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一、鈦及鈦的分類(lèi)及特點(diǎn)

國(guó)產(chǎn)工業(yè)純鈦有TA1、TA2、TA3三種，其區(qū)別在于含氫氧氮雜質(zhì)的含量不同，這些雜質(zhì)使工業(yè)純鈦強(qiáng)化，但是塑性顯著降低。工業(yè)純鈦盡管強(qiáng)度不高，但塑性及韌性優(yōu)良，尤其是具有良好的低溫沖擊韌性；同時(shí)具有良好的抗腐蝕性能。所以，這種材料多用于化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等，實(shí)際上多用于350℃以下的工作條件。根據(jù)鈦合金退火狀態(tài)的室溫組織，可將鈦合金分為三種類(lèi)型：α型鈦合金、(α+β)型鈦合金及β型鈦合金。α型鈦合金中，應(yīng)用較多的是TA4、TA5、TA6型的Ti-AI系合金和TA7、TA8型的Ti+AI+Sn合金。這種合金室溫下，其強(qiáng)度可達(dá)到931N/mm2，而且在高溫下（500℃以下）性能穩(wěn)定，可焊性良好。β型鈦合金在我國(guó)的應(yīng)用量較少，其使用范圍有待進(jìn)一步擴(kuò)大。

二、鈦及鈦合金的焊接性

鈦及鈦合金的焊接性能，具有許多顯著特點(diǎn)，這些焊接特點(diǎn)是由于鈦及鈦合金的物理化學(xué)性能決定的。

1.氣體及雜質(zhì)污染對(duì)焊接性能的影響

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。但試驗(yàn)表時(shí)，在焊接過(guò)程中，液態(tài)熔滴和熔池金屬具有強(qiáng)烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態(tài)下，這些氣體已與其發(fā)生作用。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃左右開(kāi)始吸收氫，從400℃開(kāi)始吸收氧，從600℃開(kāi)始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會(huì)直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。

（1）氫是影響氫是氣體雜質(zhì)中對(duì)鈦的機(jī)械性能影響最嚴(yán)重的因素。焊縫含氫量變化對(duì)焊縫沖擊性能影響最為顯著，其主要原因是隨縫含氫彈量增加，焊縫中析出的片狀或針狀TiH2增多。TiH2強(qiáng)度很低，故片狀或針狀衛(wèi)HiH2的作用例以缺口，合沖擊性能顯著降低；焊縫含氫量變化對(duì)強(qiáng)度的提高及塑性的降低的作用不很時(shí)顯。

（2）氧的影響 氧在鈦的α相和β想中都有有較高的熔解度，并能形成間隙固深相，使用權(quán)鈦的晶傷口嚴(yán)重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強(qiáng)度，使塑性卻顯著降低。為了保證焊接接應(yīng)的性能，除了在焊接過(guò)程中嚴(yán)防焊縫及焊按熱影響區(qū)發(fā)主氧化外，同時(shí)還應(yīng)限制基本金屬及焊絲中的含氧量。

（3）氮的影響在700℃以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生劇作用，形成脆硬的氮化鈦（riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時(shí)所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更為嚴(yán)重，因此，氮對(duì)提高工業(yè)純鈦焊縫的抗拉強(qiáng)度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。

（4）碳的影響 碳也是鈦及鈦合金中常見(jiàn)的雜質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)碳含量為0.13%時(shí)，碳因深在α鈦中，焊縫強(qiáng)度極限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用強(qiáng)烈。但是當(dāng)進(jìn)一步提高焊縫含碳量時(shí)，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀TiC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋。因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不大于0.1%，焊縫含碳量不超過(guò)母材含碳量。

2.焊接接頭裂紋問(wèn)題

鈦及鈦合金焊接時(shí)，焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性很小，這是因?yàn)殁伡扳伜辖鹬蠸、P、C等雜質(zhì)含量很少，由S、P形成的低熔點(diǎn)共晶不易出現(xiàn)在晶界上，加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間

