钛及钛合金的焊接性
钛及钛合金的焊接性及焊接缺陷的防止
绪论焊接是现代工业生产中不可缺少的先进制造技术，被广泛应用于机械、冶金、电力、锅炉、压力容器、建筑、桥梁、船舶、汽车、电子、航空、航天、军工和军事装备等产业和部门。
随着社会和生产的飞速发展，各领域中的科学技术水平不断提高，从而推动各行各业的进步。
工业是国民经济的基础，而重工业又是工业的重中之重，交通运输业则是发展各行各业的先导，石油化学工业又是尖端科学技术的发展对金属材料提出越来越高的要求，例如航空及宇航，氦反应堆对金属材料的要求特别严格，这就是要求研制耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗断裂、耐疲劳而重量又较轻的金属材料，钛合金的强度大，密度小，又具有较好的韧性和焊接性，因而钛合金在航空等工业中得到广泛的应用。
钛是难熔金属中的轻金属，密度为 4.5克/cm3，只有铁的57%。
钛合金的强度可与高强钢相媲美，同时具有很好的耐热和耐低温性能，某些钛合金能在450℃-550℃之间和零下250℃下长期工作。
钛具有很好的耐盐类、海水和硝酸腐蚀的能力，Ti-30M合金更是能耐高浓度盐酸和硫酸的腐蚀。
钛是金属材料王国中的一颗新星，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，它仅次于铁、铝，被誉为正在崛起的“第三金属”。
它是优质轻型、耐蚀结构材料，新型的功能材料和重要的生物材料，是重要的战略金属。
由于钛兼有钢、不锈钢、铝等结构材料的许多优良特性，在空中、陆地、海洋及宇宙超低温的外层空间都有着广泛的用途，因此，它又被称作“全能的金属”。
钛及钛合金在各种工业部门中，都存在着广阔的应用前景，因为各行各业中使用的设备零件基本上都承受着腐蚀、磨损及断裂等多种损伤，要提高设备的使用寿命就必须克服造成上述损伤的一家因素。
而钛及钛合金就具有抗腐蚀、耐磨损及高强度等诸多优点。
同钢制设备相比，钛制设备具有比较高的稳定性，显著延长了使用寿命，减少了修理费用，因而取代了钢制设备，使一些性能得到补偿。
钛合金的这些优点，使钛当之无愧的被称之为“太空”金属、“海洋”金属。
钛及钛合金焊接特点及焊接工艺
钛 的化 学性 能很 活泼 ， 在 液 态或 高于 ６ ０ ０ ％ 的 固 态 下极 易 和 氧 、 氮、 氢等元素相互作用 ， 产 生 脆 化 。在 常 温下 ， 由于 表 面氧 化膜 的作用 ， 钛 材 保 持 着 稳定 性 和耐 腐蚀 性 ，但 钛 在 高温 下 特别 是 熔 融
性能 ， 为 了掌握 钛 及钛 合 金 的焊 接工 艺 ， 提 高 焊 接 质量 ， 必须 深入 了解 钛及 钛合 金 的特 点 。
２ ． １焊 接接 头的脆 化
焊接钛及钛合金时 ， 影 响区有时会 出现延迟裂纹 ，
其 主要 原 因是 氢 造成 的 ，氢 脆 及 氢化 物 析 出 时产
形 成 ，但 氢 是钛 及钛 合 金 焊接 中形 成气 孔 的主 要
有效保护的情况下 ， 很容易与氧、 氮、 氢发生反应 ，
生 成 硬度 脆性 较 大 的氧 化 钛 、 二氧 化 钛 ， 空气 中 的 氢 产 生氢 脆 。 因此 ， 在钛 焊 接 时 ， 为保 护 焊缝 热 影 响 区免受 空 气 污染 ，我 们 通 常采 用 的高 纯 度 的惰
主要来源于母材 、 焊丝和油污等 ， 碳在超过溶解度 时析 出硬脆 的碳化钛 ， 使焊缝塑性迅速下降 ， 在焊
接应 力 的作用 下易 产生 裂纹 。
２ ＿ ２焊接 接 头的裂 纹
度小 、 比强度高、 塑韧性好 、 耐热蚀性好 、 可加工性
较 好 等 特点 ， 因 此 广 泛应 用 在航 空航 天 、 化工 、 造
