摘要：本文闡述了鈦及鈦合金的材料特點及焊接性、并針對鈦及鈦合金焊接中易產(chǎn)生氧化、裂紋、氣孔籌焊接缺陷，進行了焊接性試驗。能過對鈦及鈦合金焊接工藝規(guī)范的不斷摸索，以及對試驗過程出現(xiàn)的問題的合理分析，總結(jié)出鈦及鈦合金焊接工藝特點及操作要領(lǐng)。

一、鈦及鈦的分類及特點 　

國產(chǎn)工業(yè)純鈦有TA1、TA2、TA3三種，其區(qū)別在于含氫氧氮雜質(zhì)的含量不同，這些雜質(zhì)使工業(yè)純鈦強化，但是塑性顯著降低。工業(yè)純鈦盡管強度不高，但塑性及韌性優(yōu)良，尤其是具有良好的低溫沖擊韌性；同時具有良好的抗腐蝕性能。所以，這種材料多用于化學工業(yè)、石油工業(yè)等，實際上多用于350℃以下的工作條件。根據(jù)鈦合金退火狀態(tài)的室溫組織，可將鈦合金分為三種類型：α型鈦合金、(α+β)型鈦合金及β型鈦合金。α型鈦合金中，應用較多的是TA4、TA5、TA6型的Ti-AI系合金和TA7、TA8型的Ti+AI+Sn合金。這種合金室溫下，其強度可達到931N/mm2，而且在高溫下（500℃以下）性能穩(wěn)定，可焊性良好。β型鈦合金在我國的應用量較少，其使用范圍有待進一步擴大。

二、鈦及鈦合金的焊接性 　

鈦及鈦合金的焊接性能，具有許多顯著特點，這些焊接特點是由于鈦及鈦合金的物理化學性能決定的。 　

1.氣體及雜質(zhì)污染對焊接性能的影響 　

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。但試驗表時，在焊接過程中，液態(tài)熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態(tài)下，這些氣體已與其發(fā)生作用。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃左右開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。 　

（1）氫是影響氫是氣體雜質(zhì)中對鈦的機械性能影響最嚴重的因素。焊縫含氫量變化對焊縫沖擊性能影響最為顯著，其主要原因是隨縫含氫彈量增加，焊縫中析出的片狀或針狀TiH2增多。TiH2強度很低，故片狀或針狀衛(wèi)HiH2的作用例以缺口，合沖擊性能顯著降低；焊縫含氫量變化對強度的提高及塑性的降低的作用不很時顯。

（2）氧的影響 氧在鈦的α相和β想中都有有較高的熔解度，并能形成間隙固深相，使用權(quán)鈦的晶傷口嚴重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性卻顯著降低。為了保證焊接接應的性能，除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊按熱影響區(qū)發(fā)主氧化外，同時還應限制基本金屬及焊絲中的含氧量。 　

（3）氮的影響在700℃以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生劇作用，形成脆硬的氮化鈦（riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更為嚴重，因此，氮對提高工業(yè)純鈦焊縫的抗拉強度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。 　

（4）碳的影響 碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質(zhì)，實驗表明，當碳含量為0.13%時，碳因深在α鈦中，焊縫強度極限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用強烈。但是當進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀TiC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應力作用下易出現(xiàn)裂紋。因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不大于0.1%，焊縫含碳量不超過母材含碳量。

2.焊接接頭裂紋問題 　

鈦及鈦合金焊接時，焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質(zhì)含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易出現(xiàn)在晶界上，加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產(chǎn)生熱裂紋。鈦及鈦合金焊按時，熱影響區(qū)可出現(xiàn)冷裂紋，其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時甚至更長時間稱作延遲裂紋。經(jīng)研究表明這種裂紋與焊接過程中氫彈的擴散有關(guān)。焊接過程中氫由高溫深池向較低溫的熱影響區(qū)擴散，氫含量的提高使該區(qū)析出TiH2量增加，增大熱影響區(qū)脆性，另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力，再加上氫原子向該區(qū)的高應力部位擴散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產(chǎn)生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源，發(fā)票時，也呆進行冥空遏火處理。

