钛及钛合金焊接工艺探讨_韦生

Welding Technology Vol．42No．4Apr.2013

收稿日期：2012-09-11钛及钛合金焊接工艺探讨

韦生1，费东1，田雷1，徐连勇2，韩永典2，郭靖2

（1.海洋石油工程（青岛）有限公司建造公司设计部，山东青岛266520； 2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072）

摘要：钛及钛合金由于具有优异的性能而广泛应用于航空航天、石油化工、船舶工业等领域。本文分析了钛合金的焊接性，综述国内钛合金焊接技术发展现状。

关键词：钛及钛合金；焊接性；焊接工艺

中图分类号：457.19文献标志码：B

文章编号：1002－025X(2013)04-0073-03

0简述

钛及钛合金由于具有密度小、强度高、耐腐蚀等优点而广泛应用于航空航天、石油化工、船舶工业等领域。钛制设备虽然一次性投资较高，但全寿命费用较低，经济效益明显。目前，钛合金管材越来越多地应用到各个行业，如在石油、化工、能源等工业中，作为海水淡化技术领域的结构材料等。对于钛及钛合金的焊接性及焊接工艺开发的研究工作，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1钛及钛合金焊接性分析

钛是一种银白色的金属，主要物理性能为：密度4．5g/cm3，熔点1688℃，比热容522J/（kg·K），热导率16J/（m·s·K）。钛密度较小，强度较高，具有良好的塑、韧性。钛有2种晶格结构：882℃以下为密排六方晶格结构，称为α钛；882℃以上为体心立方晶格结构，称为β钛。

钛是较难焊接的金属，极易氧化、氮化、脆化。常见的焊接缺陷主要有3种：焊接接头发生脆化、焊接接头出现裂纹、焊接接头中产生气孔。

O，N，H，C常作为杂质元素出现在钛合金中，这些元素本身以及它们的化合物的出现将会严重影响钛的力学和耐蚀性能。在常温下，钛及钛合金能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐蚀性。然而，随着温度的升高，钛及钛合金吸收氧、氮及氢的量明显增加，钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。氢是影响钛性能的有害元素之一，它会导致钛的塑性与韧性降低，发生氢脆。在冷却时，焊缝中的氢来不及逸出会产生气孔，故一般要求钛材中氢含量＜0.15％。钛在600℃以上与氧、氮化合，使焊接接头的塑性韧性下降，引起气孔和裂纹。钛还极易与碳反应生成脆性的碳化物，降低塑性并影响焊接工艺可靠性。为了避免上述问题带来的危害，焊接过程中必需妥善保护那些受焊接热源影响而温度高于250℃的区域。

另外，Fe的存在会严重影响钛的耐腐蚀性能和综合力学性能。铁元素的分布不均匀现象会导致富Fe相区与贫Fe相区的出现，并且由此建立起自发电池，产生电偶腐蚀行为；此外，Fe会加速H的吸收，易产生氢致裂纹，造成氢脆破坏。因此，在焊接钛合金时要重视Fe的污染带来的影响。

钛的弹性模量较低，焊后很容易产生较大的焊接变形；钛的冷变形回弹能力强，容易给矫形带来困难。因此，在制订焊接工艺时，必须考虑到如何预防焊接变形。

为了避免出现常见的焊接缺陷，同时保证焊缝的力学性能和耐腐蚀性，在焊接钛时，必须制订合理的焊接工艺，以确保焊接质量。目前焊接钛及钛合金采用最多的方法是钨极氩弧焊，而熔化极氩弧

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焊接技术第42卷第4期2013年4月

焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等方法也得到了不同程度地应用。下面简要介绍采用上述几种焊接方法焊接钛及钛合金。

