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。故在焊接时应采用小电流、高焊速的焊接规范。

2.钛及钛合金焊接组织。工业纯钛及α钛合金的焊接组织在常温下是单相，根据冷却速度的不同，生成锯齿状或针状组织。各种机械性能与基材相比没有大

的变化，焊接性能良好。α+β钛合金在从β相冷却的过程中，形成马氏体（α′相），α′相的数量和性质按合金组成和冷却速度而变化。一般情况下，随α′

相的增加，合金的延性、韧性降低。即使是焊接性良好的 Ti-6Al-4V，当β稳

定元素钒含量在 5%以上时，焊接性能下降。β钛合金的马氏体生成温度低于室温，焊接处是亚稳定β相，所以焊接性不劣化。但因合金元素添加过多，往往

缺乏延性。另外，时效和冷加工使合金强度提高，而焊接会使强度有所损失，故

不大采用焊接接合。

3．钛及钛合金焊接焊缝缺陷。钛及钛合金的焊接中易产生气孔，细小且数

量多。钛及钛合金的焊接中气孔似乎是不可避免的焊接缺陷，形成气孔的因素很多，且很复杂。一方面有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存

在氧化物等直接因素，这些气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属

中形成的。气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或

氮化钛；另一方面，还有一些间接因素包括氩弧焊时焊接电流过大，焊接速度过

快以及坡口角度太小等。但一般认为：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散逸出，而聚集在一起形成气孔。为防止气孔的产生，需采

取的措施如下：（1）严格控制基体金属、焊丝、保护气体氩气中氧、氮、氢等

杂质气体的含量；（2）采用等离子弧焊，特别是脉冲等离子弧焊接比用氩弧焊

气孔少；（3）焊前彻底清洗板材、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物；（4）

增加熔池停留时间便于气泡逸出，可有效地减少气孔。即采用低速焊和焊道重熔等。（5）焊件、焊丝在焊前进行真空处理。这不仅可以改变焊件、焊丝的氢含量，而且能改变焊件、焊丝的表面状态。

三、钛及钛合金焊接工艺和焊接种类分析

1. 钛及钛合金钨极氩弧焊工艺。一般而言，钨极氩弧焊工艺是在进行钛及

钛合金焊接过程中最为常用的一种焊接手段，钨极氩弧焊是连接薄板和链接打底

焊中最为适宜的焊接工艺。此类焊接工艺要求对相关工艺参数进行合理选择，因

为只有选择适合焊接工艺的焊接工艺参数，才能在一定程度上提高焊接效率。钨

极氩弧焊工艺主要缺陷就是其焊速相对较慢且焊接过程中焊件会产生变形，此时

相应焊缝组织会显得极为粗大。活性焊剂会对钛及钛合金焊接工作造成不小影响，在同等焊接条件下，焊缝熔深会有所增加，同时焊缝宽度会被减小，此时若降低

热输入，那么晶粒尺寸也会降低。活性剂配方是我们在焊接过程中所要考虑的重

点事项，因为受作用机理不同所影响，种类较好的单作用材料被实施混合后其效

果会下降，所以应在进行具体焊接施工的过程中要加大活性剂研发力度。

2.钛及钛合金等离子弧焊工艺。众所周知，等离子弧焊工艺的相关焊接范围

较窄，并且等离子弧焊的焊接性较差，同时等离子弧焊重复性差的特点会造成等

离子弧焊工艺技术发展停滞不前。我们应该知道，掌握影响钛及钛合金焊接稳定

因素和了解钛及钛合金焊接稳定性作用规律是进行焊接工艺施工的首要工作，之

后在此基础上运用现代化焊接控制技术以至提高钛及钛合金焊机自动化程度和准

确合理控制等离子弧焊精确化程度。在等离子弧焊工艺中，其接头拉伸性与相应

母材性能都比较良好，但是等离子弧焊焊缝冲击韧性却不尽人意，此时β相和

马氏体针状α相二者与等离子焊接接头拉伸性能以及等离子弧焊焊接接头冲击

性能都是以相对应形式出现的，但其塑性较低。

3. 钛及钛合金真空电子束焊工艺。真空电子束焊比较适用于钛及钛合金焊接，因为真空电子束工艺中其焊接冶金质量高并且其焊缝较其他焊接工艺相比较窄，同时焊缝晶粒及热影响区晶粒较为细小，上述因素并不会被空气污染。但真

空电子束焊工艺焊缝中容易出现大量气孔，并且结构尺寸会受到真空室限值，这