钛及钛合金的焊接

钛具有良好的抗腐蚀性能，因此钛设备在化工生产中被广泛应用。但钛的焊接具有一定的难度，特别是生产现场，没有严格按焊接工艺施焊就会造成裂纹和气孔。

1、钛及钛的分类和特点

国产工业纯钛有 TA1、TA2、TA3 三种，其区别在于含氢氧氮杂质的含量不 同，这些杂质使工业纯钛强化 ，但是塑性显著降低 。工业纯钛尽管强度不高，但塑性及韧性优良，尤其是具有良好的低温冲击韧性；同时具有良好的抗腐蚀性能。所以，这种材料多用于化学工业、石油工业中。

2、钛及钛合金的焊接性

2．1 气体及杂质污染对焊接性能的影响

在常温下 ，钛及钛合金是比较稳定的。但在焊接过程中，液态熔滴和熔 池金属具有强烈 吸收氢 、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升 ，大约在 250℃ 左右开始吸收氢，从 400 ℃开始吸收氧，从 600 ℃ 开始吸收氮，这些气体被吸收后 ，将会直接引起焊接接头脆化 ，是影响焊接质量的极为重要的因素。

(1)氢的影响 

氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著 ，其主要原因是随焊缝含氢量增加 ，焊缝中析出的片状或针状Tih2增多。

(2)氧的影响 

氧在钛的 α相和β中都有较高的熔解度。为了保证焊接性能 ，除了在焊接过程中严防焊缝及焊缝热影响区发生氧化外 ，同时还应 限制基本金属及焊丝中的含氧量。

(3)氮的影响 

在 700℃以上的高温下 ，氮和钛发生剧烈作用 ，形成脆硬 的氮化钛 (TiN )而且氮化钛形成间隙固溶体时所引起 的晶格歪挪程度 ，比适量的氧引起的后果更为严重，因此，氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度 、硬度 ，降低焊缝的塑性性能比氧更为显著 。

(4)碳的影响 

碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为 0.13％时，碳因深在α钛中，焊缝强度极限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时，焊缝却出现网状TiC ，其数量随碳含量增高而增多，使焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹。因此，钛及钛合金母材的含碳量不大 于0．1％ ，焊缝含碳量不超过母材含碳量 。

2．2 焊接接头裂纹问题

钛及钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小 ，这是因为钛及钛合金 中 S、P 、C等杂质含量很少，由S、P 形成的低熔点共晶不易出现在晶界上 ，加之有效结晶温度区间窄小 ，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。钛及钛合金焊接时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢氮的扩散有关。焊接过程中氢 由高温深池 向较低 温的热影响区扩散 ，氢含量的提高使该区析出TiH2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集 ，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源，焊完后需进行真空退火处理 。

2．3 焊缝中的气孔问题

钛及钛合金焊接时，气孔是经常碰到的问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度 。防止产生气孔的工艺措施主要有：

(1)保护氩气要纯，纯度应不低于 99．99％ ；

(2 )彻底清除焊件表面 、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物 ；

(3)对熔 池施 以 良好 的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果；

(4)正确选择焊接工艺参数，增加溶池停留时间 ，可有效地减少气孔 。

3、钛板手工钨极氩弧焊焊接

钛及钛合金焊接生产 中应用最多是钨板氩弧焊。氩弧焊的电弧在氩气流的保护与冷却作用下，电弧 热量 较为集 中，电流密度高，热 影响区小 ，焊接质量较高。钛及钛合金焊接时，当温度高于 500 ℃ 一700℃ 时，很 容 易 吸 收 空 气 中 的氧、氢和氮，严重影响焊接质量。因此，钛及钛合金焊接时，对熔池全面及 高温 部分 (400 ℃ ～650℃以上)的焊缝区必须严加保护，为此 ，钛及钛合金焊接时必须采取特殊的保护措施，一般采用充氩保护拖 罩 。焊 缝 和近 焊缝 区颜 色 是保 护 效果的标志。银白色表示保护效果最好 ，黄色为轻微氧化。表面颜色应符合表 1 规定。

