工業純鈦的鎢極氬弧焊焊接及焊接注意事項

閆 峰

（朝陽市聯誠機電安裝有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鈦分為工業純鈦與化學純鈦，化學純鈦的化學穩定性很好，但強度很低。由于高純度的鈦強度較低它作為結構材料應用意義不大，故在工業中很少用，目前在工業中廣泛使用的是工業純鈦和鈦合金，TA2是工業的一種與化學純鈦不同之處是，它含有較多的氧、氮、碳及多種其他雜質元素（如鐵、硅等）它實質上是一種低合金含量的鈦合金。與化學純鈦相比，由于含量有較多的雜質元素使其強度大大提高，它的力學性能與化學性與不銹鋼相似(但是和鈦合金相比，強度仍然較低)。

工業純鈦的特點是強度不高，但塑性好，易于加工成型，沖壓、焊接、可切割加工性能良好，在大氣、海水、濕氯氣及氧化，中性，弱還原性介質中具有良好的耐蝕性，抗氧化性優于大多數奧氏體不銹鋼，但耐熱性較差，使用溫度不高，在工業結構中，常用的純鈦是TA2因其耐蝕性能和綜合力學能適中，而在工業結構中廣泛使用。實際上多用于350攝氏度以下的工作條件，根據鈦合金退火狀態的室溫組織，可將鈦合金分為三種類型：α型鈦合金，（α+β）型鈦合金及β型鈦合金，α型鈦合金中，應用較多的是TA1系列和TA2系列（JB4745鈦制壓力容器）β型鈦合金在我國的應用量較少，適用范圍有待進一步擴大。工業純鈦TA1.TA2系列主要用作，船舶用耐海水腐蝕管道，閥門，泵，海水淡化系統零部件，化工上的熱交換器，泵體蒸餾塔，冷卻器攪拌器等，在醫藥，石化等機械廣泛使用中和我們的生活息息相關，以TA2為例，TA2的鈦含量、氧含量為0.008%，氫含量為0.0009%，氮含量為 0.0062%時，具有很好的低溫韌性和高的低溫強度可用作-259攝氏度以下的低溫結構材料，TA2在室溫的抗拉強度不低于480MPA。

1 二鈦及鈦合金的焊接性

在常溫下，鈦及鈦合金的是比較穩定的，但是實驗證明，鈦材在高溫下對氧，氮，氫和碳等有很強的親和力，在焊接過程中，液態熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫氧氮的作用，而且在固態下，這些氣體已與其發生作用，隨著溫度的升高，鈦及鈦合金的吸收氫氧氮的能力也隨之明顯上升，大約在250攝氏度左右開始吸收氫，在300攝氏度以上快速吸氫，氫是氣體雜質中對鈦的機械性能影響比較嚴重的因素，焊縫中氫含量對焊縫沖擊性能影響最為顯著主要原因隨著焊縫含氫量增加，焊縫中析出的片狀或針狀 TIH2增加，TIH2強度很低，片狀或針狀的TIH2的作用例為缺口，沖擊性能顯著降低，焊縫含氫量變化對強度的提高及塑性的降低的作用不很明顯，在此時焊縫區及熱影響區的鈦及鈦合金的焊接顏色為金黃色。在540攝氏度以上生成不致密氧化膜。600攝氏度以上快速吸氧，氧在鈦的α相和β相中都有較高的溶解度，并能形成間隙深相，使用全鈦的晶傷中嚴重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性顯著降低。為了保證焊接接頭的性能，除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊接熱影響區發生氧化外，同時還應限制基本金屬及焊絲中的含氧量，此時的焊縫區及熱影響區的表面顏色為藍色或紫色。700攝氏度以上快速吸氮，鈦在700攝氏度以上的高溫下，氮和鈦發生作用，形成TIN而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度比適量的氧引起的后果更嚴重，因此氮對提高工業純鈦焊縫的抗拉強度，硬度降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。此時焊縫區及熱影響區的表面顏色為灰色或暗灰色。空氣中含有大量的氧和氮，鈦材的焊接必須在氬氣保護下進行，在鈦材的焊接中不能使用普通的氬氣，如焊接碳素鋼，低合金鋼或不銹鋼的99.9%的氬氣，因為在含量99.9%的氬氣中有0.1%的其他氣體雜質，它們主要是氧氮氫等，在焊接電弧的高溫作用下可以和鈦及鈦合金的金屬結合，從而降低鈦材的機械性能和抗腐蝕性能。所以鈦材的焊接中要使用高純度氬氣 99.99%以減少因氬氣純度低而降低鈦材機械性能和抗腐蝕性能并符合GB/T4842的規定也可以用氦氣。

