钛及钛合金焊接特性与工艺要点分析

王牛俊

（陕西国防职业技术学院，陕西 西安 710302）

钛及钛合金焊接特性与工艺要点分析

王牛俊

（陕西国防职业技术学院，陕西 西安 710302）

由于钛及钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优点，所以在我国的航天航空及石油化工等领域中得到了广泛的应用。虽然钛制设备的经济投入较高，但是从全寿命周期考虑仍具有较高的性价比。为了保证钛及钛合金设备的制造质量，应该对钛及钛合金的焊接特性与工艺要点有详细的掌控，确保钛制设备的制造质量。

钛；钛合金；焊接；工艺

钛及钛合金因为具有较多的优点，所以在我国的航空航天、化工、冶金及造船等领域中应用较为广泛。钛及钛合金焊接是设备制造过程中重要的环节，焊接质量直接关系到钛制设备的应用性能，为了保证焊接质量，需要熟练了解钛及钛合金的焊接特性，并且对焊接工艺有详细的了解，从而在焊接的过程中，做好充分的准备工作，并且加强焊接工艺质量监督，确保钛制设备的焊接质量。钛及钛合金具有特定的物理和化学性能，所以掌握相关的性能，对提高焊接质量具有重要意义。焊接方法较多，所以应该综合各方面因素考虑，选择最佳的焊接方法，严格按照焊接工艺操作，避免焊接缺陷的产生，提高钛制设备整体结构的稳定性。

1 钛及钛合金的焊接特性

在焊接材料中，钛及钛合金属于不易焊接的金属材料，在焊接的过程中，极易和空气中的氧、氮、氢等元素发生反应，从而导致焊接接头出现催化、裂纹和气孔等质量缺陷。所以对钛及钛合金的焊接特性进行分析，有利于在焊接过程中采取有效措施避免焊接质量缺陷的产生。

1.1 焊接接头的脆化

在常温的状态下，由于钛及钛合金的表面有氧化膜的保护，所以可以保持较为稳定的状态，但是由于钛的化学性能比较活泼，所以在焊接的过程中，焊缝热影响区的钛材处于熔融状态时，极易与氧、氮、氢等气体元素发生反应，形成脆性较大的氧化钛、二氧化钛，从而导致焊接接头处发生脆化，形成焊接质量缺陷。产生焊接接头脆化的原因，一方面是焊接时热影响区受到空气污染，另一方面是受到碳的影响，在母材、焊丝及油污中都含有碳的成分。所以为了避免焊接接头脆化，可以采用高纯度的惰性气体作为保护气体，还要注意对母材和焊丝碳含量的控制，做好焊接区域的清洁工作。

1.2 焊接接头的裂纹

在钛及钛合金焊接时，接头裂纹主要表现为热裂纹和冷裂纹两种，形成原因也不相同。因为在钛及钛合金中碳、磷、硫等元素的含量较少，所以产生热裂纹的几率较小。只有在焊丝存在裂纹或者夹层时，才会使焊缝中产生热裂纹。冷裂纹一般都会在焊接数小时后才产生，被称为延迟裂纹。冷裂纹主要是在焊缝中的氧、氢、氮的含量较多时，才会出现。焊接过程中，氢会由高温熔池向温度较低的热影响区扩散，氢化物的析出会引起较大的组织应力，加之氢原子的扩散和聚集，最终就会导致冷裂纹的产生。为了防止冷裂纹的产生，在焊接时可以控制氢的来源，在条件允许时，可以采用真空退火处理。

1.3 焊缝气孔

气孔是钛及钛合金焊接中比较常见的质量缺陷，影响因素也较多，氧、氢、氮、油污、碳等都会引起气孔的产生。氢气是钛及钛合金焊缝中的主要气体，氢气的来源主要是在高温时溶入熔池，但是在冷却时，因为结晶，过饱和状态下的氢气无法完全从熔池中逸出，所以，就会积聚在焊缝中形成气孔。因此，为了降低气孔的产生，应该做好焊接区的清洁工作，并且加强对有害气体的防范。所以在焊接前，把母材以及焊丝上的油污清理干净，对焊丝进行真空去氢处理。在焊件清理后，尽快进行焊接工作，做好防潮工作。此外，严格控制焊接的工艺参数，尽量延长熔池的停留时间，为气泡的逸出留出充裕的时间。

1.4 晶粒倾向

因为钛的熔点较高、热熔量大且导热性差，所以，在焊接时容易出现比较大的熔池，并且熔池温度较高。这种情况下，在焊缝以及热影响区的金属就会长期处于高温状态下，晶粒的长大倾向比较明显，由此，就会导致接头塑性的断裂韧性降低。对于这种情况，长大后的晶粒，很难用热处理的方法来恢复，所以为了避免这种现象的出现，在焊接时应该控制好热输入量，采用较小的焊接电流或者较快的焊接速度，从而避免较大的晶粒。

