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、(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