碳的影響，碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質，試驗表明當碳含量為 0.13%時碳因為深在α鈦中，焊縫強度極限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用強烈，但是當進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現網狀 TIC，其數量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應力作用下出現裂紋，因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不大于0,1%焊縫含碳量不超過母材含碳量。其他雜質元素的沾污也會引起脆化現象。

鈦材是一種活性元素，特別是在焊接高溫下容易吸收氮、氫、氧，從而使焊縫的硬度、強度增加，塑性韌性減低，引起脆化，碳也會與鈦形成硬而脆的 TIC，易引起裂紋。鈦材的焊接應在空氣潔凈，無塵無煙的環境下進行，因鈦和鋼等許多金屬不能熔焊，鈦在熔焊中嚴禁混入鋼鐵和其它金屬，同時也要注意空氣中鐵離子含量，避免鐵離子污染，在鈦材的打磨和清理中應采用不銹鋼絲刷和碳化硅砂輪，用丙酮或酒精進行焊前清理。

在多年的生產加工中體會到焊接時由于鈦的導熱系數小，熔點較高，高溫停留時間長冷卻速度慢，焊接時容易出現熱量集中，高溫停留時間長，而導致熔合區晶粒粗大，降低接頭綜合性能，若采用加速冷卻又易產生針狀α組織，也會使塑性降低。

鈦及鈦合金的焊接時，焊接接頭產生熱裂紋的幾率極小，這是因為鈦及鈦合金中的S,P,C等雜質含量很少，有S,P 形成的低熔點共晶不易出現在晶界上，產生有效結晶溫度區間窄，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產生熱裂紋，只有在焊絲或母材質量有問題時才可能產生裂紋，由氫引起的冷裂紋才是鈦及鈦合金焊接時應注意和防止的，冷裂紋其特征是裂紋產生在焊后數小時甚至更長時間稱為延遲裂紋。這種裂紋與焊接過程中氫原子的擴散有關，鈦及鈦合金發生在焊縫區，裂紋走向沿晶或穿晶，焊接過程中氫由高溫熔池向較低溫的熱影響區擴散，氫含量的提高使該區析出 TIH2量增加，增大熱影響區脆性，實驗證明接頭含氫量越高則裂紋的裂紋的敏感性越大，另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力，再加上氫原子向該區的高應力部位擴散及聚集，以致形成裂紋。防止產生延遲裂紋的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源，氫的主要來源是焊接材料中的水分，焊件坡口處的油污及環境。

鈦及鈦合金焊接時，焊接氣孔是經常碰到的問題，形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結果，焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。防止產生氣孔的主要方法有：（1）徹底清除焊件表面，焊絲表面的氧化皮，油污等有機物的存在。（2）要保證施焊，即保護氬氣的純度，氬氣的純度應不低于 99.99%（3）保證施焊過程中氬氣對焊縫的，焊接區及熱影響區良好的氣體保護效果。（4）正確選擇焊接工藝參數增加深池停留時間，使氫原子氣泡逸出，可以有效的減少氣孔的產生。

鈦及鈦合金的焊接場地應為獨立區域。若在鐵材作業車間內，應分割成一個獨立的，封閉的鈦材焊接間，在鈦材的焊接環境下要注意以下情況應禁止應禁止施焊當風速大于1.5m/s，相對濕度＞80%以上兩種情況是指以電弧為中心的一米范圍內，當焊件溫度低于5攝氏度時，可以對焊件進行預熱，預熱寬度應為始焊處100mm范圍內預熱到15攝氏度以上，而在有雨雪時（室外作業時）注意防雨雪措施。

