钛合金焊接通用知识

钛及钛合金

1 物理化学性能

良好的耐腐蚀性能（常温表面形成致密氧化膜），优于不锈钢10倍，在还原性介质中稍差，经氮化处理后增强；比强度大。

工业用量最大的是TC4，其次是工业纯钛和TA7。

纯钛抗拉强度350-700Mpa，伸长率20-30%，冷弯角80-130，具有良好的低温性能，线膨胀系数和热导率小，利于焊接。

钛合金中合金元素分类

工业纯钛在化学工业得到广泛应用，w(Pd)0.2%的钛-0.2Pd合金抗间隙腐蚀能力比工业纯钛好。

TA7（美国称ELI级）具有良好的超低温性能，ONH等间隙元素含量很低，可用于液氢、液氦贮箱和其他超低温构件。

钛合金分为α、β、α+β相，牌号分别为TA、TB、TC。

α型钛合金不能热处理强化，可进行退火消除残余应力；

α+β型钛合金可热处理强化，代表合金TC4，淬火-时效处理比退火状态抗拉强度提高180Mpa，综合性能良好，广泛应用于航空航天工业，缺点是淬透性较差，不超过25mm，为此发展了高淬透性和强度略高的TC10。

TB2钛合金是近年研制的高强钛合金，属于亚稳β合金，强度高、冷成形性好、焊接性尚可。Ti-33Mo

属于稳定β合金，耐腐蚀非常好。

常用钛及钛合金室温力学性能见表13-3

2 钛及钛合金的焊接性

2.1 间隙元素玷污引起脆化

钛是一种活性金属，常温下与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。

540℃以上生成的氧化膜不致密，300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，在空气中容易进行。必须对其焊缝及热影响区进行保护，焊接过程中，要求对其400以上区域进行保护。

O和N间隙固溶于钛，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性下降。

H含量增加，焊缝金属冲击韧度急剧降低，而塑性下降较少，氢化物引起脆性。

C间隙固溶于α型钛合金中，强度提高，塑性下降，超过溶解度时生成硬而脆的TiC，呈网状分布，易于引起裂纹，焊前应注意清理工件及焊丝上的油污。

2.2 焊接相变引起的性能变化

由于钛熔点高，比热及热到系数小，冷却速度慢，焊接热影响区在高温下停留时间长，使高温β晶粒极易过热粗化，接头塑性降低。

2.2.1 α型钛合金

工业纯钛，TA7和耐蚀合金Ti-0.2Pd。

合金焊缝和热影响区是锯齿状α和针状α组织。焊接性能良好，接头强度系数接近100%，塑性稍差，原因为：焊缝为铸造组织，比轧制状态塑性低；粗晶；焊接时若加快冷却，易产生针状α组织，对接头塑性不利，冷速以10-200℃/s较好，太慢过热，太快易产生针状α组织。

2.2.2 α+β型钛合金

TC1、TC4、TC10三种，室温平衡组织为α+β。

TC1合金退火状态下β相少，焊接性能良好，冷却速度以12-150℃/s较好；

TC4合金以α相为主，加热到β转变温度996±14℃以上快冷时β-α’，α’为钛过饱和针状马氏体，晶粒粗大的原始β相晶界清晰可见。焊接接头塑性，特别是断面收缩率较低，但断裂韧性较高，可提高20%。TC4合金可淬火状态下焊接，焊后时效。退火状态下焊接时接头强度系数可达100%，塑性约为母材的一半，焊接时合适的冷却速度2-40℃/s，可以采用较大的热输入，不宜采用太小的热输入。

