有关工业纯钛TA2的焊接分析思考

王光智 方丽群 孔庆芳

摘要 焊接工业纯钛TA2时，其表面颜色会随着温度的升高呈现出不同的变化，根据这些变化，可以确定在TA2焊接时的保护范围，本文利用钨氩弧焊来对TA2进行对接焊接实验，通过金相分析与力学性能检验来对其工艺参数进行确定，经过实验，在400℃时TA2表面颜色呈现出金黄色，需要在此温度时进行保护，样件的力学性能符合设计要求，说明参数可靠，可以用于指导生产。

关键词 工业纯钛；TA2；焊接；温度；颜色；实验

1.引言

工业纯钛基于其良好的化学性能与物理性能，在多个恶劣的环境中应用。目前钛制设备已经在石油化工、海洋工程等领域中得到了广泛地应用。工业纯钛焊接要求较高，稍有外界因素污染干扰，就可能会导致焊接质量受到严重影响。在钛设备制造中，焊接工艺是一项重要的工艺控制过程，采取合理的工艺参数将会对焊缝的质量起到重要的保证作用。本文通过对工业纯钛TA2的焊接实验来对焊接工艺进行分析。

2.TA2的物理特性与化学特性

纯钛的力学性能与其纯度有着直接的关系，间隙杂质含量增加，强度虽升高，但塑性将会大幅度降低。工业纯钛的切削加工难度较大，是因为它的摩擦系数较大，导热性低，热量集中于刀尖上，刀尖很快熔化。在常温下，钛的塑性要比其他的六方结构金属高很多。[1]纯钛的强度随着温度的升高而不断降低，当加热到250℃时抗拉强度将会减少到原来的一半。它的疲劳性能与钢类似，具有较为明显的物理疲劳极限，纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.6-0.8Rm，其耐热性比铁要低一些，钛可以进行一些锻造、轧制、挤压等各压力状态下的加工，加热钢材用的设备可以用钛材，要求炉内有弱氧化性，不可使用氢气加热。钛的化学性能高，温度升高时，容易粘附刀具，造成粘结磨损。

3.TA2的焊接特点

在较高的温度下，钛与氢、碳等都有着较强的亲和力，氢在250℃的钛中溶解度可以达到33%以上。一旦氢在钛中溶解，将会造成气孔的现象，同时将会形成氢化钛，沿滑移面析出，增加了金属中的含氧量，使韧性急剧下降，有可能会造成裂纹的产生。间隙杂质在特殊的条件下也会引起焊缝的断裂。高温下的钛与碳将会生成碳化钛，导致焊缝塑性下降，造成一定的裂缝问题，如果保护不当，也将会吸收进杂质。为了确保钛的焊接质量可靠，在材料准备时要控制好杂质成分，及时清除污染物，在焊接过程中做好保护。[2]

目前，钨极氩弧焊是钛与钛合金焊接最常用的焊接方法，也是连接薄板与打底焊最好的焊接方法之一，通过对焊接工艺参数的选择，可以实现良好的焊缝质量，但这种焊接方法效率较低，在焊缝中容易产生气孔问题或其他的焊接缺陷。钨极保护焊的脉冲频率对于钛合金的晶粒尺寸与形态都有着一定的影响。等离子弧焊的焊接规范窄，其焊接稳定性与重复性差，在应用进程中受到了一定的影响。在进行等离子弧焊时需要利用先进的控制技术，不断提高自动化与控制精确化程度。另外焊接钛材还有真空电子束焊、激光焊、扩散焊与钎焊等，选用什么样的焊接方法，要根据实际情况而定。

4.焊接工艺实验

4.1实验准备

本次焊接实验选择母材为4mm厚的TA2板，焊丝采用直径为φ2.4mm的ERTA2，氩气的纯度为99.99%。选用钨极氩弧焊，焊接设备为时代WS-400型氩弧焊机。在实验中采用V形坡口。在焊接前，對工件的坡口表面进行机械清理、酸洗，再用清水冲洗干净，最后使用丙酮对工件及焊丝进行擦洗。[3]