及钛合金 的焊接特 及焊接工艺做一简单介绍。
当焊 缝 中含 有 氧 、 氢、 氮量较多时 ， 焊 缝 和 热 影 响 区性 能 变 脆 ，在 较 大 的焊接 应 力 作 用下 容 易 出 现裂 纹 ， 这 种裂 纹 是在 较低 的温 度下 形 成 的 ， 在
钛合金及其焊接性评述
钛合金及其焊接性评述【摘要】钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
分析钛及其合金的焊接性，掌握钛合金在焊接时容易出现的问题和预防措施、TC4钛合金电子束的相关技术来进行钛合金及其焊接性的综合评述。
以及了解为了提高焊接质量对ZCY 系列真空充氩箱的开发和应用。
【关键词】钛合金，钛合金焊接性，TC4钛合金，电子束, 缺陷，预防，局部热处理,真空充氩箱1 引言钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，焊接作为钛合金加工中的重要手段, 有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面独特的优势。
因此钛合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视[1 ]。
近年来, 人们把研究重点从研究钛合金焊缝及热影响区与母材性能的差异转移到研究钛合金焊接冶金上。
只有从冶金因素上找出产生焊缝与母材性能不同的原因, 才能从根本上解决钛合金焊接存在的问题。
2 钛合金及其焊接性研究进展钛合金焊接主要特点可概括为高温时钛对气氛的高活性，加热时晶粒长大的倾向大以及焊接接头冷却时形成脆性相。
过去人们评价钛合金焊接性一直集中于研究焊缝金属性能与母材性能不同的工艺因素, 近十几年来, 人们开始研究焊缝金属性能与母材性能不同的冶金因素。
钛合金焊接冶金是一个十分复杂的问题,它主要包括熔化和凝固, 连续冷却相变, 焊后热处理以及组织和性能的关系。
尽管优化了焊接工艺参数, 选用了冶金和焊后热处理等措施, 使钛合金焊缝金属的静载强度和塑性提高到母材的水平, 但是由于焊缝金属中粗大柱状晶的存在, 使钛合金焊缝金属动载强度和抗介质腐蚀性能显著降低。
近些年来, 对钛合金焊接冶金原理的理解越来越深入, 但一些重要问题仍不是很清楚, 有待于更深入地开展研究。
其中计算机辅助热流分析的应用, 将会利用焊接冶金知识预测和控制焊缝组织和性能,而不需要大量的实验。
高分辨电子显微镜的发展会使复杂的相变能够更准确地判定, 这将有助于提高连续冷却相变图的准确性[2]。
金属材料焊接技术——如何焊接钛合金材料
金属材料焊接技术——如何焊接钛合金材料钛及钛合金由于密度小、强度高、耐热耐腐蚀性能优异而广泛地应用于航空航天、石油化工、造船等部门。
目前高性能的飞机、坦克正在采用钛合金部件，而且在石油化工部门中钛合金部件使用的范围也正在逐渐扩大。
而钛合金在飞机及其发动机和石油化工部门上的应用，不可避免需要使用焊接手段进行连接，这对扩大钛合金的应用范围具有重要的意义。
本次富士康富贸商城的小编主要介绍钛合金焊接过程中需要注意的一些问题，以期引起同行的注意。
一、钛合金的焊接性大多数钛合金可以使用氧乙炔焊的方法进行焊接，并且所有的钛合金均可以使用固态焊接方法进行焊接(如TIG、MIG、等离子弧焊、激光和电子束焊接)。
事实上，钛合金焊接接头发生裂纹的倾向性要比黑色金属(如铁合金、镍合金) 小得多。
尽管钛合金具有如此良好的性质和其他一些优异的焊接特性，一些工程师们仍然认为钛合金的焊接是相当困难的，主要在于钛合金焊接对于气体保护的要求特别高，一般只有非常专业的人员才能保证气体保护符合要求。
实际上，许多焊接手段均可以用来焊接钛合金。