3.焊縫中的氣孔問題 　

鈦及鈦合金焊接時，氣孔是經(jīng)常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結(jié)果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。防止產(chǎn)生氣孔的工藝措施主要有：（1）、保護氖氣要純，純度應不低于99.99% （2）、徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機物。（3）、對熔池施以良好的氣體保護，控制好氬氣的流量及流速，防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，影響保護效果。（4）、正確選擇焊接工藝參數(shù)，增加深池停留時間使用權(quán)于氣泡逸出，可有效地減少氣孔。

三、鈦板手工鎢板氬弧焊焊接試驗 　

鈦及鈦合金焊接生產(chǎn)中應用最多是鎢板氬弧焊，真空充氬焊接方法應用也很普遍。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護與冷卻作用下，電弧熱量較為集中，電流密度高，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量較高。 　

1.鈦及鈦合金焊接時，當溫度高于500℃~700℃時，很容易吸收空氣中的氣、氫和氮，嚴重影響焊接質(zhì)量。因此，鈦及鈦合金焊接時，對熔池全面及高溫部信（400℃~650℃以上）的焊縫區(qū)必須嚴加保護，為此，鈦及鈦合金焊接時必須采取特殊的保護措施，即采用噴尺寸較大的焊矩，以擴大氣體保護區(qū)面積，當噴嘴不足以保護焊縫及近縫區(qū)高溫金屬時，需附充氬保護拖罩。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護效果的標翅。銀白色表示保護效果最好，黃色為輕微氧化，一般是允許的。表面顏色應符合表（1）規(guī)定。

考慮到工程使用的實用性、高效性，我們先制備了一個簡易拖罩。如圖(a)，氬氣從進氣口進入分布管，穿過分布管孔直接進入保護區(qū)。采用這種拖罩，焊接保護效果不是很好，焊道呈深藍色。據(jù)分析是氣流從分布管直接進入保護區(qū)。氣流不是很均勻、平穩(wěn)，使高溫焊道保護不好被氧化。因此我們進一步改進了拖罩的結(jié)構(gòu)，如圖（b），氬氣從進氣孔進入分布管后經(jīng)拖罩頂部下返；穿過多孔板，多孔板主要起氣篩和分布的作用，使氬氣流動更平穩(wěn)，焊接保護效果較好，焊道呈銀色或江黃色。拖罩長充L為40~100mm材質(zhì)為黃銅?！♀伡扳伜辖饸寤『笗r，還應注意焊道的北面保護，考慮到焊接變形，我們采用開槽固定銅墊板的方法進行充氬保護，為了使焊道背面行到充分保護，又在糟中加一多孔銅管，使氬氣經(jīng)銅管孔均勻的進入保護區(qū)，保護效果良好，焊道背面呈銀白色。手工鎢板氬弧焊焊接工藝及參數(shù)的選擇 （1）焊前準備 焊件和焊絲表面質(zhì)量對焊接接頭的力學性能有很大影響因此必須嚴格清理。鐵板及鈦焊絲可采用機械清理及化學清理兩種方法。1）機械清理對焊按質(zhì)量要求不高或酸洗有困難的焊件，可用細砂紙或不銹鋼絲刷擦拭，但最好是用硬質(zhì)合金黃色刮削鈦板，去除氧化膜。2）化學清理 焊前可先對試件及焊絲進行酸洗，酸洗液可用HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗后用凈水沖洗，烘干后立即施焊?；蛘哂帽?、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭鈦板坡口及其兩側(cè)（各50mm內(nèi)）、焊絲表面、工夾具與鈦板接觸的部分。（2）焊接設(shè)備的選擇 鈦及鈦合金金鎢板氬弧焊應選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源，且延遲遞氣時間不少于15秒，避免焊遭受到氧化、污染。（3）焊接材料的選擇 　氬氣純度應不低于99.99%，露點在-40℃以下，雜質(zhì)總的質(zhì)量分數(shù)<0.001%。當氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時，應停止使用，以防止影響焊接接頭質(zhì)量。原則上應選擇與基本金屬成分相同的鈦絲，有時為了握高焊縫金屬塑性，也可選用強度比基本金屬稍低的焊絲。（4）坡口形式的選擇 　原則盡量減少焊接層數(shù)和焊接金屬。隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計吸氣置增加，以至影響焊接接頭性能，又由于鈦及鈦合金焊接時焊接熔池尺寸較大，因此試件開單V型70~80°坡口。（5）試件組對及定位焊 為了減少焊接變形，焊前進行定位焊，一般定位焊間距為100~150mm，長度為10~15 mm。定位焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及氣體保護條件應與焊接接頭焊接時相同。間隙0~2mm，鈍邊0~1.0mm。（6）焊接參數(shù)選擇 如表（2）所示，我們通過對不同工藝下的焊接接頭性能的對比，摸索出較合適的焊接工藝規(guī)范。

