工業純鈦TA2焊接保護原因分析

王 娜，高 磊，于霄航，紀 強，

（1. 撫順化工機械設備制造有限公司, 遼寧 撫順 113122； 2. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；3. 中國有色（沈陽）冶金機械有限公司, 遼寧 沈陽 110141）

工業純鈦TA2焊接保護原因分析

王 娜1，高 磊2，于霄航3，紀 強1，

（1. 撫順化工機械設備制造有限公司, 遼寧 撫順 113122； 2. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；3. 中國有色（沈陽）冶金機械有限公司, 遼寧 沈陽 110141）

工業純鈦具有較高的化學活性，焊接過程中對加熱溫度比較敏感，很容易吸收氫、氧、氮等雜質元素而影響材料的性能。通過對試樣進行250、400、600、800、1 000 ℃加熱，根據TA2的表面顏色變化、組織變化及硬度變化來分析其保護原因及其保護必要性，從而確定保護范圍，為焊接做好必要的準備。

TA2；保護原因；保護范圍

鈦是一種新型的有色金屬，具有一系列優點，例如密度小、耐蝕性好、比強度高、無毒性等，因此廣泛應用于航海航空、石油化工、醫療、冶金、造船等領域，被譽為“海洋金屬”、“太空金屬”和“現代金屬”[1]。

在鈦材的加工過程中，焊接技術是最困難的，焊接過程中保護的好壞是保證焊接質量的關鍵。因此，對于鈦焊接保護原因的研究具有十分重要的現實意義。

1 加熱溫度對TA2的表面顏色影響

鈦及鈦合金對溫度比較敏感，受熱過程表面會發生不同的顏色變化，而顏色的變化是判斷其焊接過程中保護好壞的關鍵，將工業純鈦TA2加熱至250、400、600、800、1 000 ℃，不同溫度的表面顏色變化如表1所示。

表1 不同溫度下TA2的顏色Table 1 The color of TA2 at different temperature

從表1中可以看出，隨著溫度的升高，TA2的表面顏色發生了一系列變化，由銀白色轉變為金黃色、藍色、灰色、淡黃色。

TA2不同溫度下的x射線衍射分析圖如圖1所示，400 ℃以下主要成分為Ti，600 ℃時氧化產物為Ti6O，800 ℃時除Ti6O外，還出現了新的氧化物TiO2，1 000 ℃時為Ti6O和TiO2，但Ti6O在減少，TiO2增加，根據x射線衍射分析，不同溫度下的顏色變化主要是由于吸收氧而引起的，這也說明了氧化程度隨溫度的升高而加劇。在試驗中還發現加熱至1 000 ℃時，會有淡黃色氧化皮脫落，基體表面呈多孔性，這時氧將通過薄膜中的小孔繼續氧化基體金屬，進而會導致TA2的耐蝕性的降低，由于TA2隨著溫度升高時，致密的表面氧化膜破裂脫落而造成的[2]。同時隨著溫度的升高氧化膜在不斷的增厚，如果氧化產物殘留在焊縫中，會形成夾雜等缺陷，影響焊接接頭的性能，因此從顏色變化上看，TA2焊接時，400 ℃以上的區域都要進行保護。

2 加熱溫度對TA2的組織影響

材料的顯微組織決定性能，工業純鈦TA2在焊接過程受熱循環的影響，組織會發生不斷的變化，進而影響材料的性能，TA2在250、400、600、800℃、1 000 ℃下的金相組織如圖2所示。

圖1 不同溫度下TA2的X射線衍射分析圖Fig.1 XRD of TA2 at different temperature

圖2 TA2在不同溫度下的金相組織Fig.2 The microstructure of TA2 at different temperature

從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，晶粒有長大的趨勢，在250 ℃時，晶粒變化不大，在400℃時，晶粒開始長大，尤其是在1 000 ℃時，晶粒由等軸狀的組織轉變為粗大的片層狀組織，晶粒呈柱狀從邊界向內長大，每一組相互平行的柱狀組織交錯排列[3]。不同溫度下TA2的組織中并未發現類似金屬夾雜物、金屬間化合物等其他組織出現，但在焊接過程中，由于焊材的熔入、焊接熱循環的復雜影響，焊接接頭的組織極易受到影響，因此焊接過程中充氬保護或真空保護是必不可少的。從晶粒的長大趨勢上看，雖然不能為保護提供有力的證據，但為焊接參數的選擇奠定了基礎，由于鈦的熔點高，熱導率低，相變溫度區間較大，高溫停留時間長，晶粒極易長大，而且在相變溫度以下冷卻速度也較大，極易形成針狀馬氏體，從而影響焊接接頭的性能，因此，焊接過程中要嚴格控制焊接參數，即選擇小的熱輸入，快的焊接速度，降低由于晶粒粗大而引起的接頭性能的惡化[4,5]。