窄小，鈦及鈦合金凝固時(shí)收縮量小，焊縫金屬不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。鈦及鈦合金焊按時(shí)，熱影響區(qū)可出現(xiàn)冷裂紋，其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間稱作延遲裂紋。經(jīng)研究表明這種裂紋與焊接過(guò)程中氫彈的擴(kuò)散有關(guān)。焊接過(guò)程中氫由高溫深池向較低溫的熱影響區(qū)擴(kuò)散，氫含量的提高使該區(qū)析出TiH2量增加，增大熱影響區(qū)脆性，另外由于氫化物析出時(shí)體積膨脹引起較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子向該區(qū)的高應(yīng)力部位擴(kuò)散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產(chǎn)生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來(lái)源，發(fā)票時(shí)，也呆進(jìn)行冥空遏火處理。

3.焊縫中的氣孔問(wèn)題

鈦及鈦合金焊接時(shí)，氣孔是經(jīng)常碰到的問(wèn)題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結(jié)果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強(qiáng)度。防止產(chǎn)生氣孔的工藝措施主要有：

（1）、保護(hù)氖氣要純，純度應(yīng)不低于99.99%

（2）、徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機(jī)物。

（3）、對(duì)熔池施以良好的氣體保護(hù)，控制好氬氣的流量及流速，防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，影響保護(hù)效果。

（4）、正確選擇焊接工藝參數(shù)，增加深池停留時(shí)間使用權(quán)于氣泡逸出，可有效地減少氣孔。

三、鈦板手工鎢板氬弧焊焊接試驗(yàn)

鈦及鈦合金焊接生產(chǎn)中應(yīng)用最多是鎢板氬弧焊，真空充氬焊接方法應(yīng)用也很普遍。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護(hù)與冷卻作用下，電弧熱量較為集中，電流密度高，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量較高。

鈦及鈦合金焊接時(shí)，當(dāng)溫度高于500℃~700℃時(shí)，很容易吸收空氣中的氣、氫和氮，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。因此，鈦及鈦合金焊接時(shí)，對(duì)熔池全面及高溫部信（400℃~650℃以上）的焊縫區(qū)必須嚴(yán)加保護(hù)，為此，鈦及鈦合金焊接時(shí)必須采取特殊的保護(hù)措施，即采用噴尺寸較大的焊矩，以擴(kuò)大氣體保護(hù)區(qū)面積，當(dāng)噴嘴不足以保護(hù)焊縫及近縫區(qū)高溫金屬時(shí)，需附充氬保護(hù)拖罩。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護(hù)效果的標(biāo)翅。銀白色表示保護(hù)效果最好，黃色為輕微氧化，一般是允許的。

考慮到工程使用的實(shí)用性、高效性，我們先制備了一個(gè)簡(jiǎn)易拖罩。氬氣從進(jìn)氣口進(jìn)入分布管，穿過(guò)分布管孔直接進(jìn)入保護(hù)區(qū)。采用這種拖罩，焊接保護(hù)效果不是很好，焊道呈深藍(lán)色。據(jù)分析是氣流從分布管直接進(jìn)入保護(hù)區(qū)。氣流不是很均勻、平穩(wěn)，使高溫焊道保護(hù)不好被氧化。因此我們進(jìn)一步改進(jìn)了拖罩的結(jié)構(gòu)，氬氣從進(jìn)氣孔進(jìn)入分布管后經(jīng)拖罩頂部下返；穿過(guò)多孔板，多孔板主要起氣篩和分布的作用，使氬氣流動(dòng)更平穩(wěn)，焊接保護(hù)效果較好，焊道呈銀色或江黃色。拖罩長(zhǎng)充L為40~100mm材質(zhì)為黃銅。 鈦及鈦合金氬弧焊時(shí)，還應(yīng)注意焊道的北面保護(hù)，考慮到焊接變形，我們采用開(kāi)槽固定銅墊板的方法進(jìn)行充氬保護(hù)，為了使焊道背面行到充分保護(hù)，又在糟中加一多孔銅管，使氬氣經(jīng)銅管孔均勻的進(jìn)入保護(hù)區(qū)，保護(hù)效果良好，焊道背面呈銀白色。手工鎢板氬弧焊焊接工藝及參數(shù)的選擇