2 鈦材的焊絲與焊接設備

焊絲（包括填充絲）應使正常焊接工藝下的焊縫焊后狀態的抗拉強度不低于母材退火狀態的標準下限值，焊縫焊后狀態的塑性和耐蝕性能不低于退火狀態的母材或母材相當，所以焊絲的氮、氧、碳氫、鐵等雜質元素的標準含量上限值應低于母材雜質元素的標準含量上限值，國內有些制造廠從母材鈦板上裁條作為焊絲，這樣使得鈦焊縫塑性和韌性比母材低得多，到使鈦設備的焊縫開裂成了鈦制設備的主要失效形式，鈦制設備的機械性能降低（拉神、彎曲）。焊絲應保持清潔干燥，施焊前應去除端部以被氧化的部分，焊絲表面如果有氧化應進行化學清洗。鎢極氬弧焊時推薦采用鈰鎢電極也可采用其他鎢極。焊接前應對焊接坡口及其兩側各25mm，范圍內進行表面清理，去除油污、氧化物、水分、有機雜質等，施焊前用丙酮或乙醇清洗脫脂。如清洗后4h未焊，焊前應重新清洗。

3 焊接要點及注意事項

在手工鎢極氬弧焊時（以平板對接為例）我們所使用的焊接電流種類為直流正接，它的熔深深，熔寬窄的特點，在兩極熱量比例中，工件70%而鎢極30%的熱量，因沒有陰極清理作用所以我們要在焊接前認真做好焊前的每一項工作。平焊是最容易焊接的焊接位置，首先要進行定位焊，在鈦焊的定位焊時（定位焊的長度30～50mm）焊接完成后焊槍和焊絲不要離開焊件，焊件在焊槍的滯后停氣時有1～2min的送氣時間可對定位焊的焊縫進行隔離空氣和對高溫金屬的冷卻，在定位焊完成后進行封底焊接，焊接時應減少焊槍角度，使電弧熱量集中在焊絲上，采取較小的焊接電流，加快焊接速度和送絲速度，避免焊縫下凹和燒穿，在焊接過程中密切注意焊接工藝參數的變化及相關系數，隨時調整焊接速度和焊槍角度，保證背面焊縫成形良好，在焊接的同時也要注意焊槍后面的惰性氣體保護拖罩，和焊件背面的惰性氣體保護拖罩，保護拖罩可用1.5mm的銅板做成長120mm寬80mm高50mm的長方κα體見圖1。

圖1 保護拖罩

圖中φ6為1.5mm厚的銅管，在銅管上鉆8個等距的φ1的孔用來能夠勻速出氣。

在正面焊接時，正面保護焊時保護拖罩離焊槍的距離以8～12mm為益，過遠焊縫的保護的保護效果不好，容易產生紫色或灰色，降低焊縫金屬的抵抗腐蝕的能力，過進不利于焊槍的操作，而產生焊接缺陷。在焊接同時也要注意焊縫的背面保護，為能使焊縫背面保護的更好背面的保護拖罩比正面的保護的保護拖罩長30～40mm，保護罩的前端在焊接電弧前 10～20mm從而使整個焊縫在焊接過程中全部在氬弧的保護下，已得到性能優良的焊縫的焊縫組織。平焊時焊槍與填絲及焊件的位置見圖2。

在圖中焊槍與拖罩正面平行，焊槍與工件成 70～80度角，焊絲與工件成20～30度夾角。

圖2 焊槍與填絲及焊件的位置

焊接時，首先要檢查圓弧坑的焊縫質量，如果保護效果好，無氧化等缺陷時，可直接接頭。如果有缺陷，要處理完缺陷，方能進行焊接。接頭方法是在弧坑右側15～20mm側引弧，慢慢向左移，等弧坑開始熔化，并形成熔池和熔孔后，進行送絲焊接，收弧時要注意焊槍與工件的夾角，加大焊絲容化量填滿弧坑，打底焊完成以后，要進行填充焊，填充焊接時注意事項同打底焊焊槍的橫向擺動幅度比打底時稍大，在坡口兩側稍加停留，保護坡口兩側熔合好，焊道均勻填充焊時不要熔化坡口的上棱邊，焊道比工件表面低 1～1.5mm左右。最后蓋面焊，要進一步加大焊槍擺動幅度，保證熔池兩側超過坡口棱邊0.5～1.5mm左右。根據焊縫的余高決定填充速度和焊接速度。焊接完成后在不改變焊縫區和熱影響原始狀態的表面顏色進行檢驗表1（注2）。

表1 鈦焊縫和熱影響區表面顏色的規定