工藝（1），焊接電流為150A、170A、180A，按此參數(shù)施焊，焊接接頭表面、呈現(xiàn)出深藍、金素色，說明接頭氧化較嚴重，不符合技術(shù)要求，此工藝不可取。

工藝（2），焊接電流相對降低為120A、150A、160A，按此參數(shù)施焊，焊縫表面呈現(xiàn)出金紫、深黃色，X射線探傷無缺陷，但機械性能彎曲試驗不合格，說明焊接接頭塑性顯著降低，達不到技術(shù)要求，此工藝同樣不可取。

工藝（3），焊接電流為95A、115A、120A，按此參數(shù)施焊，焊縫表面呈銀白、淺黃色，X射線探傷無缺陷，但機械性能彎曲試驗合格、拉伸強度也符合要求，焊接接頭性能達到技術(shù)要求，此工藝比較合適。 鈦及鈦合金焊接時，都有晶料粗大傾向，直接影響到焊接接頭的力學性能。因此焊接工藝參數(shù)的選擇不僅要考慮到焊縫金屬氧化及形成氣孔，還應考慮晶粒粗化因素，所以應盡量采用較小的焊接熱輸入，工藝（1）、（2），由于焊接規(guī)范較大因素，造成接頭氧化比工藝（3）嚴重。且微觀金相實驗結(jié)果表明，接頭晶粒粗化程度也比工藝　　?。?）嚴重。所以焊接接頭力學性能較差。 　

氣體流量的選擇以達到良好的保護效果為準，過大的流量不易形成穩(wěn)定的層流，并增大焊縫的冷卻速度，使焊縫表面層出現(xiàn)較多的α相，以至引起微裂紋。拖罩中的氬氣流量不足時，焊縫呈現(xiàn)出不同的氧化色澤；而流量過大時，將對主噴嘴的氣流產(chǎn)生干擾作用。焊縫背面的氬氣流量也不能太大，否則會影響到正面第一層焊縫的氣體保護效果。 （7）鈦及鈦合金手工鎢極氬弧焊操作要領(lǐng) 1）手工氬弧焊時，焊絲與焊件間應盡量保持最小的夾角（10~15°）。焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護區(qū)。 2）焊接時，焊槍基本不作橫向擺動，當需要擺動時，頻率要低，擺動幅度也不宜太大，以防止影響氬氣的保護。3）斷弧及焊縫收尾時，要繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到350℃以下時方可移開焊槍。（8）質(zhì)量檢驗 1）外觀檢查符合GB/T13149-91。2）射線深傷符合JB4730-94。3）力學性能試驗符合GB/T13149-91。

四、結(jié)論　

1、鈦及鈦合金焊接的氣體保護問題是影響焊接接頭質(zhì)量的首要因素。 　

2、鈦及鈦合金焊接時應盡量采用小的熱輸入。

3、TA2手工鎢極氬弧焊時，應嚴格控制氫的來源，防止冷裂紋的產(chǎn)生，同時應注意防止氣孔的產(chǎn)生?！?

4、只要嚴格按照焊接工藝要求施焊，并采取有效的氣體保護措施，即可獲得高質(zhì)量的焊接接頭。