钛及钛合金的焊接

李兴宇，李 芳，2，牟 刚，2，华学明，2，王 敏，2，孔 谅，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重点实验室（上海交通大学），上海200240；2.先进船舶与深海勘探协同创新中心，上海200240）

钛及钛合金的焊接

李兴宇1，李 芳1，2，牟 刚1，2，华学明1，2，王 敏1，2，孔 谅1，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重点实验室（上海交通大学），上海200240；2.先进船舶与深海勘探协同创新中心，上海200240）

钛及钛合金因其优异的综合性能和独特功能被广泛应用于航空航天和海洋工程等重要领域，而不同类型的钛及钛合金的性能各不相同。介绍钛及钛合金的分类及其焊接特性，分别描述工业纯钛、α型钛合金、α+β型钛合金、近β和β型钛合金的分类方法、添加元素及基本特性，综述不同类型的钛及钛合金的国内外焊接研究现状，重点关注各种钛及钛合金的焊接方法、焊后组织和性能，归纳总结各种钛及钛合金的主要焊接方法为TIG焊、激光焊和电子束焊。

钛；钛合金；激光焊；电子束焊；钨极氩弧焊

0 前言

钛及钛合金因密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温等优异的综合性能，以及形状记忆、生物相容等独特功能，被广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工和生物医学等领域[1-3]。由于钛合金多应用于重要、复杂的结构件中，而焊接技术在减轻结构质量、获得稳定结构、高效、减少材料消耗等方面独具优势，因此需要大力发展钛合金的焊接技术[4]。

1 钛及钛合金的分类及焊接性

钛是同素异构体，在882℃以下为HCP结构，称为α钛；882℃以上呈BBC结构，称为β钛。工业纯钛中主要含有氧、铁、碳、硅等杂质元素，这些杂质元素多起到固溶强化作用。工业纯钛具有中等的强度、良好的塑韧性和优秀的耐腐蚀性能[5-7]。

以钛为基加入其他元素组成钛合金，主要分为α型、近α型、α+β型、近β型和β型钛合金。α型钛合金中加入了α稳定元素Al，具有韧性好、抗氧化能力强、焊接性优良等特点；近α型钛合金中加入了少量β稳定元素，抗蠕变性能和耐热性较好；近β型钛合金中β稳定元素略高于临界浓度，具有高强度和良好的塑韧性；β型钛合金[8]中含有大量Mo、V等β稳定元素，加工性能好，但高温性能和焊接性较差；α+β型钛合金兼顾有α型和β型钛合金的优点，为目前应用最广泛的钛合金。

钛及钛合金的特性如下[9-10]：

（1）钛的熔点高（纯钛熔点1 720℃）、导热性差，焊接过程中极易过热而导致组织粗化，焊接时需要控制热输入量，防止晶粒粗化。

（2）接头易脆化。钛在高温下活性强，极易被空气、油污、水分等污染导致接头的塑性和韧性降低，造成接头脆化。因此焊接时需对熔池和温度较高部位进行有效保护。

（3）冷裂纹倾向大。当接头中氢、氧、氮等元素含量较多时，会导致接头变脆，在焊接过程中产生的内应力作用下易开裂。

（4）气孔率大。钛在高温下吸氢、吸氧、吸氮，与这些元素发生反应极易产生气孔。

（5）焊接变形大。钛的弹性模量较小，焊接残余变形大，因此焊接时应将工件压紧。

2 钛及钛合金的焊接研究现状

2.1 工业纯钛

工业纯钛强度中等、塑性优良、耐腐蚀性能优异，其焊接的相关研究主要集中在TIG焊和激光焊。

S.M.Carvalho、刘芝侠等人分别研究了纯钛的激光焊接。S.M.Carvalho[11]对壁厚0.5 mm的TA2管采用激光功率200 W、焊接速度2 m/min和激光功率250 W、焊接速度3 m/min两种参数焊接，焊缝两侧柱状晶向中心生长，焊缝中心为等轴晶并存在孪晶，晶粒内部为交错排列的针状马氏体；热影响区的晶粒沿热流方向略微被拉长；焊缝硬度高于母材，接头拉伸强度也高于母材。激光功率200 W，焊接速度2 m/min的接头疲劳强度值最高，接近母材。刘芝侠[12]对3 mm厚TA2板材进行激光焊接，激光功率3 kW，焊接速度3 m/min，焊缝组织为针状α'、沿晶界析出的α相和锯齿状α相，接头相对母材抗拉强度有所提高，塑性下降。

