鈦及鈦合金焊接特性與工藝要點分析

王牛俊

（陜西國防職業技術學院，陜西 西安 710302）

鈦及鈦合金焊接特性與工藝要點分析

王牛俊

（陜西國防職業技術學院，陜西 西安 710302）

由于鈦及鈦合金具有密度小、強度高、耐腐蝕等優點，所以在我國的航天航空及石油化工等領域中得到了廣泛的應用。雖然鈦制設備的經濟投入較高，但是從全壽命周期考慮仍具有較高的性價比。為了保證鈦及鈦合金設備的制造質量，應該對鈦及鈦合金的焊接特性與工藝要點有詳細的掌控，確保鈦制設備的制造質量。

鈦；鈦合金；焊接；工藝

鈦及鈦合金因為具有較多的優點，所以在我國的航空航天、化工、冶金及造船等領域中應用較為廣泛。鈦及鈦合金焊接是設備制造過程中重要的環節，焊接質量直接關系到鈦制設備的應用性能，為了保證焊接質量，需要熟練了解鈦及鈦合金的焊接特性，并且對焊接工藝有詳細的了解，從而在焊接的過程中，做好充分的準備工作，并且加強焊接工藝質量監督，確保鈦制設備的焊接質量。鈦及鈦合金具有特定的物理和化學性能，所以掌握相關的性能，對提高焊接質量具有重要意義。焊接方法較多，所以應該綜合各方面因素考慮，選擇最佳的焊接方法，嚴格按照焊接工藝操作，避免焊接缺陷的產生，提高鈦制設備整體結構的穩定性。

1 鈦及鈦合金的焊接特性

在焊接材料中，鈦及鈦合金屬于不易焊接的金屬材料，在焊接的過程中，極易和空氣中的氧、氮、氫等元素發生反應，從而導致焊接接頭出現催化、裂紋和氣孔等質量缺陷。所以對鈦及鈦合金的焊接特性進行分析，有利于在焊接過程中采取有效措施避免焊接質量缺陷的產生。

1.1 焊接接頭的脆化

在常溫的狀態下，由于鈦及鈦合金的表面有氧化膜的保護，所以可以保持較為穩定的狀態，但是由于鈦的化學性能比較活潑，所以在焊接的過程中，焊縫熱影響區的鈦材處于熔融狀態時，極易與氧、氮、氫等氣體元素發生反應，形成脆性較大的氧化鈦、二氧化鈦，從而導致焊接接頭處發生脆化，形成焊接質量缺陷。產生焊接接頭脆化的原因，一方面是焊接時熱影響區受到空氣污染，另一方面是受到碳的影響，在母材、焊絲及油污中都含有碳的成分。所以為了避免焊接接頭脆化，可以采用高純度的惰性氣體作為保護氣體，還要注意對母材和焊絲碳含量的控制，做好焊接區域的清潔工作。

1.2 焊接接頭的裂紋

在鈦及鈦合金焊接時，接頭裂紋主要表現為熱裂紋和冷裂紋兩種，形成原因也不相同。因為在鈦及鈦合金中碳、磷、硫等元素的含量較少，所以產生熱裂紋的幾率較小。只有在焊絲存在裂紋或者夾層時，才會使焊縫中產生熱裂紋。冷裂紋一般都會在焊接數小時后才產生，被稱為延遲裂紋。冷裂紋主要是在焊縫中的氧、氫、氮的含量較多時，才會出現。焊接過程中，氫會由高溫熔池向溫度較低的熱影響區擴散，氫化物的析出會引起較大的組織應力，加之氫原子的擴散和聚集，最終就會導致冷裂紋的產生。為了防止冷裂紋的產生，在焊接時可以控制氫的來源，在條件允許時，可以采用真空退火處理。

1.3 焊縫氣孔

氣孔是鈦及鈦合金焊接中比較常見的質量缺陷，影響因素也較多，氧、氫、氮、油污、碳等都會引起氣孔的產生。氫氣是鈦及鈦合金焊縫中的主要氣體，氫氣的來源主要是在高溫時溶入熔池，但是在冷卻時，因為結晶，過飽和狀態下的氫氣無法完全從熔池中逸出，所以，就會積聚在焊縫中形成氣孔。因此，為了降低氣孔的產生，應該做好焊接區的清潔工作，并且加強對有害氣體的防范。所以在焊接前，把母材以及焊絲上的油污清理干凈，對焊絲進行真空去氫處理。在焊件清理后，盡快進行焊接工作，做好防潮工作。此外，嚴格控制焊接的工藝參數，盡量延長熔池的停留時間，為氣泡的逸出留出充裕的時間。

1.4 晶粒傾向

因為鈦的熔點較高、熱熔量大且導熱性差，所以，在焊接時容易出現比較大的熔池，并且熔池溫度較高。這種情況下，在焊縫以及熱影響區的金屬就會長期處于高溫狀態下，晶粒的長大傾向比較明顯，由此，就會導致接頭塑性的斷裂韌性降低。對于這種情況，長大后的晶粒，很難用熱處理的方法來恢復，所以為了避免這種現象的出現，在焊接時應該控制好熱輸入量，采用較小的焊接電流或者較快的焊接速度，從而避免較大的晶粒。