钛及钛合金氩弧焊时，还应注意焊道 的背面保护 ，考虑到焊接变形 ，采用开槽 固定铜垫板的方法进行充氩保护，为了使焊道背面充分保护，又在槽中加多孔铜管，使氩气经铜管孔均匀的进入保护区，保护效果良好，焊道背面呈银白色。

手工钨板氩弧焊焊接工艺及参数的选择

3.1 焊前准备 

焊件和焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响必须严格清理 。钛板及钛焊丝可采用机械清理及化学清理两种方法。①机械清理对焊按质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可用细砂纸或不锈钢丝刷擦拭，但最好是用硬质合金刮削钛板 ，去除氧化膜。②化学清理 焊前可先对试件及焊丝进行酸洗 ，酸洗液可用 H F5％ + HNO 5％的水熔液。酸洗后用净水冲洗，烘干后立即施焊。或者用丙酮 、乙醇 、四氯化碳 、甲醇等擦拭钛板坡口及其丽侧(各50mm内)、焊丝表面、工夹具与钛板接触的部分 。

3.2 焊接设备的选择  

钛及钛合金金钨板氩弧焊应选用具有下降外特性 、高频 引弧 的直流氩弧焊电源，且延迟送气时间不少于 15 S，避免焊接区域遭受到氧化 、污染。

3.3 焊接材料的选择 

氩气纯度应不低于99．99％ ，当氩气瓶中的压力 降至 0．981 M Pa 时，应停止使用 ，以防止影响焊接接头质量。原则上应选择与基本金属成分相 同的钛丝，有时为了提 高焊缝金属塑性 ，也可选用强度 比基本金属稍低的焊丝 。

3.4 坡口形式的选择

原则上尽量减少焊接层数和焊接金属。随着焊接层数的增多，焊缝累计吸气值增加，以至影响焊接接头性能，又由于钛及钛合金焊接时焊接熔池尺寸较大，因此试件开单 V 型70°～80°坡 口。

3.5 焊接参数选择 

通过对不 同工艺下的焊接接头性能的对比，摸索出较合适的焊接工艺规范。焊接电流为95A、115A、120A，按此参数施焊，焊缝表面呈银白、浅黄色，x 射线探伤无缺陷，机械性能弯曲试验合格、拉伸强度也符合要求，焊接接头性能达到技术要求，此工艺比较合适。气体流量的选择以达到良好的保护效果为准，过大的流量不易形成稳定的层流，并增大焊缝的冷却速度，使焊缝表面层出现较多的 O／相 ，以至引起微裂纹。拖罩中的氩气流量不足时，焊缝呈现出不同的氧化色泽 ；而流量过大时，将对主喷嘴的气流产生干扰作用。焊缝背面的氩气流量也不能太大，否则会影响到正面第一层焊缝的气体保护效果。

3.6 钛及钛合金手工钨极氩弧焊操作要领

 ①手工氩弧焊时，焊丝与焊件 间应尽量保持最小 的夹角(10°～15°)。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送人熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。②焊接时，焊枪基本不作横向摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度也不宜太大，以防止影响氩气的保护。③断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到350 °以下时方可移开焊枪。

4、结论

（1）钛及钛合金焊接的气体保护问题是影响焊接接头质量的首要因素；

（2）钛及钛合金焊接时应尽量采用小的热输入；

（3）手工钨极氩 弧焊 时，应严格控制氢 的来源 ， 防止冷裂纹的产生 ，同时应注意防止气孔 的产生；

（4）焊接场所保持清洁、干燥、无灰尘飞扬；

（5）焊件表面清理后不宜久放 ，应立即组装进行焊接，以避免重新受污染；

（6）因板厚需要多道施焊时，每道 焊接前均需检查上道焊是否受污染或表面是否有污物 。若是受污染或污物 ，必须处理干净才能焊下一道 ；

（7）在焊接过程中，每焊完一道，都进行焊层表面颜色检查 ，焊缝及热影响区的表面颜色应呈银 白 色或金黄色 ；

（8）只要严格按照焊接工艺要求施焊 ，并采取有效的气体保护措施 ，即可获得高质量的焊接接头。

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