鈦及鈦合金的焊接

李興宇，李 芳，2，牟 剛，2，華學明，2，王 敏，2，孔 諒，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重點實驗室（上海交通大學），上海200240；2.先進船舶與深海勘探協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

鈦及鈦合金的焊接

李興宇1，李 芳1，2，牟 剛1，2，華學明1，2，王 敏1，2，孔 諒1，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重點實驗室（上海交通大學），上海200240；2.先進船舶與深海勘探協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

鈦及鈦合金因其優(yōu)異的綜合性能和獨特功能被廣泛應用于航空航天和海洋工程等重要領域，而不同類型的鈦及鈦合金的性能各不相同。介紹鈦及鈦合金的分類及其焊接特性，分別描述工業(yè)純鈦、α型鈦合金、α+β型鈦合金、近β和β型鈦合金的分類方法、添加元素及基本特性，綜述不同類型的鈦及鈦合金的國內外焊接研究現(xiàn)狀，重點關注各種鈦及鈦合金的焊接方法、焊后組織和性能，歸納總結各種鈦及鈦合金的主要焊接方法為TIG焊、激光焊和電子束焊。

鈦；鈦合金；激光焊；電子束焊；鎢極氬弧焊

0 前言

鈦及鈦合金因密度小、比強度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異的綜合性能，以及形狀記憶、生物相容等獨特功能，被廣泛應用于航空航天、海洋工程、石油化工和生物醫(yī)學等領域[1-3]。由于鈦合金多應用于重要、復雜的結構件中，而焊接技術在減輕結構質量、獲得穩(wěn)定結構、高效、減少材料消耗等方面獨具優(yōu)勢，因此需要大力發(fā)展鈦合金的焊接技術[4]。

1 鈦及鈦合金的分類及焊接性

鈦是同素異構體，在882℃以下為HCP結構，稱為α鈦；882℃以上呈BBC結構，稱為β鈦。工業(yè)純鈦中主要含有氧、鐵、碳、硅等雜質元素，這些雜質元素多起到固溶強化作用。工業(yè)純鈦具有中等的強度、良好的塑韌性和優(yōu)秀的耐腐蝕性能[5-7]。

以鈦為基加入其他元素組成鈦合金，主要分為α型、近α型、α+β型、近β型和β型鈦合金。α型鈦合金中加入了α穩(wěn)定元素Al，具有韌性好、抗氧化能力強、焊接性優(yōu)良等特點；近α型鈦合金中加入了少量β穩(wěn)定元素，抗蠕變性能和耐熱性較好；近β型鈦合金中β穩(wěn)定元素略高于臨界濃度，具有高強度和良好的塑韌性；β型鈦合金[8]中含有大量Mo、V等β穩(wěn)定元素，加工性能好，但高溫性能和焊接性較差；α+β型鈦合金兼顧有α型和β型鈦合金的優(yōu)點，為目前應用最廣泛的鈦合金。

鈦及鈦合金的特性如下[9-10]：

（1）鈦的熔點高（純鈦熔點1 720℃）、導熱性差，焊接過程中極易過熱而導致組織粗化，焊接時需要控制熱輸入量，防止晶粒粗化。

（2）接頭易脆化。鈦在高溫下活性強，極易被空氣、油污、水分等污染導致接頭的塑性和韌性降低，造成接頭脆化。因此焊接時需對熔池和溫度較高部位進行有效保護。

（3）冷裂紋傾向大。當接頭中氫、氧、氮等元素含量較多時，會導致接頭變脆，在焊接過程中產(chǎn)生的內應力作用下易開裂。

（4）氣孔率大。鈦在高溫下吸氫、吸氧、吸氮，與這些元素發(fā)生反應極易產(chǎn)生氣孔。

（5）焊接變形大。鈦的彈性模量較小，焊接殘余變形大，因此焊接時應將工件壓緊。

2 鈦及鈦合金的焊接研究現(xiàn)狀

2.1 工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦強度中等、塑性優(yōu)良、耐腐蝕性能優(yōu)異，其焊接的相關研究主要集中在TIG焊和激光焊。

