钛及钛合金焊接

钛及钛合金的焊接
- 压力容器焊工培训教材
钛及钛合金的焊接
第一节钛及钛合金
一、概述
钛是一种银白色的有色金属，其主要物理性能到于表1•钛及钛合金的特点是具有较高的比重的强度，良好的塑性，韧性和较高的耐蚀性，尤其是对碱介质, 氯化物，硫化物，硝酸化合物，强腐蚀性气体（氯气、亚硫酸气、硫酸氢）等，具有很高耐蚀性（年腐蚀率在0.13mm以下），因此广泛应用于研究航天工业，化学工业,也用于制造船舶与海洋工程及火电，核电设备中的海水淡化装置及热交换器等.
表1 钛与奥氏体不锈钢的物理性能
二、钛及钛合金分类
钛材分为工业纯钛和n含有稳定化元素的钛合金二大类。

工业屯钛根据其杂质（主要是氧和铁含量，以及由此而引起的强度差别分为TA0 TA1、TA2、TA3 等牌号它具有良好的耐蚀性塑性、韧性、和焊接性主要用作化学工业的耐蚀结构材料。

钛合金按所含稳定化元素形成不同的固熔相，又可分为a型钛合金a + B型
钛合金和B型钛合金
a型钛合金主要通过加入铝(Al),有的再加入中性元素锰(Sn)等进行固溶强化而形成，例如牌号为TA7 (Ti-5AI-2.5Sn钛合金。

a型钛合金的强度比工业纯钛高，具有良好的耐蚀性和焊接性能。

a + B型钛合金的组织，是以a型钛为与B型钛为基的两相固溶体组织结构。

它的特点是
可通过热处理强化而得到高强度，因此，其力学性能可以在较宽的范围内变化，以适应不同的用途。

但是，随着其中的B相比例的提高，使焊接性能变差。

B型钛合金含有较高的B相稳定化元素，在一般的工艺条件下，其组织几乎全为B相，通过时效热处理，B型钛合金强度增高。

单一B相的B型钛合金，具有良好的加工硬化特性，常用作弹簧，销钉等物件，其缺点是低温脆性大，焊接性能差。

三、压力容器用钛及钛合金材料
1、钛制焊接压力容器对钛材的要求
钛制焊接压力容器，由于其使用制造和检验要求，因此，对用于钛制焊接压力容器的钛及钛合金材料，有它特殊的要求，主要有下列三方面：
⑴ 制造容器用钛及钛合金材料应当具有良好的耐蚀性能、力学性能、焊接性能、成形性能
及其他工艺性能。

⑵ 符合钛及钛合金材料相应的国家标准或行业标准规定的技术要求。

⑶ 所有压力容器用钛及钛合金材料均应是退火状态供货。

2、钛及钛合金材料牌号及化学成份
在国家标准GB/T3620.1 《钛及钛合金牌号和化学成份》中,规定了钛及
钛合金品种牌号及其化学成份。

在钛制焊接容器中，所用钛及钛合金材料牌号为TA0 TA1、TA2、TA3 TA9 TA10等,它们的化学成份列于表2 :
3、钛及钛合金板材
钛及钛合金板材化学成份应符合表2的规定，钛及钛合金板材的室温力学性能列于表3:
表2 压力容器钛及钛合金牌号和化学成份（GB3620.1）
表3 钛及钛合金板材室温力学性能
压力容器用钛及钛合金板材的供货状态应该是退火状态（M）.
板材表面应光洁呈金属本色板材表面不允许有裂纹、起皮、氧化皮、压折、金属与非金属夹杂等宏观缺陷。

4、钛及钛合金管材
钛及钛合金管材的化学成份应符合表2的规定
钛及钛合金管材室温力学性能列于表4。

表4
用钛
及钛合金管材的供货状态应是退火状态（M）。

管材内外表面应清洁，不应有裂纹、折迭、起皮、针孔等肉眼可见的缺陷, 管材表面允许有局部不超出外经和壁厚允许偏差的划伤、凹坑、凸点和矫直痕迹。

第二节钛及钛合金的焊接性
一、焊接接头易被杂质污染
钛是一种化学性质非常活泼的金属，易受氧化而生成氧化钛。

由于其
图3 不同含量对钛冲击韧性的影响图4 碳对钛力学性能
表面氧化形成致密的氧化膜，使钛在常温下很稳定，但是在高温下，钛则有强烈的吸氢、氧、氮的能力。

空气中的钛金属在250 C时开始吸氢，500 C 时开始吸氧，600 C开始吸氮，随着温度升高，钛吸收气体的能力更强。

钛中的氧和氮虽然也属于a稳定化元素，但在钛合金中作为有害杂质元素是严格限制其含量的。

当它们的含量较少时，都作为间隙元素，固熔在钛中，使钛的强度、硬度提高，而塑性下降（见图1和图2）。

氮的作用比氧更强。

图1 氧对钛力学的学性能的影响图2 氮对钛力学性能的影响
高温时，氢在钛材中的固熔量（溶解度）比较高，而在室温的固熔量则非常低，所以在温度下降至室温的过程中，将以氢化物（Ti H2）的形式折出，使钛材的塑性，特别是冲击韧性急剧下降而变成氢脆（见图3）。

