钛及钛合金焊接方法

钛及钛合金焊接方法钛及钛合金焊接方法 钛具有比强度高、耐海水及其他介质的腐蚀、耐低温，以及高温下具有高的疲劳 强度、低的膨胀系数、良好的可加工性等优点，用其建造的结构在任何自然环境 中都能充分发挥其作用。 在舰船应用中， 除利用其耐海水腐蚀和高比强度特点外， 还有无磁、透声、抗冲击震动等优点，钛及钛合金在舰船中的使用大大延长了设 备的使用寿命，减轻了重量，提升了设备及整舰船的技术战术性能，因此钛是一 种优秀的舰船结构材料。 焊接作为一种重要的金属加工工艺， 在工业生产和国防建设中起着重要作用。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，各种焊接技术有着广阔的应用前景。随着钛工业的发展，其 焊接技术也越来越引起人们的重视。钛的熔点较高、导热性较差，因此在焊接时 易因参数选用不当形成较大的熔池，并且熔池温度高，这使得焊缝及热影响区金 属在高温停留的时间较长，晶粒长大倾向明显，使接头塑性和韧性降低，导致产 生裂纹。所以钛及钛合金的焊接工艺方法是一个需要不断解决完善的问题。 钛及其合金焊接特点 1 钛及其合金的物理化学性能 钛具有 2 种同素异形体，分别以 α 和 β 来表示，转变温度为 882.5℃，其低温 晶体 α 为密排六方晶格，在 882.5℃以上稳定的 β 晶体为体心立方晶格。 钛的导热性较差，其导热系数比不锈钢略低。当钛中存在杂质时，其导热系数则 有所下降。表 1 列出了工业纯钛与其他金属材料主要物理性能的比较。 2 钛合金的焊接组织 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。各种机械性能与母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发生变化。一般情况下，随 α 相的增加，合金的 延伸性、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，往往缺乏延伸性。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 钛合金的焊接缺陷 3.1 焊接接头区的脆化 钛及钛合金焊接区易受气体等杂质的污染而产生脆化。造成脆化的主要元素有 O、 N、H、C 等。常温下钛及钛合金比较稳定，但随着温度的升高，钛及钛合金吸收 O、 N、 H 的能力也随之明显上升。 Ti 从 250℃开始吸收氢， 从 400℃开始吸收氧， 从 600℃开始吸收氮。氮和氧对接头强度和弯曲塑性影响较大，随着焊缝中氮氧 含量的增加，接头强度升高，弯曲塑性降低，氮的影响大于氧。氢主要影响接头 的冲击韧性。 3.2 焊接区裂纹倾向 （1）热裂纹。 由于钛及钛合金中含 S、P、C 等杂质较少，很少有低熔点共晶在晶界处生成， 而且结晶温度区间很窄，焊缝凝固时收缩量小，因此热裂纹敏感性低。 （2）冷裂纹和延迟裂纹。 当焊缝含氧、氮量较高时，焊缝性能变脆，在较大的焊接应力作用下，会出现裂 纹，这种裂纹是在较低温度下形成的。 在焊接钛合金时，热影响区有时也会出现延迟裂纹，氢是引起延迟裂纹形成的主 要原因。防止延迟裂纹的办法，主要是减少焊接接头处氢的来源，必要时可进行 真空退火处理，以减少焊接接头的氢含量。 3.3 焊缝气孔 气孔是钛及钛合金焊接中较为常见的缺陷，O2、N2、H2、CO2、H2O 都可能引起 气孔。 钛及钛合金焊缝气孔大多分布在熔合区附近，这是钛及钛合金气孔的一个 特点。 焊缝中的气孔不仅造成应力集中，而且使气孔周围金属的塑性降低，甚 至导致整个焊接接头的断裂破坏，因此须严格控制气孔的生成[5]。 钛及其合金焊接方法与研究现状 1 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是钛及其合金最常用的方法, 它是连接薄板和打底焊的一种极好的 方法，通过选用合适的工艺参数可以实现较为良好的焊接。其不足是焊速较慢、 焊件变形较大、 焊缝组织较粗大[6]； 焊缝中易生产气孔以及钨夹杂等焊接缺陷； 焊接过程易出现气体保护不良而影响焊缝质量等。TIG 焊的脉冲频率对钛合金的 晶粒尺寸和形态都有影响，脉冲频率过高或过低时，焊缝区均为柱状晶，强度较 低，频率适中时为等轴晶，对应的强度也高一些。近些年来印度对钛合金的TIG 焊研究相对较为全面[7]。 M. Balasubramaniana 等通过对钛合金（Ti-6Al-4V）进行脉冲电弧焊实验研究 发现晶粒尺寸和硬度与焊接参数之间具有如下关系 晶粒尺寸 G S 81.43-18.33P -14.17B-10.83F15T25.68P218.18B2 61.93F2 25.68T2； 硬度 H472.158.54P-6.87B4.38F-5.62T 17.57P2-12.57B2-36.32F2 -15.07T2 1.56PF。 其中，P 表示峰值电流，A；B 表示基值电流，A；F 表示频率，Hz；T 表示时间。 经过试验测定，该模型预测晶粒尺寸和硬度的准确率可以达到 99 的水平。 Balasubramanian 等[9]通过对脉冲 TIG 焊接参数对腐蚀行为影响的研究又发现， 随着脉冲峰值电流的增加和脉冲频率的增大，接头的抗腐蚀能力上升，达到最优 值后，随着脉冲峰值电流和脉冲频率的继续增加，抗腐蚀能力下降，同时随着晶 粒纯度的增加抗腐蚀能力也会增大。但是对于能否在保证腐蚀最小的情况下，其 他性能亦保持在较好的水平，可以通过上面公式计算出晶粒尺寸和硬度，从而预 测其可能具有的性能。 国内较为关注的是A-TIG焊方法, 该方法是近10年来发展起来的增大焊接熔深， 改善焊缝成形和焊接质量，提高焊接生产效率的新技术。 对 A-TIG 焊熔深，Liu 等[10]采用单一活性焊剂试验后发现，在相同的工艺参数 下，A-TIG 焊的熔深较传统 TIG 焊大幅提高。进一步的试验结果表明氟氯化物活 性剂能增加焊接熔深，即氟氯化物是增加钛合金熔深的主要因素[11]。 李晓红等通过试验确定，活性焊剂对钛合金焊缝成形的影响是非常明显的在同 等条件下不仅增大焊缝的熔深，减小焊缝的宽度，降低焊接时的热输入，还明显 减小焊缝的晶粒尺寸；对不同厚度的钛合金材料进行 A-TIG 焊时， 其焊缝的结晶 形态是一致的，呈对向式从两侧母材向焊缝中心线上生长； A-TIG 焊时焊缝的 横剖面形状与 TIG 焊时有很大差异，其形状呈现出单面焊双面成形的杯状特征， 该形貌特征对焊缝力学性能有改善。 作为技术核心的活性剂配方是制约该项技术发展的瓶颈。 由于对配方的研究较为 复杂， 国内通过引进和正交试验以及均匀试验法等找寻合适的材料，由于作用机 理不同，较好的单独作用的材料混合后，效果可能下降，因此对活性剂的研究还 需要进一步的实验研究探索。 2 等离子弧焊 由于等离子弧焊的焊接规范窄， 焊接稳定性及重复性差的缺点已经成为制约等离 子弧焊工业应用进程及自身技术发展的突出障碍。20 世纪 90 年代以来，由于等 离子弧焊接设备制造水平及控制技术不断提高， 等