拟采用的焊接工艺参数如下表：

焊接电流

（A） 焊接电压

（V） 焊接速度

（㎝/min） 焊丝直径

（㎜） 层间温度

（℃） 氩气流量（L/min）

焊枪 拖罩 背面保护罩

90-110 12-14 10-15 2.4 ≤100 12-15 20-25 50-80

4.2焊接结果分析

由于TA2的熔点较高、热导率低，所以需要采用较小的焊接热输入，从而减少焊接热影响区。有资料显示，在没有经过任何保护的情况下，TA2在200℃～300℃时不变色，在400℃时，表面将会呈现出金黄色，在600℃时产生蓝色，而在800℃时将会变成深灰色。TA2的温度不断增高，表面颜色会随之发生一系列的变化，焊接接头的性能也会由于氧化物的残留而受到影响，所以在焊接时，需要进行惰性气体保护，以防止空气侵入到焊接区域中。

拟采用两组焊接工艺参数来对焊接质量进行验证分析，工艺参数的选取按照上表所示，焊接电流选95A，焊接电压选13V，焊接速度维持在12㎝/min。氩气的流量有所不同，第一组在喷嘴、正面与背面分别施以10L/min、10L/min、5L/min的流量进行施焊，而在第二组则对三个部位分别施以15L/min、20L/min、10L/min的流量进行施焊。[4]

通过对两个焊接试样进行分析，采用第一组氩气流量保护的焊接试样表面呈现出蓝色，且表面氧化较为严重，还可以很明显地看到试样表面的裂纹；而采用第二组氩气流量保护的焊接试样的表面呈现出光亮银白色，肉眼也看不到有裂纹。再用探伤设备XXH-2505进行透照，X射线底片显示：采用第一组氩气流量保护的焊接试样中出现很多气孔及裂纹，按照JB/T4730.2-2005标准，评判为Ⅳ级。而第二组焊接试样则评判为Ⅱ级合格。分析认为评判为Ⅳ级的焊接试样主要是因为在施焊的过程中，氩气的保护流量不够，造成空气中氢、氮、氧侵入到焊接区域中，与钛形成了杂质混合物，在焊缝凝固时，气体没有及时的逸出，从而导致了焊接接头的脆化，产生了的气孔及裂纹。[5]

5.结语

通过对工业纯钛TA2的焊接实验，对焊接工艺过程进行分析，在高温焊接时，如果保护气体流量不够 ，将会对焊缝的质量造成很大的影响。为了使惰性气体能够有效的保护焊接区域，需要提前送气，而在焊接完成后滞后停气，从而使钛在焊接的过程中得到充分的保护。通过采用合理的焊接工艺参数，确定好合适的保护气体流量，可以有效提高钛的焊接质量，从而得到优质的焊接接头，但是采用惰性气体保护的焊接方法也存在一定的缺陷，即在一些特殊的焊接结构中难以保护，比如一些大型的钛材结构件。相信在未来，随着科技的不断进步，一定会出现更加先进的焊接方法，比如细缝隙超激光焊的焊接方法，自动化与精密化控制更加先进，经济性与质量更高，能更好的促进我国现代工业的不断发展。

6.参考文献

[1]陈晓东,蔡英.工业纯钛TA2的焊接[J].现代焊接,2013,09:48-49.

[2]黄德明.工业纯钛TA2的氧化行为研究[J].钢铁钒钛,2010,01:11-16.

[3]马宏刚,王快社.TA2工业纯钛表面搅拌摩擦加工组织及性能[J].中国钛业,2012,02:9-13.

[4]陈劲松.工业纯钛及TC4钛合金的深冷处理研究[D].湖南大学,2011.

[5]铁永亮,何照荣.TA2的钨极氩弧焊单面焊双面成形焊接工艺研究[J].兵器材料科学与工程,2006,04:47-49.