A.Karpagaraj、刘治宇、郭靖等人分别研究了纯钛的TIG焊接。A.Karpagaraj[13]和刘治宇[14]的研究均显示热影响区和焊缝晶粒明显比母材粗大，焊缝组织为沿着β晶界向不同方向生长的层片状α晶和相对细小的针状α'相；拉伸实验均断裂于母材，接头强度超过母材强度，延伸率无明显下降，拉伸性能良好；焊缝硬度值最高，热影响区次之，这是因为细片状α相越多，硬度值越高。刘治宇[14]对5mm厚TA2板TIG焊的研究得出，最佳工艺参数为焊接电流170 A、焊接速度2 mm/s。A.Karpagaraj[13]采用的保护方式为：一级保护为常规焊枪中通气以保护熔池；二级保护为在焊枪后面安装随焊前行的拖罩，以保护仍处于高温的焊道，同时背面通保护气以保护焊缝背面。郭靖[15]对壁厚5 mm的TA2管材进行双层TIG焊，对接头进行电极电位腐蚀实验和电偶电位腐蚀实验，结果表明母材、热影响区和焊缝的点蚀电位都很高，说明接头的耐蚀性很好，其中热影响区耐蚀性最优，母材次之。

综合以上研究结果可知，工业纯钛焊接后的焊缝组织为锯齿状α和针状α'相，接头强度基本上达到或超过母材强度，但塑性可能下降。

2.2 α型钛合金

国内对于α型钛合金的焊接主要采取等离子弧焊和钨极氩弧焊，国外则鲜有此类文献。

廖志谦[16]采用等离子弧焊（焊接电流255 A，焊接速度140 mm/min）实现了12 mm厚TA5板的无坡口单面焊双面成形。焊缝组织为残余β相和针状马氏体α＇，且β晶界明显。接头的拉伸强度与母材相当，断裂位置为母材；焊缝和热影响区硬度均高于母材，但塑性降低，冲击韧性也下降。

罗伟中[17-18]、魏晓棠[19]均研究了 TA7钛合金TIG焊接。焊缝组织为针状α＇相，热输入增大会形成粗大魏氏组织，降低接头塑性。

α型钛合金焊缝组织为α相，但不同牌号合金、不同焊接方法所得到的α形态不同，而所得接头的塑韧性普遍下降。

2.3 近α型钛合金

国内外对于近α型钛合金均有研究，且主要集中在激光焊和电子束焊。

B.K.Damkroger等人[20]发现近α型钛合金电子束焊接焊缝组织主要为针状、板条状或集束状α。TEM结果发现在焊缝区原生的β晶粒内部，平行排列的初生板条状α相将晶粒划分成许多小区域；次生α＇相则在这些区域内呈不同尺寸交错排列。

刘昌奎[21]对比TA15合金TIG焊和电子束焊接接头发现，TIG焊焊缝为粗大柱状晶，晶内有较多粗大针状α＇无规则排列，呈魏氏组织状；而电子束焊缝为较均匀等轴晶，大量细针状α＇和少量片状α＇形成于晶粒内部，其魏氏组织特征没有TIG焊缝明显。这是因为TIG焊热输入大，针状α＇可充分长大。TIG和电子束焊接头抗拉强度与母材基本相当，塑性明显降低（TIG降低严重）。

黄松[22]采用激光功率2 kW、焊接速度1.2 m/min对2.5 mm厚TA15钛合金进行焊接。发现焊缝为粗大柱状晶，晶内为大量马氏体针；热影响区靠近熔合线处为粗大等轴晶，并且晶内存在α＇马氏体针，晶界上还存在初生α相，离焊缝较远处仅部分晶粒发生马氏体相变，而远离熔合线处未发生马氏体相变，这与A.Chamanfar[23]的研究相吻合。

近α型钛合金的焊缝组织通常为针状马氏体α＇，形成羽毛状魏氏组织或网篮状组织，热影响区通常有晶粒尺寸的突变。

2.4 α+β型钛合金

α+β双相合金是目前应用最广泛的钛合金，其中对TC4合金的研究最多，且主要集中在激光焊、电子束焊和TIG焊。

Nikolai Kashaev等人[24]研究了2.5 mm厚TC4板的激光填丝焊。激光功率2.6～3 kW，焊接速度1.8～3.12 m/min，送丝速度分别为1 m/min和1.5 m/min。所有全熔透焊缝均为沙漏状，与Lisiecki等人[25]的研究结果吻合。焊缝组织为针状马氏体α＇，且焊缝上部晶界上存在二次相αm，这是由于焊缝上部热输入大，冷却速度相对较慢。由于针状马氏体的存在，焊缝及临近焊缝的热影响区硬度值明显高于母材；接头的拉伸强度与母材相当，但塑性有所降低。

J.Ahn等人[26]研究了焊接参数对TC4激光焊焊缝组织的影响。发现低热输入可获得更细小的焊缝晶粒和更细小的针状马氏体α＇，而高热输入时晶粒易粗化，且晶界上会出现二次α相。

T.S.Balasubramanian等人[27]对比了TC4激光焊、电子束焊和TIG焊接头的性能，发现电子束焊接头强度最高。推断其原因是电子束焊接头组织中的锯齿状α相和规则的层片状α相为接头强度提供了保证。

B.Mehdi等人[28]研究了TC4合金脉冲TIG焊。发现脉冲频率增加有利于细化初生β晶粒，并且会在组织中保留更多的残余β相，从而降低接头硬度。

程东海[29]对0.8 mm厚TC4钛合金激光焊接给出工艺参数窗口为激光功率1～1.3 kW，焊接速度1.5～3 m/min，所得焊缝力学性能良好，拉伸试样均断于母材。焊缝组织为粗大柱状晶内部针状马氏体α＇交织而成的网篮状组织；热影响区既有原生α和 β相，也含有部分针状α＇相，且越靠近焊缝，晶粒越粗大，α＇相更多。这一研究结果与徐洁洁[30]和张启良[31]的研究相吻合。