由于在焊接过程中引入的空气的N2 、O2 和含碳物质使得钛合金的熔化焊接头变脆，因此待焊区一定要清理干净并使用惰性气体保护。
焊接材料基本上也是根据被焊材料的特性进行选取的。
钛合金的焊接性一般根据焊接接头的延展性和强度来评价。
常见钛合金的焊接性如表所示。
关于钛合金的激光焊接目前的应用趋势是越来越广泛，激光焊接的变形小，生产效率高，而且实现自动化的程度比电子束和TIG 要高。
同电子束焊接相比，激光焊不需要真空室等复杂的设备，所以激光焊接实用性更强，而且激光焊可以以不同焊接状态直接焊接。
CO2激光由于功率大，使用25kW/h 可以一次性焊透20mm厚的钛板。
Nd：YAG激光由于可以使用光纤进行能量传输而使得YAG 的焊接更具灵活性，但由于功率低而使得穿透深度受到限制。
激光焊接时容易产生飞溅，这样就使得表面不清洁，在不能进行焊后处理时一定要特别小心。
钛及钛合金焊接指南
钛及钛合金焊接指南钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接；广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。
(1)杂质污染引起的脆化由于钛的化学活性大，在焊接热循环的作用下，焊接熔池及高于350℃的焊缝金属和热影响区极易与空气中的氢、氧、氮及焊件、焊丝上的油污、水分等发生反应。
钛在300C以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，含碳量较多时，会出现网状TiC脆性相。
以上情况使钛及钛合金焊接接头塑性、韧性急剧降低导致焊接接头的性能变坏。
钛表面生成氧化膜的颜色与生产温度有关。
在200℃以下为银白色、300C时为淡黄色400C时为金黄色、500C和600℃时为蓝色和紫色，700 ~900℃为深浅不同的灰色。
可根据表面生成氧化膜的颜色来判断焊接过程未保护区的温度。
(2)焊接相变引起的性能变坏有两种同素异构的晶体结构，882C以上到熔点为体心立方晶格，叫β钛，882C以下为密排六方晶格，叫αo容器用钛中含β稳定元素很少，都是a铁合金。
这些钛在焊接高温下，焊缝及部分热影响区为β晶格，有晶粒急剧长大的倾向。
钛又具有熔点高、比热容大、热导率低等特性，因此焊接时高温停留时间较长约为钢的3~4倍，高温热影响区较宽，使焊缝和高温热影响区的β晶粒长大明显，会使焊接接头的塑性下降较多，因而钛焊接时，通常应采用较小的焊接热输入和较快的冷却速度以减少高温停留时间，减少晶粒长大的程度，缩小高温热影响区，减少塑性下降的影响。
(3)焊接区需采用惰性气体保护在高温下和空气中氧的亲和力非常强，在200℃以上的区域必须采用惰性气体保护，以避免氧化。
钛的弹性模量仅为碳钢的一半，在同样的焊接应力下，钛的焊接变形量会比碳钢大1倍。
因此焊接钛时，一般应用垫板及压板压紧工件，以减小焊接变形量。
(5)易产生气孔气孔是钦焊缝中常见的缺陷。
钛焊接中产生的气孔主要是氢气孔，也有CO气体形成的气孔。
钛及钛合金的焊接
钛及钛合金的焊接一、前言随着我国经济的快速发展，钛合金材料得到广泛应用。
但由于钛合金是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下对氧、氢和氮等气体具有极大的亲和力，特别是在钛焊接过程中，这种能力伴随着焊接温度的升高更为强烈。
实践证明，焊接时如果对钛合金与氧、氢和氮等气体的吸收和溶解不加以控制，无疑会给钛合金焊接接头的施焊过程带来了极大的困难。
二、钛的特性对钛焊接的影响1)氧和氮的影响。
氧和氮间隙固熔于钛中，使钛晶格畸变，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性却降低，焊缝中含焊氧、氮是不利的，应设法避免。
