钛及钛合金的焊接

一 、前言

随着我国经济的快速发展，钛合金材料得到广泛应用。但由于钛合金是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下对氧、氢和氮等气体具有极大的亲和力，特别是在钛焊接过程中，这种能力伴随着焊接温度的升高更为强烈。实践证明，焊接时如果对钛合金与氧、氢和氮等气体的吸收和溶解不加以控制，无疑会给钛合金焊接接头的施焊过程带来了极大的困难。

二、钛的特性对钛焊接的影响

1)氧和氮的影响。氧和氮间隙固熔于钛中，使钛晶格畸变，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性却降低，焊缝中含焊氧、氮是不利的，应设法避免。

2)氢的影响。氢的增加会使钛的焊缝金属冲击韧性急剧下降，而塑性下降少许，氢化物会引起接头的脆性。

3)碳的影响 。常温下，碳以间隙形式固溶于钛中，使强度增加，塑性下降，但不如氧、氮明显，碳量超过溶解度时生成硬而脆的TiC，呈网状分布，易产生裂纹，国标规定钛其钛合金中碳含量不得超过0.1%，焊接时，工件及焊丝的油污能增加碳含量，因此焊接时需清理干净。

三、钛及钛合金的焊接性

1）气孔的产生。钛及钛合金焊接时常见的缺陷是气孔，主要产生在熔合线附近。氢是形成气孔的重要原因，在焊接时由于钛吸收氢的能力很强，而随着温度的下降氢的溶解度显著下降，所以溶解于液态金属中的氢往往来不及逸出形成气孔。

2）接头的脆化问题 。在常温下，钛与氧反应生成致密的氧化膜，从而使其具有高的化学稳定性与耐腐蚀性。在施焊过程中，焊接温度高达5000～10000℃，钛及其合金与氧、氢和氮发生快速反应。据试验，钛合金在施焊过程中，温度在300℃以上时能快速吸氢，450℃以上时能快速吸氧，600℃以上时能快速吸氮。而当熔池中侵入这些有害气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化，特别是在882℃以上，接头晶粒严重粗大化，冷却时形成马氏体组织，使接头强度、硬度、塑性和韧性下降，过热倾向严重，接头严重脆化。因此，在进行钛合金焊接时，对熔池、熔滴及高温区，不管是正面还是反面都应进行全面可靠的气体保护。这是保证钛及其合金焊接质量的关键。 延迟裂纹的产生 在焊后一段时间内，钛及其合金的近缝区很容易产生裂纹，这是由氢从高温熔池向低温热影响区的扩散引起的。随着氢含量的增加，析出的钛氢化合物增加，热影响区脆性增大，再加上析出的氢化物体积膨胀时产生的组织应力，导致裂纹的产生。

四、钛及钛合金TIG焊接工艺及参数的选择

1、焊前准备
焊件和钛焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响因此必须严格清理。铁板及钛焊丝可采用机械清理及化学清理两种方法。

1.1机械清理对焊按质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可用细砂纸或不锈钢丝刷擦拭，但是用硬质合金黄色刮削钛板，去除氧化膜。

1.2化学清理。焊前可先对试件及焊丝进行酸洗，酸洗液可用HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗后用净水冲洗，烘干后立即施焊。或者用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭钛板坡口及其两侧（各50mm内）、焊丝表面、工夹具与钛板接触的部分。

2、焊接设备的选择 钛及钛合金金钨板氩弧焊应选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源，且延迟递气时间不少于15秒，避免焊遭受到氧化、污染。

3、焊接材料的选择 氩气纯度应不低于99.99%，露点在-40℃以下，杂质总的质量分数<0.001%。当氩气瓶中的压力降至0.981MPa时，应停止使用，以防止影响焊接接头质量。原则上应选择与基本金属成分相同的钛丝，有时为了握高焊缝金属塑性，也可选用强度比基本金属稍低的焊丝。

4、气体保护及焊接温度 钛管接头在焊接是地，为了防止焊接接头在高温下被有害气体及元素污染，必须对焊区及焊缝进行必要的焊接保护与温度控制，其温度应在250℃以下。保护与温度控制的主要方法：一是对表面焊缝加保护气体拖罩；二是将被焊接头管内充满保护气体。保护气采用氩气，其纯度应≥99.99％。保护气体的流量应满足焊接技术要求（见表1）

表 1

5、焊接参数的选择

5.1 钛合金焊丝。填充焊丝的牌号应根据母材来选择，一般采用与母材同质的原则，有时为了提高接头的塑性，也可以选择比母材合金化程度稍低的焊丝，推荐威欧丁焊接公司亲测的军品钛焊丝VOD301纯钛和钛合金系列。焊丝直径应根据母材厚度来选择（见表2）

表 2

5.2 钨极。选用铈钨极，其直径根据钛合金管壁厚选择，一般在1.0～3.0mm，钨极端部应磨成30～45度锥形。

6、坡口形式的选择 原则尽量减少焊接层数和焊接金属。随着焊接层数的增多，焊缝累计吸气置增加，以至影响焊接接头性能，又由于钛及钛合金焊接时焊接熔池尺寸较大，因此试件开单V型70~80°坡口。

7、试件组对及定位焊 为了减少焊接变形，焊前进行定位焊，一般定位焊间距为100~150mm，长度为10~15 mm。定位焊所用的焊丝、焊接工艺参数及气体保护条件应与焊接接头焊接时相同。间隙0~2mm，钝边0~1.0mm。

五、钛及钛合金手工钨极氩弧焊操作要领

1、手工氩弧焊时，焊丝与焊件间应尽量保持最小的夹角（10~15°）。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。

2、焊接时，焊枪基本不作横向摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度也不宜太大，以防止影响氩气的保护。

3、断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到350℃以下时方可移开焊枪。

六、注意事项

1、施工人员和焊工应佩戴洁净的白细纱布手套（严禁佩戴棉线手套）。

2、经处理的焊区严禁用手触摸和接触铁制物品。

3、焊接工作尽可能在室内进行，环境风速应≤0.5m/s，避免受穿堂风影响。

4、焊接时应尽可能采用短弧焊接，采用小的焊接热输入，喷嘴与焊件保持70～80度的夹角。 对接管定位焊时，其对接间隙一般为0.5mm左右。

5、每道焊缝应尽可能一次焊完，必须接焊的焊缝，在焊前应将接口处清理干净，焊肉搭接长度为10～15mm。

6、焊接时，焊炬不应左右摆动，焊丝熔化端不得移出气体保护区。

7、施焊引弧时应提前送气，熄弧时不能马上抬起焊炬，应延后供气，直到温度降至250℃以下。

8、气体保护拖罩与焊炬的距离应以尽量短为佳，与管壁接触的间隙力求尽量小。

9、进行管对接焊时，为了达到单面焊双面成形要求，焊接分两次进行：一次为封底焊接（封底焊时可以不用填充材料），另一次为成形焊接。

10、多层焊时，必须等前一焊道完全冷却后，再焊下一焊道。