发电装置、涡轮风扇发动机、燃气轮机等飞机发动机的零部件。

2 钛合金的焊接特点

钛合金的焊接具有许多显著的特点，了解钛合金的焊接性，是正确选择焊接工艺参数、确定焊接工艺措施、提高焊接接头质量的前提[1,2]。

（1）接头区的脆化现象

钛元素的化学性质非常活泼，对氧具有很强的亲和力，常温下由于表面致密氧化膜的作用钛能保持很高的化学稳定性和耐腐蚀性。但是无保护的钛在300 ℃以上吸氢，600 ℃以上吸氧，700℃以上吸氮，随着温度的升高，钛与氧、氢、氮的反应速度加快，因此在焊接过程中对钛合金影响最大的元素就是氧、氢、氮。

1）在高温下钛表面的氧化膜比较疏松，在表面出现氧化皮的同时，氧还向钛中溶解扩散。在同素异构转变温度（882.5 ℃）以上，氧在钛中的扩散加剧，并且形成脆化层，其脆化层厚度随时间的增加而增大，这是钛被氧玷污而引起的额外硬化，钛中含氧量愈多，硬化、脆化现象愈甚。

2）氢在钛中随温度的增加其扩散也极其强烈，并形成间隙固溶体TiH2，TiH2 以细片状或针状存在，其断裂强度很低，在钛合金中成为微裂纹源，引起接头塑性和韧性下降造成氢脆现象。

3）在室温下氮对钛没有影响，高温时氮与钛强烈化合，形成晶格畸变非常严重、又硬又脆的固溶体TiN，因此氮比氧的影响更加严重，它大大提高钛的强度和硬度，降低钛的塑性和韧性。

为了防止脆化现象，钛合金在焊接过程中对于气体保护的要求特别高，必须采取必要措施严格控制氧、氢、氮进入焊缝。其次，钛合金中常加入Al、Mo、V、Cr、Mn、Si 等合金元素，当Al、Mo 等合金元素含量超过6%以上，焊接接头强度提高，但塑性、韧性会明显下降，引起接头脆化。焊接接头的脆化现象使焊接

结构承载能力下降，严重时出现脆断，造成非常严重的焊接事故。