2钛焊接常用的焊接工艺

2.1钨极氩弧焊

钨极氩弧焊是焊接钛合金最常用的焊接方法，主要用于厚10mm以下钛及钛合金的焊接。TIG焊时，焊接设备采用直流氩弧焊机，并且采用直流正接。焊接设备应采用逆变电源、电源衰减装置以及高频引弧装置。用于钨极氩弧焊的氩气为一级氩气，其纯度在99．99％以上，杂质的总质量分数不超过0．02％，露点低于-40℃，空气相对湿度不超过5％，水分含量不大于0．001mg/L。氩气流量的选择，以得到良好的焊缝表面色泽为准。钛会与氧接触，在表面形成一层氧化膜，并且该氧化膜的颜色会随着自身形成时的温度不同而出现差异。JB/T4745—2002中规定焊后表面出现银白色氧化膜，则表明气体保护效果最佳，当颜色为金黄色时，保护效果也可以接受，其他颜色则为不合格。为了得到良好的氩气保护效果，焊接时若发现氩气瓶的压力降至1MPa，就应停止使用。选用精确的氩气流量计以控制气流量，送气软管选用塑料管，不宜采用橡胶管输送氩气。焊丝的选择：填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同，同时要求焊丝中的有害杂质越少越好。为了得到更好的焊接质量，必要时还可以使用环缝气体保护拖罩，保护罩的材质应当选用奥氏体不锈钢或铝、铜。

2.2熔化极氩弧焊

熔化极氩弧焊比钨极氩弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，采用直流反接方法。为了避免焊枪摆动而影响保护效果及扩大热影响区，宜采用直线行进方式焊接。为了减小气孔倾向宜进行慢速焊接，同时要采用杂质少的焊丝，并注意焊接工作环境。2.3等离子弧焊

采用氩气保护的等离子弧焊也常用于钛及钛合金的焊接。等离子弧焊接使用恒流电源的直流（棒状负极）产生的传热型等离子体。等离子弧焊时，常常通过在氩气中添加5％～7％的氢来避免产生钛的氢化物，使用无氢的纯氩气或氩与氦的混合气体来提高电弧的收缩性。但在焊接钛及钛合金时，为了采用小孔法焊接时，可焊钛板厚度为1.5～15mm；当钛板厚度小于1.5mm时，应当采用熔入法试焊，同时加反面成形垫；而板厚在0.5mm以下时，应当采用微束等离子弧进行焊接才能保证焊接质量。郭必新对TC4钛合金的等离子弧焊接工艺进行了研究，提出了焊接工艺及条件。廖志谦、王忠平对TA5钛合金板材进行了等离子弧焊接工艺研究，利用等离子的小孔效应，实现了厚12mm的TA5钛合金板材的单道焊双面成形，并且提出等离子弧焊接接头的强度与母材的相当，塑性、韧性较母材的有所降低。

2.4电子束焊

电子束焊接目前也越来越多地应用到钛合金板材的焊接中。电子束焊是对电子束加速并将其撞击工件表面，实现动能和热能之间的转化，熔化被焊金属。真空电子束焊，由于在真空条件下进行，杜绝了空气对焊缝的影响，可完全防止大气污染，易获得质量高于非真空环境下得到的焊缝。真空电子束焊接还具有深宽比大、热影响区小的优点，这是因为电子束焊的能束焦点小、热量集中。电子束焊焊后产生的晶粒大多是较均匀的等轴晶，焊接接头有较高的强度，但塑性相对降低。当然，在真空室焊接时会限制工件的形状和尺寸。

国内也对钛合金电子束焊接进行了相关研究。张聃、陈文华、王成国、董丰波等人针对厚度为6 mm的TA12钛合金板材采用电子束焊接方法，然后进行了焊接接头性能分析。结果表明在室温和550℃时，焊接接头强度与母材的相当。吴冰、张建勋等人研究了电子束焊接TA12厚板后的残余应力分布。

2.5激光束焊

激光束焊穿透能力不如电子束焊，对于大厚度钛板的焊接电子束焊比电子束焊更有优势。激光焊接具有能量密度高的特点，常用于精密零件的焊接，

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