2)氢的影响。
氢的增加会使钛的焊缝金属冲击韧性急剧下降，而塑性下降少许，氢化物会引起接头的脆性。
3)碳的影响。
常温下，碳以间隙形式固溶于钛中，使强度增加，塑性下降，但不如氧、氮明显，碳量超过溶解度时生成硬而脆的TiC，呈网状分布，易产生裂纹，国标规定钛其钛合金中碳含量不得超过0.1%，焊接时，工件及焊丝的油污能增加碳含量，因此焊接时需清理干净。
三、钛及钛合金的焊接性1）气孔的产生。
钛及钛合金焊接时最常见的缺陷是气孔，主要产生在熔合线附近。
氢是形成气孔的重要原因，在焊接时由于钛吸收氢的能力很强，而随着温度的下降氢的溶解度显著下降，所以溶解于液态金属中的氢往往来不及逸出形成气孔。
2）接头的脆化问题。
在常温下，钛与氧反应生成致密的氧化膜，从而使其具有高的化学稳定性与耐腐蚀性。
在施焊过程中，焊接温度高达5000～10000℃，钛及其合金与氧、氢和氮发生快速反应。
据试验，钛合金在施焊过程中，温度在300℃以上时能快速吸氢，450℃以上时能快速吸氧，600℃以上时能快速吸氮。
而当熔池中侵入这些有害气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化，特别是在882℃以上，接头晶粒严重粗大化，冷却时形成马氏体组织，使接头强度、硬度、塑性和韧性下降，过热倾向严重，接头严重脆化。
因此，在进行钛合金焊接时，对熔池、熔滴及高温区，不管是正面还是反面都应进行全面可靠的气体保护。
钛及钛合金焊接技术
钛及钛合金焊接技术摘要：随着我国社会生产力的快速发展，我国综合实力得到了显著的提高，科学技术也在发展中得到了不断地完善。
先进的焊接技术是能够降低材料的消耗以及减轻结构质量的有效途径。
本文对钛及钛合金焊接技术，钛及钛合金焊接特点进行了分析。
关键词：钛及钛合金；焊接技术；广义来讲，钛及钛合金是以建筑结构材料形式产生的，同时由于钛及钛合金密度小以及抗拉强度相对较高等特点现已倍受青睐。
而在300 摄氏度到 500 摄氏度的高温状态下，钛合金金属材料仍具有足够高的强度，并且钛及钛合金具有优良抗腐蚀性，被多用于船只建造。
随着产业结构的变化和科学技术的发展，先进的焊接结构是降低材料消耗、减轻结构质量的有效途径, 各种焊接技术将有着广阔的应用前景。
1.慨况钛及其合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性，在航空、航天、造船、化工等工业部门中得到广泛应用。
钛属于多晶形材料，基本上决定了钛合金焊接时的行为。
适于钛及其合金的焊接方法有很多，但对焊接方法的分类国内外各有差异，把它分为 3 大类：族系法、一元坐标法和二元坐标法。
而最常用的族系法又分为 3 种：熔化焊接、固相焊接及钎焊。
钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方式在钛及钛合金的焊接中应用广泛，在钛及钛合金的焊接中，钎焊适于焊接受载不大或在常温下工作的接头，对于精密的、微型复杂的及多钎缝的焊件尤其适用。
其他焊接方法如：高频焊、爆炸焊、摩擦焊、扩散焊等随着焊件的具体焊接情况而采用相应地焊接方法。
二、钛及钛合金焊接特点1.钛及钛合金的物理、化学性能。
钛的化学活性强，随着温度的增高，其化学活性也将迅速增大，并在固态下能强烈地吸收各种气体。
例如：将纯钛板加热到300℃时，在钛板表面就会吸附氢气；而加热至400℃时即吸收氧气；600℃吸收氮气。
含有氧、氮、氢等杂质元素的纯钛，焊接接头的强度显著提高，而塑性和韧性急剧下降。
钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低，所以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。
