工業(yè)純鈦的焊接缺陷原因分析與預(yù)防措施

司玉光

（茂名市茂港電力設(shè)備廠有限公司，廣東 茂名 525000）

鈦原子序數(shù)22，原子量為47.9，是一種銀白色的過渡金屬，其特征為密度小，強(qiáng)度高，具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力，被美譽(yù)為“太空金屬”。 工業(yè)純鈦有高的比強(qiáng)度，良好的塑性、韌性和耐腐蝕性。但鈦的焊接性較差，對(duì)焊接條件要求苛刻。

1 工業(yè)純鈦的力學(xué)性能

鈦的密度為4.506～4.516 g/cm3（20℃），高于鋁，而低于鐵、銅、鎳。但比強(qiáng)度位于金屬之首。熔點(diǎn)（1 668±4）℃，熔化潛熱15～2 kJ/kg。鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹鋼。

鈦的化學(xué)性質(zhì)比較活潑。加熱時(shí)能與O2、N2、H2、S 和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護(hù)膜，可以抵抗強(qiáng)酸甚至王水的作用，表現(xiàn)出強(qiáng)的抗腐蝕性。

工業(yè)純鈦是指鈦含量不低于99%并含有少量鐵、碳、氧、氮與氫等雜質(zhì)的致密金屬鈦。

2 焊接缺陷的原因分析

由于鈦的活潑性和對(duì)加熱的敏感性，其焊接性較差。下面結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)工業(yè)純鈦焊接時(shí)出現(xiàn)缺陷的情況進(jìn)行分析，具體原因如下。

2.1 氣體等雜質(zhì)引起焊接接頭氧化、氮化和脆裂

鈦在熔融狀態(tài)下能和幾乎所有元素反應(yīng)，而且在400℃時(shí)開始大量吸氫。氫是工業(yè)純鈦?zhàn)钣泻Φ脑刂唬淠芙档外伒乃苄耘c韌性，導(dǎo)致脆裂。故工業(yè)純鈦的化學(xué)成分嚴(yán)格控制氫含量在0.003%～0.015%。鈦在600℃以上時(shí)，快速吸氧，生成二氧化鈦；在700℃以上快速吸氮，生成氮化鈦。當(dāng)加熱到800℃以上，二氧化鈦即溶解，并擴(kuò)散到金屬鈦的內(nèi)部組織，形成脆裂。

鈦的熔點(diǎn)高，在焊接時(shí)需要高熱源，鈦的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量不易散失，過熱傾向嚴(yán)重從而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。此外鈦一旦沾染鐵離子即變脆，這也是產(chǎn)生焊接裂紋的主要原因之一。

2.2 焊縫中的氣孔

氣孔是工業(yè)純鈦焊接時(shí)最常見的焊接缺陷。氣孔生成的機(jī)制是，焊接過程中溶入液態(tài)金屬中的氣體，經(jīng)過擴(kuò)散、脫落、成核、長大等過程，形成氣泡。由于熔池的凝固結(jié)晶速度很快，氣泡來不及逸出，就以氣孔的形式殘留在固態(tài)金屬中。釀成氣孔的氣體主要源自有機(jī)物的污染，經(jīng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，空氣相對(duì)濕度的大小，也是影響氣孔產(chǎn)生的主要原因之一。

3 焊接缺陷的預(yù)防措施

針對(duì)工業(yè)純鈦焊接時(shí)出現(xiàn)缺陷的原因，提出了預(yù)防措施。

3.1 選擇合適的焊接工藝

根據(jù)工業(yè)純鈦的熱敏性和焊接缺陷的形成機(jī)理，選擇合適的焊接工藝參數(shù)，是至關(guān)重要的。工業(yè)純鈦適用焊接方法范圍：鎢極氣體保護(hù)焊，熔化極氣體保護(hù)焊，等離子弧焊。在生產(chǎn)制造過程中，多采用手工鎢極氬弧焊。手工鎢極氬弧焊工藝參數(shù)見表1。

3.2 嚴(yán)格控制母材含碳量及焊接材料純度

首先，母材及焊絲中的氫、氧、氮、碳要盡可能少，碳含量應(yīng)≤0.1%；其次，嚴(yán)格控制氬氣的純度，要 求Ar ＞99.99 %，N ＜0.005%，O ＜0.002%，H ＜0.002%，H2O 在0.001mg/L 以下。

表1 手工鎢極氬弧焊工藝參數(shù)

3.3 嚴(yán)格焊前清理及保持施焊環(huán)境清潔

鈦材焊件及焊絲極易被污染。在焊接前，一定要清除焊絲及焊接區(qū)域所附著污染物。焊件的清理，一般采用機(jī)械清理，也可用酸洗。采用機(jī)械清理，可先用丙酮去油污，細(xì)砂布去氧化皮，再用丙酮擦洗。值得注意的是，鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍摻合氧化鋁的砂輪，決不能用打磨過碳鋼的砂輪。此外，保持施焊環(huán)境的清潔也很重要。如搭防風(fēng)、防雨、防塵棚，配備抽濕機(jī)，均可取得良好效果。

3.4 對(duì)焊接區(qū)域的氬氣保護(hù)及熱影響區(qū)的散熱

由于工業(yè)純鈦在焊接時(shí)熔池極易被氧化、氮化，而且300℃以上的熱影響區(qū)，都需要進(jìn)行保護(hù)。這就要求在焊接區(qū)域的正反面，都要進(jìn)行氬氣保護(hù)，必要時(shí)在熱影響區(qū)放置厚度3～5 mm 紫銅板或紫銅棒散熱。對(duì)焊接區(qū)域的保護(hù)效果，可由焊縫表面顏色來判定，見表2。

表2 保護(hù)效果對(duì)焊縫品質(zhì)的影響

4 結(jié)束語

通過分析，只要充分了解和掌握工業(yè)純鈦的焊接特性，在施焊過程中，有針對(duì)性地采取相應(yīng)防范措施，嚴(yán)格把好各個(gè)施工環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)，就可取得優(yōu)質(zhì)滿意的效果。

[1]黃永光，等.鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2]黃嘉琥，桑如苞，王榮貴.鈦制壓力容器[M].昆明：云南科技出版社，2003.

[3]徐明文.化工機(jī)械制造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.