简析钛及钛合金焊接工艺

1 钛及钛合金的焊接性分析

钛及其合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲和力，液态的熔池和熔滴金属如得不到有效保护，则更容易受到空气等杂质的玷污，脆化程度更严重，给焊接带来困难。同时，钛合金导热性差，电阻系数大，焊接时产生的热量多，热容大，不容易散失，熔化焊时需要用惰性气体或在真空状态进行保护。

O，N，H，C 等常作为杂质元素出现在钛合金中，这些元素本身以及它们的化合物的出现将会严重影响钛的力学和耐蚀性能。氢是影响钛性能的有害元素之一，它会导致钛的塑性与韧性降低，发生氢脆。在冷却时，焊缝中的氢来不及逸出会产生气孔，故一般要求钛材中氢的含量＜0.15%。钛在高温下（600℃以上）还易与氧、氮化合，使得焊接接头的塑性韧性下降，引起气孔和裂纹。

为了避免出现常见的焊接缺陷，同时保证焊缝的力学性能和耐腐蚀性，在焊接钛及其合金时，必须制订合理的焊接工艺，以确保焊接质量。目前常用的焊接钛及钛合金的工艺有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊、钎焊等。钨极氩弧焊是焊接钛合金最常用的焊接方法，主要用于厚度在10mm 以下的钛及钛合金的焊接。

2 几种焊接工艺的比较

2.1 施工场地

钛及钛合金焊接应在专门独立的加工车间内进行，焊接作业处应有挡风防潮措施，一般焊接作业时风速应小于3m/s，相对湿度应小于80%。作业场所应保持清洁，不能有粉尘污染，特别是附近不能有碳钢的切割、打磨作业。用于钛及钛合金管道加工的工具、设备应专门用于钛及钛合金加工，不得与碳钢混用。

2.2 工件和焊丝的清理

未经清理的工件和焊丝表面往往含有油污、潮气、金属粉尘等等污染物，这些污染物本身或在焊接的高温作用下会产生影响钛及钛合金焊接质量的各种有害元素，如氧、氢、氮、碳、铁等等，因此在焊前必须对工件及焊丝进行认真清理。管道的切割或开孔应用机械方法进行，切割的机具应专门用于钛材的加工，不得与用于碳钢的机具混用，以免造成铁素体污染。

2.3 保护气

由于钛的化学性质十分活泼，特别是在熔化焊接时，熔池内熔融状态的钛极易与氧、氮、氢、碳以及其他杂质元素发生反应，从而形成焊接缺陷，因此焊接钛及钛合金时保护气的选择和使用对焊接质量有非常重要的影响。用于钨极氩弧焊的氩气为一级氩气，其纯度在99.99%以上，杂质的总质量分数不超过0.02%，露点低于-50℃，空气相对湿度不超过5%，水分含量不大于0.001mg/L。氩气流量的选择以得到良好的焊缝表面色泽为标准。

由于钛及钛合金在较低温度（250 ℃）时就开始吸氢，因此对于刚刚焊接完成脱离焊炬氩气保护的高温部分也要进行保护，特别是在焊接钛及钛合金管道时，为了得到更好的焊接质量，一般应使用环缝气体保护拖罩来进行保护。拖

罩的长度一般为150～180mm，宽度在40～50mm，具体尺寸可根据管径、壁厚及具体工艺参数确定。

2.4 焊丝

填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同。常用的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TC3 等。为提高焊缝金属的塑性，可选用强度比母材金属稍低的焊丝。如焊接TA7 及TC4 等钛合金时，为提高焊缝塑性，可选用纯钛焊丝，此时接头的效率低于100%。焊丝中的杂质含量应比母材金属的低的多，仅为一半左右，如氧≤0.12%，氮≤0. 03%、氢≤ 0.006%、碳≤ 0.04%。同时注意焊丝在焊前必须进行彻底的清理，否则焊丝表面的油污等污染物可能成为焊缝金属的污染源。

2.5 坡口的加工与组对

为减少焊缝的累积吸气量，在选择坡口形式及尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属量，以防止接头塑性的下降。对于母材厚度小于2.5mm 的I 形坡口对接接头，可以不添加填充焊丝进行焊接。对于厚度更大的母材，则需要开坡口并添加填充金属。一般应尽量采用平焊。采用机械方法加工的坡口，由于接头内部可能留有空气，因而对于接头组对的要求必须比焊接其他金属高。

3 常见焊接缺陷及预防措施

钛是比较难焊接的金属，极易氧化、氮化、脆化。常见的焊接缺陷主要有3 种：焊接接头中产生气孔、焊接接头出现裂纹、焊接接头发生脆化。

钛及钛合金的焊接中易产生气孔，细小且数量多。形成气孔的因素很多，且很复杂。一放面有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存在氧化物等直接因素，这些气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属中形成的。气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或氮化钛；但一般认为：氢气是引起气孔的主要原因。在焊缝金属冷却过程中，氢的溶解度会发生变化，如焊接区周围气氛中氢的分压较高时，焊缝中的氢不易扩散逸出，而集聚在一起形成气孔。为防止气孔的产生，需要采取的措施如下：

（1）严格控制基体金属、焊丝、保护气中氧、氮、氢等杂质气体的含量；

（2）焊前彻底清除工件、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物；

（3）增加熔池停留时间以便气泡逸出，可有效减少气孔。

4 结语

通过对钛及其合金的物理化学性能的总结，以及对其焊接性的分析，初步掌握了钛及钛合金的焊接工艺特点和要求，制定出了比较合理的钨极氩弧焊工艺参数，同时分析了钛及钛合金的焊接的容易出现的主要缺陷，并提出了相应的预防措施，在取得项目顺利实施的同时，为同类项目积累了经验。

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