吴巍[32]研究了TC4钛合金TIG焊接接头的宏观金相，主要分为焊缝区、粗晶区、过渡区和母材。焊缝和粗晶区晶粒粗化严重，从过渡区到粗晶区之间晶粒尺寸突然变大。

尹丽香[33]发现TC4钛合金电子束焊缝组织为针状马氏体α＇交错排列而成的网篮状组织，且由于快速冷却过程中来不及转变，焊缝区针状马氏体晶界处还存在极少量的残余β；热影响区组织为均匀的针状α＇和原始α混合物，且比焊缝组织细小。接头的室温性能和高温性能均良好。

TC4双相合金焊缝通常为网篮状组织，热影响区晶粒尺寸变化较为明显，分为粗晶区和过渡区；并且TC4合金焊接接头拉伸强度和延伸率均较高，综合力学性能良好。

2.5 近β型和β型钛合金

关于近β型钛合金和β型钛合金的焊接相关研究较少，且集中在电子束焊接。

高莹[34]采用TB2电子束焊接钛合金，并进行了焊前固溶处理和焊后时效处理。焊缝中心为胞状树枝晶，β柱状晶向焊缝中心生长，时效后α相弥散析出。焊缝硬度最高，热影响区次之，接头强度与母材相当，但塑性有所下降。卓忠玉[35]进行TB2钛合金TIG焊，同样发现接头塑性相对母材大幅度下降。

张翥[36]对TB10钛合金进行电子束焊接，以及焊前和焊后热处理。热处理后焊缝和母材组织主要为β柱状晶、粗大的初生针状α相和短小的针状α＇相，并且焊缝中的α＇更粗大。提高固溶温度可以提升接头冲击韧性，但仍低于母材。

虽然近β型和β型钛合金的强度和韧性较高，但因其焊接性较差，焊接接头性能大大低于母材。目前的研究大多集中在通过焊前和焊后热处理来改善焊接接头的性能。

3 结论

综合已有文献，不同类型钛及钛合金采取的焊接方法如表1所示。

工业纯钛焊接多采用TIG焊和激光焊。工业纯钛的焊缝组织大多为锯齿状α和针状α＇相，接头强度基本达到或超过母材强度，激光焊接头更有利于提高接头疲劳性能，而TIG焊接头耐腐蚀性能更优。

表1 不同类钛及钛合金的焊接方法

α型钛合金的焊接主要采取等离子弧焊和钨极氩弧焊。其焊缝组织均为α＇，但不同牌号的合金和焊接方法所得到的α＇形态不同，而所得接头的塑性和韧性普遍下降。

近α型钛合金主要采用激光焊和电子束焊。焊缝组织为针状马氏体α＇，并且常常形成羽毛状魏氏组织或网篮状组织，热影响区有晶粒尺寸的突变。α＇相的存在导致焊缝硬度明显高于母材。

α+β双相合金中TC4合金的研究最多，且主要集中在激光焊、电子束焊和TIG焊。TC4双相合金焊缝通常为网篮状组织，热影响区晶粒尺寸变化较为明显，分为粗晶区和过渡区；TC4合金焊接接头拉伸强度和延伸率均较高，综合力学性能良好。

β型钛合金和近β型钛合金的焊接相关研究较少。虽然它们的强度和韧性较高，但因其焊接性较差，焊接接头的性能总是大大低于母材，目前的研究大多集中在通过焊前和焊后热处理来改善焊接接头的性能。

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Welding of titanium and titanium alloys

LI Xingyu1，LI Fang1，2，MU Gang1，2，HUA Xueming1，2，WANG Min1，2，KONG Liang1，2
（1.Shanghai Key Laboratory of Material Laser Processing and Modification（Shanghai Jiaotong University），Shanghai 200240，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China）

Titanium and titanium alloys have been widely used in many fields such as aerospace and ocean engineering because of their excellent comprehensive properties and unique functions.The classification and welding characteristics of titanium and titanium alloys are introduced.The classification methods，addition elements and basic properties of pure titanium，α titanium alloy，α+β titanium alloy near β and β titanium alloy are studied.And focus on the welding methods and microstructure and properties of titanium and titanium alloy，it is concluded that the main welding methods of titanium and titanium alloys are TIG welding,laser welding and electron beam welding.

titanium；titanium alloys；laser welding；electron beam welding；TIG

TG409

C

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

献

郭吉昌，朱志明，闫国瑞，等.基于U G的弧焊机器人离线编程系统开发[J].电焊机，2017，47（03）：1-6.

2016-11-28；

：2017-04-05

国家重点研发计划（2016YFB0301200）

李兴宇（1995—），男，汉族，江苏连云港人，在读硕士，主要从事钛合金激光焊接的研究。