钛及钛合金的连接

《先进难焊材料的连接》

期末作业

——钛及钛合金的连接

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钛及钛合金的连接

摘要：钛及钛合金由于密度小、强度高、耐热耐腐蚀性能优异而广泛地应用于航空航天、石化工、造船等部门。目前高性能的飞机、坦克正在采用钛合金部件，而且在石油化工部门中钛合金部件使用的范围也正在逐渐扩大。而钛合金在飞机及其发动机和石油化工部门上的应用，不可避免需要使用焊接手段进行连接，这对扩大钛合金的应用范围具有重要的意义。本文主要是对有关钛及钛合金的连接做一定的综合评述。

关键词：钛及钛合金;焊接材料；焊接技术；应用及发展现状

一、引言

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。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，潘际銮等人把它分为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、钛及钛合金的分类及特点

钛是一种具有机械和腐蚀性能优异的金属材料且强度大、密度小，仅为钢的57%，具有良好的热稳定性及低韧性。同时因为钛对卤素化合物、有机酸氧化性酸类具有良好的耐蚀性在氯碱、尿素、硝酸生产中得到广泛的应用。根据钛合金退火状态的室温组织钛合金可分为三种类型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—Al系合金和TA7、TA8型的Ti—Al系合金。这种合金室温下，其强度可达到931N/mm,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。

三、钛及钛合金的焊接性分析

3.1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

3.2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。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较小,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TiH2量增加，增大热影响区脆性。

3.3焊缝中的气孔问题

钛及钛合金焊接时，气孔是常遇到的问题。形成气孔的直接原因是由于氢影响的结果。防止产生气孔的工艺措施主要有：①保证氖气的纯度纯度不低于99.99%。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，可有效地减少气孔的出现。

四、钛及钛合金的焊接材料

4.1.填充金属

一般来说，钛及钛合金焊接时，填充金属与母材的标称成分相同，为改善接头的韧、塑性，有时采用强度低于母材的填充金属。例如，工业纯钛（TA1、TA2不用TA3）作填充金属焊接TA7和厚度不大的TC4用TC3焊TC4。为了改善焊缝的韧塑性，填充金属的间隙元素含量较低。一般只有母材的一半左右，例如W（O）≤0.12%；W（N）≤0.03%；W（H）≤0.06%；W（C）≤0.04%。充金属直径1-3mm。因为具有较大表面积/体积比。如果焊丝表面稍有沾污，焊缝可能被严重污染。焊丝缺陷如裂纹皱折等会聚集污染物，又难于清理。故这种焊丝不能应用。焊前焊丝应认真清理，去除拉丝时附着的润滑剂；也可用硝酸、氢氟酸水溶液清洗，以确保表面清洁。

4.2.保护气体

一般采用氩气，只有在深熔焊和仰焊位置焊接时，有时才用氩气，前者为增加熔深后者为改善保护。为保护效果，一般采用一级纯氩σ（Ar）其露点低于-60℃，由于橡皮软管会吸气，一般不采用多用环氧基或乙烯基塑料软管输送保护气体。

焊接工艺参数!焊接钛及钛合金时，由于有晶粒粗化倾向，尤其是钛合金的焊接尽量采用较小的焊接热输入。最好是使温度刚好高于形成焊缝所需达到的最低温度。如果热输入量过高，则焊缝被污染、变形和变脆的可能性增大。

五、钛及钛合金的焊接工艺

钛及钛合金性质非常活泼，与氧、氮、氢的亲和力大，普通焊条电弧焊、气，气体保护焊都不适用于钛及钛合金的焊接。应用最多的是惰性气体保焊及CO

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护焊。近年来，等离子弧焊、真空电子束焊、电阻焊、钎焊和扩散焊都有应用。

5.1钨极氩弧焊

分为敞开式焊接和箱内焊接，它们又各自分为手工焊和自动焊。敞开式焊接即普通氩弧焊，它靠焊矩喷嘴，拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩或氩氦混合气，将焊接高温区与空气隔开以防空气沾污焊接高温区，氦气也可单独作为保护气，并有熔深大的优点。

喷嘴结构和尺寸对焊接质量影响极大，喷嘴结构不合理时会出现涡流或刚度不大的层流，前者会带入空气，空气进入电弧区，沾污溶池，使焊缝金属冶金质