S.M.Carvalho、劉芝俠等人分別研究了純鈦的激光焊接。S.M.Carvalho[11]對壁厚0.5 mm的TA2管采用激光功率200 W、焊接速度2 m/min和激光功率250 W、焊接速度3 m/min兩種參數(shù)焊接，焊縫兩側柱狀晶向中心生長，焊縫中心為等軸晶并存在孿晶，晶粒內部為交錯排列的針狀馬氏體；熱影響區(qū)的晶粒沿熱流方向略微被拉長；焊縫硬度高于母材，接頭拉伸強度也高于母材。激光功率200 W，焊接速度2 m/min的接頭疲勞強度值最高，接近母材。劉芝俠[12]對3 mm厚TA2板材進行激光焊接，激光功率3 kW，焊接速度3 m/min，焊縫組織為針狀α'、沿晶界析出的α相和鋸齒狀α相，接頭相對母材抗拉強度有所提高，塑性下降。

A.Karpagaraj、劉治宇、郭靖等人分別研究了純鈦的TIG焊接。A.Karpagaraj[13]和劉治宇[14]的研究均顯示熱影響區(qū)和焊縫晶粒明顯比母材粗大，焊縫組織為沿著β晶界向不同方向生長的層片狀α晶和相對細小的針狀α'相；拉伸實驗均斷裂于母材，接頭強度超過母材強度，延伸率無明顯下降，拉伸性能良好；焊縫硬度值最高，熱影響區(qū)次之，這是因為細片狀α相越多，硬度值越高。劉治宇[14]對5mm厚TA2板TIG焊的研究得出，最佳工藝參數(shù)為焊接電流170 A、焊接速度2 mm/s。A.Karpagaraj[13]采用的保護方式為：一級保護為常規(guī)焊槍中通氣以保護熔池；二級保護為在焊槍后面安裝隨焊前行的拖罩，以保護仍處于高溫的焊道，同時背面通保護氣以保護焊縫背面。郭靖[15]對壁厚5 mm的TA2管材進行雙層TIG焊，對接頭進行電極電位腐蝕實驗和電偶電位腐蝕實驗，結果表明母材、熱影響區(qū)和焊縫的點蝕電位都很高，說明接頭的耐蝕性很好，其中熱影響區(qū)耐蝕性最優(yōu)，母材次之。

綜合以上研究結果可知，工業(yè)純鈦焊接后的焊縫組織為鋸齒狀α和針狀α'相，接頭強度基本上達到或超過母材強度，但塑性可能下降。

2.2 α型鈦合金

國內對于α型鈦合金的焊接主要采取等離子弧焊和鎢極氬弧焊，國外則鮮有此類文獻。

廖志謙[16]采用等離子弧焊（焊接電流255 A，焊接速度140 mm/min）實現(xiàn)了12 mm厚TA5板的無坡口單面焊雙面成形。焊縫組織為殘余β相和針狀馬氏體α＇，且β晶界明顯。接頭的拉伸強度與母材相當，斷裂位置為母材；焊縫和熱影響區(qū)硬度均高于母材，但塑性降低，沖擊韌性也下降。

羅偉中[17-18]、魏曉棠[19]均研究了 TA7鈦合金TIG焊接。焊縫組織為針狀α＇相，熱輸入增大會形成粗大魏氏組織，降低接頭塑性。

α型鈦合金焊縫組織為α相，但不同牌號合金、不同焊接方法所得到的α形態(tài)不同，而所得接頭的塑韌性普遍下降。

2.3 近α型鈦合金

國內外對于近α型鈦合金均有研究，且主要集中在激光焊和電子束焊。

B.K.Damkroger等人[20]發(fā)現(xiàn)近α型鈦合金電子束焊接焊縫組織主要為針狀、板條狀或集束狀α。TEM結果發(fā)現(xiàn)在焊縫區(qū)原生的β晶粒內部，平行排列的初生板條狀α相將晶粒劃分成許多小區(qū)域；次生α＇相則在這些區(qū)域內呈不同尺寸交錯排列。