碳在钛材中的作用类似于氧、氮，但不及于氧、氮的作用强烈（见图4）。

曲线1£.001%H;曲线20008H% 曲线30018%H;曲线00.04%H
钛及钛合金焊接时，如果发生氧、氮、氢、碳、等杂质的污染，将严重影响焊接接
头的力学性能。

为避免空气及周围环境中的氧、氮、氢、碳等杂质对焊接接头的污染，
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1、焊接的环境
⑴钛和钢等许多金属不能熔焊,因此,钛及钛合金旱接时严禁昆合钢铁和其他金S,若在有钢材
作业的车间内，应分设独立的、封闭的钛焊接区域（独立区域）。

⑵钛及钛合金应在空气吉净、无尘的环境下进亍旱接（洁净环境）。

⑶下列任一情况禁止施旱（JB/T4745
a.风风速1.5m/s
b.空气中相对湿度＞80%
c.焊件温度低于5C
d.无防雨,防雪措施的室外作业（在有雨雪时）
2 、旱接清理
⑴ 钛及钛合金旱件,应用于无油污,杂物污染。

⑵旱接坡口及两侧至少25mm 范围内,旱前除去氧化膜,并用丙酮或乙醇脱脂。

⑶清洗过的旱件应在 4 小时内进行旱接。

逾期未旱,则须重新清修理。

3、旱丝选用
⑴选用的旱丝应符合规范,标准的要求,不得从母材上截条充当旱丝。

⑵选用的旱丝应能使旱后状态下的旱缝抗拉强度不得低于退火状态下母材标准规定值的下限,
塑性和耐蚀性不得低于母材或与母材相当。

⑶旱丝的旱接性能良好,能满足钛容器的制造和使用要求。

⑷ 旱丝中的氮、氢、氧、碳、铁等杂质元素的标准含量应低于母材标准含量值的上线。

⑸ 旱丝应保持清吉、干燥;旱前进行清洗（除氧化膜、脱脂）。

4、旱接过程中的保护
⑴ 为了防止杂质对于焊接区的污染，必须对焊接区温度高于400 C的部位,
加以惰性气体保护，以隔绝空气。

⑵通常采用尾随拖罩加背面保护板的方法对焊接区进行保护。

拖罩及背面
保护板的形状，大小根据工件确定，其结构如图5和图6所示。

图5拖罩示意图图6背面保护板示意图⑶ 焊接区的正面保护和背面保护使用与焊接保护气体相同的高纯度的惰性气体，保护气体流量一般要比焊枪中保护气体流量大。

二、钛及钛合金主要焊接工艺方法
由于钛及钛合金的冶金化学性质和他们的焊接特点，工业生产中的熔化焊工艺主要采用钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、惰性气体保护的等离子弧焊，精密机械零部件也使用电子束焊、激光焊等。

这些焊接方法特点如下：
表6 钛材主要焊接方法及其特点
三、钛及钛合金钨极氩弧焊
钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常用的工艺方法，有手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊。

手工钨极氩弧焊设备简单，操作灵活，熔深浅，焊道平滑；可采取填充焊丝或不填充焊丝焊接；可采用单道焊或多道焊进行薄板或厚板的焊接。

1、手工钨极氩弧焊设备
手工钨极氩弧焊设备包括焊接电源、控制系统、供气系统、和焊枪等部分。

使用水冷式焊枪还有水冷系统，自动氩弧焊设备还有送丝机构。

手工钨极氩弧焊机的工作系统如图7 所示。

① 焊接电源焊接电源给焊接回路提供焊接电流, 钨极氩弧焊的焊接电源与手工电弧焊电源一样,必须具有陡降的外特性.
焊接设备型号中, 都表示出焊接电源的额定焊接电流,如NSA-300 型氩弧焊设备,型号中的“300 ”表示的是电源的额定焊接电流.
图7 手工钨极氩弧焊机工作系统图
1．电源2.高频引弧3. 电流衰减 4. 焊枪5.工件
6 . 水路7.电磁气阀8.减压流量计9.氩气瓶10. 气路② 控制系统
手工钨极氩弧焊机的控制系统实现下述功能:
a、高频引弧系统，达到顺利引燃焊接电弧；
b、开始焊接时能做到提前供气，避免烧坏钨极和损伤母材；
c、收弧时滞后断气，保护熔池和钨极不受氧化，污染；
d、电流衰减功能，熄弧时焊接电流在选择的时间内逐渐减
少至0 ,使熔池的温度也随之逐渐降低,避免熔池急剧冷却
产生火口裂纹和缩孔；
③ 水路系统
使用水冷式焊枪时,靠循环水对枪体进行冷却。