3 加熱溫度度對TA2的硬度的影響

將加熱至不同溫度的試件進行顯微硬度測試，載荷為100 g，保持時間10 s，目鏡放大倍數為40倍，加熱后未經表面處理的試樣硬度如表2所示，去除表面氧化膜的試樣硬度如表3所示。

表2 不同溫度下未去除表面氧化膜試樣硬度Table 2 The hardness of the sample with oxide film at different temperature

表3 不同溫度下去除表面氧化膜試樣的硬度Table 3 The hardness of the sample without film

從表2和3中可以看出，對于加熱后直接進行硬度測試的試樣，隨著溫度升高，在加熱溫度≤600℃時硬度變化不大，溫度為800 ℃時硬度劇烈增加，這主要是由于在此溫度以下TA2氧化物較少，800 ℃時Ti6O和TiO2都在增加，1 000 ℃時TiO2增加，Ti6O減少，氧化物增加，硬度顯著增加。將試樣表面打磨后進行硬度測試，硬度與室溫時TA2的硬度大小差不多。實驗足以證明硬度的升高主要是由于TA2表面氧化程度的增加而引起的，硬度的升高將會帶來脆性的增加，給焊接接頭帶來安全隱患，因此焊接過程中一定要做好保護，防止污染焊接接頭。

4 結 論

（1）工業純鈦TA2焊接時，從400 ℃時顏色發生了明顯變化，由銀白色轉變為金黃色、藍色、灰色、淡黃色，在1 000 ℃以下時主要是氧滲入。（2）晶粒從400 ℃開始逐漸增大，但在1 000℃以下時長大速率并不大，晶粒形狀變化不大，1 000 ℃時晶粒明顯長大，由等軸狀轉變為粗大的片層狀，晶粒長大雖不能作為保護的有效證據，但有利于焊接參數的選擇；

（3） 隨著溫度升高，在加熱溫度≤600 ℃時TA2硬度變化不大，溫度為800 ℃時硬度劇烈增加，硬度的升高將會帶來脆性的增加，給焊接接頭帶來安全隱患；

因此，從顏色變化、硬度變化上看，TA2焊接時，溫度達到400 ℃以上的區域都要進行保護。

［1］ 張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應用[M]．北京：化學工業出版社，2005．

［2］ 李亞江，王娟，劉強．有色金屬焊接及應用[M]．北京：化學工業出版社，2006．

［3］ 王群驕，有色金屬熱處理技術[M]．北京：化學工業出版社，2008．

［4］ 王娜，高磊，張瑩瑩，劉進生．工業純鈦TA2的焊接[J]．熱加工工藝，2010，39(5)：32-133.

［5］ Qi Yunlian , Deng Ju, Hong Quan, et al. Electron beam welding, laser beam welding and gas tungsten arc welding of titanium sheet[J]．Materials Science and Engineering , 2000,A280:177-181．

Reason Analysis of Industry Pure Titanium TA2 Welding Protection

WANG Na1，GAO Lei2，YU Xiao-hang3，JI Qiang1
（1. Fushun Chemical Machinery Equipment Manufacture Co., Ltd. Liaoning Fushun 113122, China; 2. Liaoning Shihua University , Liaoning Fushun 113001，China; 3. China Nonferrous (Shenyang)Metallurgical Machinery Co., Ltd. ,Liaoning Shenyang 110141, China）

Industry pure titanium is very active in chemistry and sensitive to heat，it is inclined to absorb hydrogen, oxygen and nitrogen, which will have serious influence on material property. In this paper, the sample was heated to 250,400,600,800 and 1 000 ℃; changes of titanium’s surface color, microstructure and hardness with increasing of temperature were analyzed, and reasons and range of the protection were determined, which could lay a strong foundation for welding.

TA2 ; Reason of protection;Range of protection

TG 457

A

1671-0460（2015）01-0151-04

2014-06-29

王娜（1981-），女，遼寧蓋州人，工程師，碩士，2011年畢業于遼寧石油化工大學材料加工專業，研究方向：從事壓力容器設計、制造、焊接及高效換熱器的研發。E-mail：1259146137@qq.com。