2 鈦及鈦合金焊接工藝與要點

2.1 焊接材料

焊接材料的選擇是焊接工藝中重要的環節，對焊縫質量有極大的影響。對于鈦及鈦合金焊接來講，在選擇焊絲時，盡量選擇與母材成分相同的焊絲，或者是強度略低于母材的焊絲，這樣可以降低焊接接頭的韌性，提高焊接質量。如果實在缺乏標準焊絲，可以在母材上剪下窄條作為焊絲，盡量達到焊絲的使用標準。為了保證焊接工藝的標準性，應該對焊絲進行妥善的保存，做好防潮處理，避免因為焊絲性能發生變化而影響到焊接質量。

2.2 焊接準備

在焊接前的準備工作非常關鍵，應該對焊件表面進行清潔處理，避免因為油污及雜質而導致焊縫出現氣孔、夾渣等質量缺陷。清潔工作主要包括機械清理和化學清理，對于沖壓、剪切和切割下料的工件，在焊接前需要對接頭的邊緣進行機械清理，為焊接做好準備工作。如果焊接工藝要求不高，可以用細砂布或者不銹鋼絲刷將焊縫邊緣的氧化膜去掉，露出里面的光澤。采用氣割下料的工件，可以用丙酮、乙醇或者甲醇將坡口兩側的油污和有機物質擦除干凈。在化學清理中，一般使用鹽酸對焊件焊絲的表面進行清理，但是，經過酸洗或者水洗后的焊件或者焊絲，應該在4小時使用完，否則，應該重新進行清理。焊絲應該在150～200℃的烘箱中保存，隨取隨用，但是在取焊絲時，應該戴白手套，防止焊絲受到潮熱而影響焊接效果。做好對焊件的保護工作，用塑料布掩蓋，防止受到污染，如果焊件受到污染，可以用丙酮或者酒精進行擦洗。

2.3 鈦及鈦合金的焊接工藝

2.3.1 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊是鈦和鈦合金中最常用的焊接方法，在電極棒、熔池、電弧和焊件的受熱影響區中會有氣體狀態的保護，從而隔絕大氣的混入，避免對焊縫產生污染，提高焊接質量。鎢極氬弧焊在連接薄板和打底焊中比較常見，主要用于10mm以下的板材焊接中。此種焊接方法使用高熔點的鎢棒做為電極，將鎢棒和焊件之間的焊絲或者金屬熔化，達到焊接的目的。通常情況下，鎢極氬弧焊有自動焊和手工焊兩種，在手工氬弧焊時，需要使用氬氣保護效果較好的焊槍、托罩，焊槍盡量與焊件的表面保持垂直狀態，鎢極和噴嘴與焊件之間的距離盡量要小。在送絲時，注意將焊絲熔化端控制在氬氣保護區，避免焊絲熔化端發生氧化而影響到焊縫質量。在焊接中斷或者結束焊接時，焊槍要在焊縫保護區停留一段時間，利用氬氣對焊縫進行保護，防止氧化，待焊縫不會發生氧化方可移開。

2.3.2 熔化極氬弧焊

熔化極氬弧焊比鎢極氬弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，采用直流反接方法。為了避免焊槍擺動而影響保護效果及擴大熱影響區，宜采用直線行進方式焊接。為減小氣孔傾向，宜進行慢速焊接，同時要采用雜質少的焊絲，并注意焊接工作環境。

2.3.3 等離子弧焊

等離子弧焊在鈦及鈦合金焊接中也較為常見，同樣是采用氬氣保護，等離子弧焊接使用恒流電源的直流產生的傳熱型等離子體。在使用等離子弧焊時，為了避免產生鈦的氫化物，一般會在氬氣中添加5%～7%的氫，使用無氫的純氬氣或者氬與氦的混合氣體，可以提高電弧的收縮性。在焊接的鈦及鈦合金厚度在1.5～15mm時，可使用小孔焊接。在焊件厚度小于1.5mm時，可采用溶入法試焊，同時還需要加反面成型墊。當鈦板厚度在0.5mm以下時，應該使用微束等離子弧焊接。等離子弧焊的焊接范圍較窄，且焊接的重復性差，所以，對此項焊接工藝的發展造成了一定的影響。

2.3.4 電子束焊

真空電子束焊工藝在鈦及鈦合金中的焊接質量較高，因為是在真空中操作，所以完全避免了空氣的污染，焊縫的焊接質量較高。電子束焊是利用動能和熱能轉化原理，將電子束加速撞擊焊接工件，使焊件熔化，實現焊接。因為電子束焊的能束焦點小，熱量比較集中，所以電子束焊的焊縫較窄，熱影響區小。在焊后產生的晶粒比較均勻，接頭的強度較高，塑性相對較低。但是使用真空電子束焊的缺點是空間有限，所以焊件的尺寸會受到一定的限制，無法進行大批量的生產。

2.3.5 激光束焊

激光束焊穿透能力不如電子束焊，對于大厚度鈦板的焊接，激光束焊比電子束焊更有優勢。激光焊接具有能量密度高的特點，常用于精密零件的焊接，

2.4 焊后處理

鈦及鈦合金在焊接時溫度較高，所以在焊接后應進行熱處理，以消除應力和穩定組織，獲取較好的物理性能。

3 結語

鈦及鈦合金因具有較多優點，所以在航空航天、造船以及冶金等領域中應用比較廣泛。因為鈦及鈦合金自身的物理、化學特性影響，所以在焊接時應該采用嚴格的焊接工藝，并且避免與氧、氫、氦等氣體接觸，提高焊縫質量。所以應該在了解鈦及鈦合金焊接特性后，選擇適宜的焊接方法，嚴格控制焊接工藝，保證焊接質量達到規范標準。

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TG146.23

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：1671-0711（2017）09（下）-0209-02