劉昌奎[21]對比TA15合金TIG焊和電子束焊接接頭發(fā)現(xiàn)，TIG焊焊縫為粗大柱狀晶，晶內有較多粗大針狀α＇無規(guī)則排列，呈魏氏組織狀；而電子束焊縫為較均勻等軸晶，大量細針狀α＇和少量片狀α＇形成于晶粒內部，其魏氏組織特征沒有TIG焊縫明顯。這是因為TIG焊熱輸入大，針狀α＇可充分長大。TIG和電子束焊接頭抗拉強度與母材基本相當，塑性明顯降低（TIG降低嚴重）。

黃松[22]采用激光功率2 kW、焊接速度1.2 m/min對2.5 mm厚TA15鈦合金進行焊接。發(fā)現(xiàn)焊縫為粗大柱狀晶，晶內為大量馬氏體針；熱影響區(qū)靠近熔合線處為粗大等軸晶，并且晶內存在α＇馬氏體針，晶界上還存在初生α相，離焊縫較遠處僅部分晶粒發(fā)生馬氏體相變，而遠離熔合線處未發(fā)生馬氏體相變，這與A.Chamanfar[23]的研究相吻合。

近α型鈦合金的焊縫組織通常為針狀馬氏體α＇，形成羽毛狀魏氏組織或網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)通常有晶粒尺寸的突變。

2.4 α+β型鈦合金

α+β雙相合金是目前應用最廣泛的鈦合金，其中對TC4合金的研究最多，且主要集中在激光焊、電子束焊和TIG焊。

Nikolai Kashaev等人[24]研究了2.5 mm厚TC4板的激光填絲焊。激光功率2.6～3 kW，焊接速度1.8～3.12 m/min，送絲速度分別為1 m/min和1.5 m/min。所有全熔透焊縫均為沙漏狀，與Lisiecki等人[25]的研究結果吻合。焊縫組織為針狀馬氏體α＇，且焊縫上部晶界上存在二次相αm，這是由于焊縫上部熱輸入大，冷卻速度相對較慢。由于針狀馬氏體的存在，焊縫及臨近焊縫的熱影響區(qū)硬度值明顯高于母材；接頭的拉伸強度與母材相當，但塑性有所降低。

J.Ahn等人[26]研究了焊接參數(shù)對TC4激光焊焊縫組織的影響。發(fā)現(xiàn)低熱輸入可獲得更細小的焊縫晶粒和更細小的針狀馬氏體α＇，而高熱輸入時晶粒易粗化，且晶界上會出現(xiàn)二次α相。

T.S.Balasubramanian等人[27]對比了TC4激光焊、電子束焊和TIG焊接頭的性能，發(fā)現(xiàn)電子束焊接頭強度最高。推斷其原因是電子束焊接頭組織中的鋸齒狀α相和規(guī)則的層片狀α相為接頭強度提供了保證。

B.Mehdi等人[28]研究了TC4合金脈沖TIG焊。發(fā)現(xiàn)脈沖頻率增加有利于細化初生β晶粒，并且會在組織中保留更多的殘余β相，從而降低接頭硬度。

程東海[29]對0.8 mm厚TC4鈦合金激光焊接給出工藝參數(shù)窗口為激光功率1～1.3 kW，焊接速度1.5～3 m/min，所得焊縫力學性能良好，拉伸試樣均斷于母材。焊縫組織為粗大柱狀晶內部針狀馬氏體α＇交織而成的網(wǎng)籃狀組織；熱影響區(qū)既有原生α和 β相，也含有部分針狀α＇相，且越靠近焊縫，晶粒越粗大，α＇相更多。這一研究結果與徐潔潔[30]和張啟良[31]的研究相吻合。

吳巍[32]研究了TC4鈦合金TIG焊接接頭的宏觀金相，主要分為焊縫區(qū)、粗晶區(qū)、過渡區(qū)和母材。焊縫和粗晶區(qū)晶粒粗化嚴重，從過渡區(qū)到粗晶區(qū)之間晶粒尺寸突然變大。

尹麗香[33]發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金電子束焊縫組織為針狀馬氏體α＇交錯排列而成的網(wǎng)籃狀組織，且由于快速冷卻過程中來不及轉變，焊縫區(qū)針狀馬氏體晶界處還存在極少量的殘余β；熱影響區(qū)組織為均勻的針狀α＇和原始α混合物，且比焊縫組織細小。接頭的室溫性能和高溫性能均良好。