钛及其合金的焊接
钛的物理性能
纯钛是一 种银白色金属882.5℃以下它具有密集六方结构（相）， 高于此温度，发生同素异构转变，成为体心立方结构（相）。Ti 882.5℃ -Ti 钛与氧的化学亲合力强，甚至在室温下其清洁的表面也会迅速地 形成稳定而坚韧的氧化层这种行为产生自然钝化，因而钛具有良 好的耐盐、耐氧化性酸和无机酸腐蚀性能。 在退火状态下工业纯钛的抗拉强度为350～700MPa，伸长率为 20～30％，冷弯角80o～130o具有良好的低温性能。 钛的热膨胀系数和导热率小，具有良好的焊接性。
钛及其合金 焊接工艺
保护：温度高于260 ℃区域必须保护，方法有加尾拖和背部气体保 护；高纯度的惰性气体罩；真空度大于1.33X10-2Pa。
焊后热处理
完全退火适用于钛和稳定的钛合金，消除应力和保证较高的强度和 塑性。t<1.5mm，保温15min；1.6～2.0mm，保温20min；2.1～ 6mm，保温25min；6～20mm，保温60min；20～50mm，保温 120min。真空或氩气中退火。 + 钛合金要严格控制冷却速度，冷却到一定温度再空冷或分段退火。 不完全退火：主要消除应力。 淬火+时效处理：对简单的钛合金压力容器，可以使用焊后水淬再加 时效处理的方法（时效温度<500℃）保证焊接件的综合力学性能。 时效处理：焊件焊前淬火，焊后时效，保证母材强度。许多钛合金在 焊件热循环的作用下产生局部淬火作用。例如TC4，500 ℃，4h； 600 ℃，2h。
钛及其合金 的焊接性
气体等杂质污染而引起焊接接头脆化： 常温下，钛及其合金比较稳定，随着稳定的升高，钛及其合金系数氧、 氮及氢的能力也随之上升。 ①氧的影响：从400℃开始吸氧， 600℃快速吸氧，氧以间隙固溶体 的形式存在，晶格畸变固溶强化，导致钛及其合金强度提高、塑性 韧性下降。焊缝含氧量随保护气体中的氧含量增加而直线上升。在 钛中最大固溶量为14.5％。在钛中最大固溶量为1.8％。含氧量 越高固溶强化越严重。 氧会导致钛合金氧化，钛是一种活性元素，当钛及其合金表面为 银白色和浅黄色时钛合金几乎未发生氧化；当钛及其合金表面为青 灰色是中度氧化；为黑色和出现白色粉末时是严重氧化。
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钛及钛合金的焊接性。
⑴化学活性大钛和钛合金不仅在熔化状态，即使在400℃以上的高温固态也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收O2、N2、H2、C等元素，使焊接接头的塑性及冲击韧度下降，并易引起气孔。
因此，施焊时对焊接熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要妥善保护。
⑵热物理性能特殊钛和钛合金和其它金属比较，具有熔点高、热容量较小、热导率小的特点，因此焊接接头易产生过热组织，晶粒变得粗大，特别是β钛合金，易引起塑性降低，所以在选择焊接参数时，既要保证不过热，又要防止淬硬现象。
由于淬硬现象可通过热处理改善，而晶粒粗大却很难细化，因此为防止晶粒粗大，应选择硬参数。
⑶冷裂倾向较大溶解于钛中的氢在320℃时和钛会发生共析转变，析出TiH2，引起金属塑性和冲击韧度的降低，同时发生体积膨胀而引起较大的应力，严重时会导致产生冷裂纹。
⑷易产生气孔产生气孔的气体是氢。
因氢在钛中的溶解度随温度升高而下降，焊接时，沿熔合线附近加热温度高，会引起氢的析出，因此气孔常在熔合线附近形成。
⑸变形大钛的弹性模量约比钢小一半，所以焊接残余变形较大，并且焊后变形的矫正较为困难。