由于水冷却比空气冷却效果好,大大提高了焊枪允许使用的最大电流
大电流规范焊接时,应使用水冷式焊枪。

④ 气路系统
氩弧焊时,高压气瓶内的氩气经减压流量计、输气软管、到达焊枪,实
现对焊接区的保护。

减压流量计是把减压器和流量计制成一体,使用起来方便。

压力表指示的是气瓶内的气体压力值,高压气体的压力减到
0.4-0.5 MPa 后流入流量计,用流量计的旋钮来调节氩气流量的大小。

选用减压流量计时,应注意使常用气体流量小于流量计所允许的最大流量的三分之二,以免经常启动时气流的冲击作用把流量计损坏.
安装流量计时,应先把氩气瓶咀清理干净，防止灰尘、污物影响安装密封或进入压力表、流量计内。

打开氩气瓶之前，流量计上控制流量的旋钮应是关闭的。

⑤ 焊枪
手工钨极氩弧焊枪是夹持钨极、导入电流和气体进行焊接操作的工具。

根据焊接电流的大小可选用气冷（自冷）式水冷式焊枪。

喷咀是氩弧焊枪重要零件，一般都用陶瓷材料烧结制成。

陶瓷喷咀既与焊枪带电体绝缘，又能耐高温。

一把焊枪往往可以配用几种直径的陶瓷喷咀，要根据钨极直径的粗细来选择与之相配的陶瓷喷咀。

钨极直径与陶瓷喷咀内径的关系如下：
D=2d+4(mm)
式中D—陶瓷喷咀内径d—钨极直径
例如，选用直径为2mm的钨极，则应选用内径为8mm的喷咀。

为减少氩气流动阻力，防止保护气体紊乱，陶瓷喷咀的内表面应保持洁，光滑，如果粘附焊接飞溅，应及时清除。

2、钛及钛合金氩弧焊接材料
1 )钛材焊丝
钛及钛合金焊丝按国家标准规定的牌号和化学成份如表7所示：
钛制压力容器的焊接，为了使焊丝具有良好的焊接性能，保证焊缝在焊态下的力学性能和耐腐蚀性能，焊丝中的杂质元素含量控制得更严。

按GB/4745《钛制焊接容器》标准规定，钛制压力容器焊接用焊丝的牌号及化学成份列于表&
表7 钛和钛合金焊丝化学成份(GB/T3623 —1998)
选用的焊丝中的氮、氧氢、碳、铁等杂质元素的标准含量上限值应大大低于母材中杂质元素的标准含量上限值•不允许使用从所母材上截条充当焊丝。

对于所焊母材推荐使用的焊丝牌号列于表9。

表9母材推荐焊丝牌号
钛焊丝有冷加工状态（Y）和真空退火状态（M）,最好使用真空退火状态焊丝。

钛焊丝与其它焊接材料一样，要求贮存库保持干燥，相对湿度不大于60%。

2)钨极
在钨极氩弧焊中，钨极起看传导电流、弓燃电弧和维护点弧正常燃烧的作用。

钨电极材料，目前主要有纯钨电极，铈钨电极和铈钨电极，应用最广泛的是铈钨电极。

铈钨电极的电子发射能力强，容易引燃点弧，电弧燃烧稳定，烧损率低，且没有放射性。

应当根据焊接电流的大小，来选用不同直径的钨极，不同电源与极性时不同直径钨极的许用电流值见下表。

钨极端部的形状对电弧燃烧的稳定性和焊缝成形影响很大，通常都打磨成夹角为成30°苗的锥形。

3)氩气
保护气体的纯度对焊接接头的塑性,韧性影响很大，必须使用纯度为9.99%的高纯度氩气。

3钛及钛合金的钨极氩弧焊工艺
1)焊前准备
a、焊件清理，焊接坡口及其两侧各25mm范围内，砂磨除去氧化膜，用丙酮或
乙醇清洗脱脂，焊丝除氧化膜，脱脂，焊前应切除端部已被氧化的部分。

b、设备电路，水路，气路接通，使用保护气垫的场合安装就位。

c、调整焊枪，监视气流，调试规范参数。

2）焊接过程
焊接过程中应主要根据工件厚度、钨极直径来选择焊接电流的大小。

焊层厚度要求不同、填丝方法不同时，焊接电流大小应有差别。

手工钨极氩弧焊工艺参数可
参照表11选用，自动钨极氩弧焊（填焊丝）工艺参数可参照表12选用
表12 自动钨极氩弧焊添丝焊）工艺参数
氩弧焊接过程中要注意事项如下：
a、焊前先通氩气一段时间，而后再起弧焊接,应在坡口内引弧.
b 、在不妨碍视线的情况下应尽量采用短弧焊接,以增强氩气的保护效果和电弧的穿透
能力钨极端部距熔池表面2-3mm为宜
c、焊丝热端在焊接过程中不能脱离氩气范围如发现被氧化应切除氧化部分才能使用.
d、施焊结束后，应填满弧坑熄弧后滞后断气焊枪过一段时间再离开保护好热的焊缝.
e、女陳氩气保护不好焊道表面发生氧化须将氧化皮除去以后才!能进行下一道焊接气
体保护效果的好坏，可以从焊缝表面的颜色加以判断。

保护好坏与表
面颜色变化的对应关系如下：银白色T金黄色T蓝色T紫色T灰色T暗灰色T
灰白色T黄色（粉状）,一般要求钛金属焊后表面最好为银白色，其次为金黄。