钛合金焊接工艺

关键词：焊接；钛合金；焊丝；氩气；氩弧焊

摘要：本文阐述了钛及钛合金的材料特点及焊接性、并针对钛及钛合金焊接中易产生氧化、裂纹、气孔筹焊接缺陷，进行了焊接性试验。能过对钛及钛合金焊接工艺规范的不断摸索，以及对试验过程出现的问题的合理分析，总结出钛及钛合金焊接工艺特点及操作要领。

一、钛及钛的分类及特点

国产工业纯钛有TA1、TA2、TA3三种，其区别在于含氢氧氮杂质的含量不同，这些杂质使工业纯钛强化，但是塑性显着降低。工业纯钛尽管强度不高，但塑性及韧性优良，尤其是具有良好的低温冲击韧性；同时具有良好的抗腐蚀性能。所以，这种材料多用于化学工业、石油工业等，实际上多用于350℃以下的工作条件。根据钛合金退火状态的室温组织，可将钛合金分为三种类型：α型钛合金、(α+β)型钛合金及β型钛合金。α型钛合金中，应用较多的是TA4、TA5、TA6型的Ti-AI系合金和TA7、TA8型的Ti+AI+Sn合金。这种合金室温下，其强度可达到931N /mm2，而且在高温下（500℃以下）性能稳定，可焊性良好。β型钛合金在我国的应用量较少，其使用范围有待进一步扩大。

二、钛及钛合金的焊接性

钛及钛合金的焊接性能，具有许多显着特点，这些焊接特点是由于钛及钛合金的物理化学性能决定的。

1.气体及杂质污染对焊接性能的影响

在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但试验表时，在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃左右开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。

（1）氢是影响氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显着，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2强度很低，故片状或针状卫HiH2的作用例以缺口，合冲击性能显着降低；焊缝含氢量变化对强度的提高及塑性的降低的作用不很时显。

（2）氧的影响氧在钛的α相和β想中都有有较高的熔解度，并能形成间隙固深相，使用权钛的晶伤口严重扭曲，从而提高钛及钛合金的硬度和强度，使塑性却显着降低。为了保证焊接接应的性能，除了在焊接过程中严防焊缝及焊按热影响区发主氧化外，同时还应限制基本金属及焊丝中的含氧量。

（3）氮的影响在700℃以上的高温下，氮和钛发生剧作用，形成脆硬的氮化钛（r iN）而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更为严重，因此，氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显着。

（4）碳的影响碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为%时，碳因深在α钛中，焊缝强度极限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时，焊缝却出现网状TiC，其数量随碳含量增高而增

多，使焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹。因此，钛及钛合金母材的含碳量不大于%，焊缝含碳量不超过母材含碳量。

2.焊接接头裂纹问题

钛及钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上，加之有效结晶温度区间窄小，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。钛及钛合金焊按时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢弹的扩散有关。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出Ti H2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源，发票时，也呆进行冥空遏火处理。

3.焊缝中的气孔问题

钛及钛合金焊接时，气孔是经常碰到的问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。防止产生气孔的工艺措施主要有：（1）、保护氖气要纯，纯度应不低于% （2）、彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物。（3）、对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。（4）、正确选择焊接工艺参数，增加深池停留时间使用权于气泡逸出，可有效地减少气孔。

三、钛板手工钨板氩弧焊焊接试验

钛及钛合金焊接生产中应用最多是钨板氩弧焊，真空充氩焊接方法应用也很普遍。氩弧焊的电弧在氩气流的保护与冷却作用下，电弧热量较为集中，电流密度高，热影响区小，焊接质量较高。

1.钛及钛合金焊接时，当温度高于500℃~700℃时，很容易吸收空气中的气、氢和氮，严重影响焊接质量。因此，钛及钛合金焊接时，对熔池全面及高温部信（400℃~650℃以上）的焊缝区必须严加保护，为此，钛及钛合金焊接时必须采取特殊的保护措施，即采用喷尺寸较大的焊矩，以扩大气体保护区面积，当喷嘴不足以保护焊缝及近缝区高温金属时，需附充氩保护拖罩。焊缝和近缝区颜色是保护效果的标翅。银白色表示保护效果最好，黄色为轻微氧化，一般是允许的。表面颜色应符合表（1）规定。

考虑到工程使用的实用性、高效性，我们先制备了一个简易拖罩。如图(a)，氩气从进气口进入分布管，穿过分布管孔直接进入保护区。采用这种拖罩，焊接保护效果不是很好，焊道呈深蓝色。据分析是气流从分布管直接进入保护区。气流不是很均匀、平稳，使高温焊道保护不好被氧化。因此我们进一步改进了拖罩的结构，如图（b），氩气从进气孔进入分布管后经拖罩顶部下返；穿过多孔板，多孔板主要起气筛和分布的作用，使氩气流动更平稳，焊接保护效果较好，焊道呈银色或江黄色。拖罩长充L为40~100mm材质为黄铜。钛及钛合金氩弧焊时，还应注意焊道的北面保护，考虑到焊接变形，我们采用开槽固定铜垫板的方法进行充氩保护，为了使焊道背面行到充分保护，又在糟中加一多孔铜管，使氩气经铜