2 钛及钛合金焊接工艺与要点

2.1 焊接材料

焊接材料的选择是焊接工艺中重要的环节，对焊缝质量有极大的影响。对于钛及钛合金焊接来讲，在选择焊丝时，尽量选择与母材成分相同的焊丝，或者是强度略低于母材的焊丝，这样可以降低焊接接头的韧性，提高焊接质量。如果实在缺乏标准焊丝，可以在母材上剪下窄条作为焊丝，尽量达到焊丝的使用标准。为了保证焊接工艺的标准性，应该对焊丝进行妥善的保存，做好防潮处理，避免因为焊丝性能发生变化而影响到焊接质量。

2.2 焊接准备

在焊接前的准备工作非常关键，应该对焊件表面进行清洁处理，避免因为油污及杂质而导致焊缝出现气孔、夹渣等质量缺陷。清洁工作主要包括机械清理和化学清理，对于冲压、剪切和切割下料的工件，在焊接前需要对接头的边缘进行机械清理，为焊接做好准备工作。如果焊接工艺要求不高，可以用细砂布或者不锈钢丝刷将焊缝边缘的氧化膜去掉，露出里面的光泽。采用气割下料的工件，可以用丙酮、乙醇或者甲醇将坡口两侧的油污和有机物质擦除干净。在化学清理中，一般使用盐酸对焊件焊丝的表面进行清理，但是，经过酸洗或者水洗后的焊件或者焊丝，应该在4小时使用完，否则，应该重新进行清理。焊丝应该在150～200℃的烘箱中保存，随取随用，但是在取焊丝时，应该戴白手套，防止焊丝受到潮热而影响焊接效果。做好对焊件的保护工作，用塑料布掩盖，防止受到污染，如果焊件受到污染，可以用丙酮或者酒精进行擦洗。

2.3 钛及钛合金的焊接工艺

2.3.1 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊是钛和钛合金中最常用的焊接方法，在电极棒、熔池、电弧和焊件的受热影响区中会有气体状态的保护，从而隔绝大气的混入，避免对焊缝产生污染，提高焊接质量。钨极氩弧焊在连接薄板和打底焊中比较常见，主要用于10mm以下的板材焊接中。此种焊接方法使用高熔点的钨棒做为电极，将钨棒和焊件之间的焊丝或者金属熔化，达到焊接的目的。通常情况下，钨极氩弧焊有自动焊和手工焊两种，在手工氩弧焊时，需要使用氩气保护效果较好的焊枪、托罩，焊枪尽量与焊件的表面保持垂直状态，钨极和喷嘴与焊件之间的距离尽量要小。在送丝时，注意将焊丝熔化端控制在氩气保护区，避免焊丝熔化端发生氧化而影响到焊缝质量。在焊接中断或者结束焊接时，焊枪要在焊缝保护区停留一段时间，利用氩气对焊缝进行保护，防止氧化，待焊缝不会发生氧化方可移开。

2.3.2 熔化极氩弧焊

熔化极氩弧焊比钨极氩弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，采用直流反接方法。为了避免焊枪摆动而影响保护效果及扩大热影响区，宜采用直线行进方式焊接。为减小气孔倾向，宜进行慢速焊接，同时要采用杂质少的焊丝，并注意焊接工作环境。

2.3.3 等离子弧焊

等离子弧焊在钛及钛合金焊接中也较为常见，同样是采用氩气保护，等离子弧焊接使用恒流电源的直流产生的传热型等离子体。在使用等离子弧焊时，为了避免产生钛的氢化物，一般会在氩气中添加5%～7%的氢，使用无氢的纯氩气或者氩与氦的混合气体，可以提高电弧的收缩性。在焊接的钛及钛合金厚度在1.5～15mm时，可使用小孔焊接。在焊件厚度小于1.5mm时，可采用溶入法试焊，同时还需要加反面成型垫。当钛板厚度在0.5mm以下时，应该使用微束等离子弧焊接。等离子弧焊的焊接范围较窄，且焊接的重复性差，所以，对此项焊接工艺的发展造成了一定的影响。

2.3.4 电子束焊

真空电子束焊工艺在钛及钛合金中的焊接质量较高，因为是在真空中操作，所以完全避免了空气的污染，焊缝的焊接质量较高。电子束焊是利用动能和热能转化原理，将电子束加速撞击焊接工件，使焊件熔化，实现焊接。因为电子束焊的能束焦点小，热量比较集中，所以电子束焊的焊缝较窄，热影响区小。在焊后产生的晶粒比较均匀，接头的强度较高，塑性相对较低。但是使用真空电子束焊的缺点是空间有限，所以焊件的尺寸会受到一定的限制，无法进行大批量的生产。

2.3.5 激光束焊

激光束焊穿透能力不如电子束焊，对于大厚度钛板的焊接，激光束焊比电子束焊更有优势。激光焊接具有能量密度高的特点，常用于精密零件的焊接，

2.4 焊后处理

钛及钛合金在焊接时温度较高，所以在焊接后应进行热处理，以消除应力和稳定组织，获取较好的物理性能。

3 结语

钛及钛合金因具有较多优点，所以在航空航天、造船以及冶金等领域中应用比较广泛。因为钛及钛合金自身的物理、化学特性影响，所以在焊接时应该采用严格的焊接工艺，并且避免与氧、氢、氦等气体接触，提高焊缝质量。所以应该在了解钛及钛合金焊接特性后，选择适宜的焊接方法，严格控制焊接工艺，保证焊接质量达到规范标准。

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TG146.23

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