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，但是塑性显著降低。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、αβ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 TiAISn 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，具有许多显著特点，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著，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，合冲击性能显著降低；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， 使塑性却显著降低。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（ riN）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著。 （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0.13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0.1，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TiH2 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。 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