TC10合金元素含量较高，焊接性较差，12mm合金焊接时会出现热影响区裂纹。预热250℃可预防裂纹并能提高接头塑性。

2.2.3 β型钛合金

分为亚稳和稳定两种，亚稳是β相（TB2）加入极少量α相，焊后热处理析出α相，容易引起脆性。TB2合金抗拉强度可达1320Mpa，焊后进行520-580℃、8h时效处理，接头强度可达1180Mpa，伸长率可达7%，而经500℃、8h×620℃、0.5h时效处理，接头强度可达1080Mpa，伸长率可达13% Ti-33Mo合金组织为稳定β相，耐腐蚀钛合金，焊接时无相变，焊接性良好。

2.3 裂纹

S、P、C等杂质很少，低熔点共晶很难在晶界出现，有效结晶温度区间窄，加之焊缝凝固时收缩量小，因此很少出现焊接热裂纹。但当焊丝有裂纹、夹层等缺陷，含有大量有害杂质时可能出现热裂纹。

保护不良或α+β型钛合金中含β稳定元素较多时会出现热应力裂纹和冷裂纹。加强焊接保护，防止有害杂质玷污和焊前预热，焊后缓冷可以减少甚至消除热应力裂纹和冷裂纹。

钛合金焊接时，热影响区可能出现延迟裂纹，这是由于焊接时熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩

散，引起热影响区氢含量增加，生成氢化钛，加上不利的应力状态引起的。应降低焊接接头氢含量，选用氢含量低的材料（包括焊丝、母材、氩气），注意焊前清理，焊后进行真空去氢处理，及时消除残余应力。

薄壁α+β型钛合金用工业纯钛做填充材料时不会出现氢化钛，厚板α+β型钛合金多层焊时，若用工业纯钛做填充材料可能出现氢化钛并引起氢脆。

2.4 气孔

焊接热输入量大时，气孔位于熔合线附近，热输入量小时，气孔位于焊缝中部。

气孔能使疲劳强度降低一半甚至3/4。

一般情况下，氢不是气孔主要来源，焊丝和坡口表面清洁度是影响气孔最主要因素，如拉丝时表面润滑剂、磨粒、增塑剂、粗糙端面等。去掉毛刺和减少表面粗糙度可以大大减少气孔。

熔池停留时间增加使气泡浮出，周围气体扩散促使气泡长大。

3 焊接材料和工艺

3.1 焊接材料

一般填充金属与母材标称成分相同，为改善接头韧性、塑性，有时采用强度低于母材的填充材料，如用TA1TA2焊接TA7和厚度不大的TC4，用TC3焊TC4。填充金属的间隙元素含量要低于母材一半，如w(O)<0.12%,w(N)<0.03%,w(H)<0.006%, w(C)<0.04%,填充丝直径1-3。

保护气，以及纯氩99.99%，露点低于-60℃。用环氧基或乙烯基塑料软管输送保护气。增加熔深可用氦气。

3.2 焊前清理

除油：3%氢氟酸-35%硝酸水溶液，低于40℃防止增氢。或机械磨光、刮削待焊表面用无水乙醇清洗；

除氧化皮：不锈钢丝、锉刀，喷丸、蒸汽喷沙；磨削，用碳化硅砂轮。

3.3 钨极氩弧焊

喷嘴直径16-18

厚度大于1mm的焊件用托罩，宽25-60mm，长40-100mm，分布管靠近进气一侧钻有直径0.8-1mm 小孔，孔距10mm，经不锈钢网或多孔板（厚0.8-1mm，孔径1mm，距离8-10mm）进入保护区。自动焊托罩长60-200mm。距焊件距离10-20mm。自动焊时加冷却水。

注意保护焊缝背面。钛及合金密度小，熔池表面张力大，焊漏可能性比钢小，只要保护良好，容易获得良好的背面成形。为加强冷却，自动焊背面垫板采用纯铜板，凹槽深2mm，宽3-8mm，槽下有通气孔，孔径1.0mm，孔距10mm，通氩气。

真空充氩舱，刚性采用不锈钢制造，柔性采用薄橡胶、透明塑料制造。抽真空1.3-13Pa，充氩气或氩-氦混合气焊接。