TC4雙相合金焊縫通常為網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)晶粒尺寸變化較為明顯，分為粗晶區(qū)和過渡區(qū)；并且TC4合金焊接接頭拉伸強度和延伸率均較高，綜合力學性能良好。

2.5 近β型和β型鈦合金

關于近β型鈦合金和β型鈦合金的焊接相關研究較少，且集中在電子束焊接。

高瑩[34]采用TB2電子束焊接鈦合金，并進行了焊前固溶處理和焊后時效處理。焊縫中心為胞狀樹枝晶，β柱狀晶向焊縫中心生長，時效后α相彌散析出。焊縫硬度最高，熱影響區(qū)次之，接頭強度與母材相當，但塑性有所下降。卓忠玉[35]進行TB2鈦合金TIG焊，同樣發(fā)現(xiàn)接頭塑性相對母材大幅度下降。

張翥[36]對TB10鈦合金進行電子束焊接，以及焊前和焊后熱處理。熱處理后焊縫和母材組織主要為β柱狀晶、粗大的初生針狀α相和短小的針狀α＇相，并且焊縫中的α＇更粗大。提高固溶溫度可以提升接頭沖擊韌性，但仍低于母材。

雖然近β型和β型鈦合金的強度和韌性較高，但因其焊接性較差，焊接接頭性能大大低于母材。目前的研究大多集中在通過焊前和焊后熱處理來改善焊接接頭的性能。

3 結論

綜合已有文獻，不同類型鈦及鈦合金采取的焊接方法如表1所示。

工業(yè)純鈦焊接多采用TIG焊和激光焊。工業(yè)純鈦的焊縫組織大多為鋸齒狀α和針狀α＇相，接頭強度基本達到或超過母材強度，激光焊接頭更有利于提高接頭疲勞性能，而TIG焊接頭耐腐蝕性能更優(yōu)。

表1 不同類鈦及鈦合金的焊接方法

α型鈦合金的焊接主要采取等離子弧焊和鎢極氬弧焊。其焊縫組織均為α＇，但不同牌號的合金和焊接方法所得到的α＇形態(tài)不同，而所得接頭的塑性和韌性普遍下降。

近α型鈦合金主要采用激光焊和電子束焊。焊縫組織為針狀馬氏體α＇，并且常常形成羽毛狀魏氏組織或網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)有晶粒尺寸的突變。α＇相的存在導致焊縫硬度明顯高于母材。

α+β雙相合金中TC4合金的研究最多，且主要集中在激光焊、電子束焊和TIG焊。TC4雙相合金焊縫通常為網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)晶粒尺寸變化較為明顯，分為粗晶區(qū)和過渡區(qū)；TC4合金焊接接頭拉伸強度和延伸率均較高，綜合力學性能良好。

β型鈦合金和近β型鈦合金的焊接相關研究較少。雖然它們的強度和韌性較高，但因其焊接性較差，焊接接頭的性能總是大大低于母材，目前的研究大多集中在通過焊前和焊后熱處理來改善焊接接頭的性能。

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Welding of titanium and titanium alloys

LI Xingyu1，LI Fang1，2，MU Gang1，2，HUA Xueming1，2，WANG Min1，2，KONG Liang1，2
（1.Shanghai Key Laboratory of Material Laser Processing and Modification（Shanghai Jiaotong University），Shanghai 200240，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China）

Titanium and titanium alloys have been widely used in many fields such as aerospace and ocean engineering because of their excellent comprehensive properties and unique functions.The classification and welding characteristics of titanium and titanium alloys are introduced.The classification methods，addition elements and basic properties of pure titanium，α titanium alloy，α+β titanium alloy near β and β titanium alloy are studied.And focus on the welding methods and microstructure and properties of titanium and titanium alloy，it is concluded that the main welding methods of titanium and titanium alloys are TIG welding,laser welding and electron beam welding.

titanium；titanium alloys；laser welding；electron beam welding；TIG

TG409

C

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于U G的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機，2017，47（03）：1-6.

2016-11-28；

：2017-04-05

國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0301200）

李興宇（1995—），男，漢族，江蘇連云港人，在讀碩士，主要從事鈦合金激光焊接的研究。