钛材（TA2）的焊接性试验研究

付启帅 李嘉美 曲世超 苗卉

大连宝原核设备有限公司 辽宁大连 116000

随着国民经济的发展，由于钛材特殊的抗腐蚀性能，在高温和低温下都有良好的力学性能，比重轻，无磁性，具有金属光泽，在石油、化工、医药等许多行业得到广泛地应用，而且我国钛资源丰富，钛及钛合金在我国会有很好的发展前途。但是由于钛材具有熔点高，热熔大，导热性差以及化学活性高等特点，它的焊接性能远比钢材差，焊接时易产生气孔、氧化及裂纹等缺陷，焊接时应采用特殊工艺措施与防护手段。因此本课题制定合理的焊接工艺及气体保护措施，通过焊接性试验研究，保证产品焊接接头的质量。

1 钛材的焊接性分析

钛材（TA2）的熔点高（1668℃），属于难容金属，在焊接时需要高温热源。钛的导热系数低，仅为碳钢的一半，导热性差热量不易散失，过热倾向严重。由于焊接时需要高温热源，散热差，因此焊接时高温停留时间长，容易引起焊缝的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，产生脆性组织，焊接接头的塑韧性显著降低。当结构刚性大时，在焊接残余拉应力作用下，还会导致产生裂纹[1]。钛材（TA2）焊接的主要问题是容易氧化、氮化、产生气孔及脆裂，同时可焊性降低。由于钛材的化学活性大，高温固态及熔融状态下极易被空气、水分、油脂等污染，吸收氧、氮、氢、碳等杂质。相关资料介绍，钛在熔融状态下从250℃开始吸收氢、从400℃开始吸收氧、从600℃开始吸收氮，而空气中含有大量的氧和氮。为保证焊接接头的塑韧性，防止氧污染脆化，一般要求钛材中含氢量低于0.15%，焊接时具有良好的清洁环境及防护措施。

2 钛材的氩气保护措施

由于钛的活性高，为了防护焊缝氧化、产生气孔，焊接时保证氩气纯度在99.99%以，同时应考虑焊枪结构和制作氩气保护工装。氩弧焊时喷嘴直径要大一些，喷嘴到工件的距离小一些，这样气体保护充分。通常情况下，由于焊接时喷嘴已不足以保护焊接接头，氩气保护不充分，一般需要附加拖罩，通常拖罩宽度30-60mm，拖罩长度50-100mm，具体以焊件厚度及坡口宽度而定，薄的焊件拖罩短些，厚的焊件则要长些。针对不同的焊接接头，纵缝用平的拖罩，环缝用弧形拖罩。保护拖罩材质应为纯铜，保护罩内侧应增加一个铜管Ø10×1mm，钻Ø1mm孔，通常孔间距10mm，均匀分布，并在铜管上加两层不锈钢滤网，这样气体保护均匀。评定氩气保护效果好坏最简单的办法是目视焊缝表面的颜色，如果焊接接头表面呈银白色为保护良好；淡红色的焊接接头保护状况为尚好；深蓝色的焊接接头为较差；灰色的焊接接头为差[2]。

3 焊接性试验方案

3.1 试验用的材料

试验用的母材为TA2，规格500×125×10mm，1对，退火状态供货，参照标准GB/T 3621-2007。

试验用的焊材为ERTi-2，规格Φ2.4mm，参照标准ASME Ⅱ卷 C 篇 SFA-5.16-2017 版。

3.2 试板坡口形式与制备

焊接试板的坡口形式采用单V，坡口角度60，间隙2-3mm，钝边1.5mm。焊接试板制备采用机加方法，坡口面应无锈蚀、油污等杂质，试板周转过程应避免与铁屑接触。

3.3 试验焊接

3.3.1 焊接工艺参数及操作要求

试验焊接采用GTAW方法平焊，直流正接（反极性），焊材及直径 ERTA2EL1Φ2.4，焊接电流120-160A，焊接电压12-16V，焊接速度7-12cm/min，预热/道间温度15/ 140℃，保护气体99.99%Ar（整体保护），预热温度/层间温度为15℃/140℃。

焊接前，确保待焊表面满足焊接要求，采用专用橡胶或尼龙的氧化铝砂轮打磨，坡口呈现金属光泽，不得有锈蚀、油污等杂质。焊接过程中禁止摆动焊，并且单个焊道最大宽度小于13mm，注意焊道清理和层间温度控制[3]。

3.3.2 气体保护要求

由于焊接过程氩气保护不当焊缝表面会氧化并产生气孔，因此整个焊接过程焊缝必须得到有效保护。背面气体保护工装在常规板上开槽，固定焊接试板背面；正面在焊嘴上增加保护托槽，长50mm，宽30mm。气体必须是纯氩，正面流量在12-16L/min，背面8-10L/min，拖罩流量，拖罩流量要大一些，应为20-24L/min。

3.4 试验结果及分析

室温拉伸Rm分别为：410Mpa、430Mpa；面、背弯180°（各2个）均合格；焊缝室温冲击值分别为74J、71.2J、79J，热影响区冲击值分别为89J、143.2J、139J，母材冲击值分别为114J、134J、127J，其接头性能试验结果完全达到母材钛板（TA2）性能要求。

通过观察焊缝的宏观形貌可见焊缝外观并无氧化、气孔及裂纹等缺陷，焊缝均匀，成形良好，说明采用的气体保护工装效果良好，焊接性良好。

通过观察力学性能试验的宏观形貌可见，弯曲试样宏观形貌沿着焊缝和热影响区并无裂纹缺陷；拉伸试样断口纤维粗糙，为韧性拉伸断裂；冲击试样的宏观形貌断口纤维粗糙，韧窝区明显，是明显的韧性断裂。通过分析力学性能试验的宏观形貌说明焊接接头具有良好的塑韧性。

4 结语

通过以上试验可以得出以下结论：对钛材TA2的焊接性分析和研究气体保护措施，制定的焊接性试验方案合理，其力学性能试验完全可以满足使用要求，能够保证产品焊接接头的质量。