（1）焊前準(zhǔn)備

焊件和焊絲表面質(zhì)量對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能有很大影響因此必須嚴(yán)格清理。鐵板及鈦焊絲可采用機(jī)械清理及化學(xué)清理兩種方法。1）機(jī)械清理對(duì)焊按質(zhì)量要求不高或酸洗有困難的焊件，可用細(xì)砂紙或不銹鋼絲刷擦拭，但最好是用硬質(zhì)合金黃色刮削鈦板，去除氧化膜。2）化學(xué)清理 焊前可先對(duì)試件及焊絲進(jìn)行酸洗，酸洗液可用HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗后用凈水沖洗，烘干后立即施焊?；蛘哂帽?、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭鈦板坡口及其兩側(cè)（各50mm內(nèi)）、焊絲表面、工夾具與鈦板接觸的部分。

（2）焊接設(shè)備的選擇

鈦及鈦合金金鎢板氬弧焊應(yīng)選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源，且延遲遞氣時(shí)間不少于15秒，避免焊遭受到氧化、污染。

（3）焊接材料的選擇

氬氣純度應(yīng)不低于99.99%，露點(diǎn)在-40℃以下，雜質(zhì)總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.001%。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時(shí)，應(yīng)停止使用，以防止影響焊接接頭質(zhì)量。原則上應(yīng)選擇與基本金屬成分相同的鈦絲，有時(shí)為了握高焊縫金屬塑性，也可選用強(qiáng)度比基本金屬稍低的焊絲。

（4）坡口形式的選擇原則

盡量減少焊接層數(shù)和焊接金屬。隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計(jì)吸氣置增加，以至影響焊接接頭性能，又由于鈦及鈦合金焊接時(shí)焊接熔池尺寸較大，因此試件開(kāi)單V型70~80°坡口。

（5）試件組對(duì)及定位焊

為了減少焊接變形，焊前進(jìn)行定位焊，一般定位焊間距為100~150mm，長(zhǎng)度為10~15 mm。定位焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及氣體保護(hù)條件應(yīng)與焊接接頭焊接時(shí)相同。間隙0~2mm，鈍邊0~1.0mm。

（6）焊接參數(shù)選擇

我們通過(guò)對(duì)不同工藝下的焊接接頭性能的對(duì)比，摸索出較合適的焊接工藝規(guī)范。

工藝（1），焊接電流為150A、170A、180A，按此參數(shù)施焊，焊接接頭表面、呈現(xiàn)出深藍(lán)、金素色，說(shuō)明接頭氧化較嚴(yán)重，不符合技術(shù)要求，此工藝不可取。

工藝（2），焊接電流相對(duì)降低為120A、150A、160A，按此參數(shù)施焊，焊縫表面呈現(xiàn)出金紫、深黃色，X射線探傷無(wú)缺陷，但機(jī)械性能彎曲試驗(yàn)不合格，說(shuō)明焊接接頭塑性顯著降低，達(dá)不到技術(shù)要求，此工藝同樣不可取。

工藝（3），焊接電流為95A、115A、120A，按此參數(shù)施焊，焊縫表面呈銀白、淺黃色，X射線探傷無(wú)缺陷，但機(jī)械性能彎曲試驗(yàn)合格、拉伸強(qiáng)度也符合要求，焊接接頭性能達(dá)到技術(shù)要求，此工藝比較合適。 鈦及鈦合金焊接時(shí)，都有晶料粗大傾向，直接影響到焊接接頭的力學(xué)性能。因此焊接工藝參數(shù)的選擇不僅要考慮到焊縫金屬氧化及形成氣孔，還應(yīng)考慮晶粒粗化因素，所以應(yīng)盡量采用較小的焊接熱輸入，工藝（1）、（2），由于焊接規(guī)范較大

因素，造成接頭氧化比工藝（3）嚴(yán)重。且微觀金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接頭晶粒粗化程度也比工藝（3）嚴(yán)重。所以焊接接頭力學(xué)性能較差。

氣體流量的選擇以達(dá)到良好的保護(hù)效果為準(zhǔn)，過(guò)大的流量不易形成穩(wěn)定的層流，并增大焊縫的冷卻速度，使焊縫表面層出現(xiàn)較多的α相，以至引起微裂紋。拖罩中的氬氣流量不足時(shí)，焊縫呈現(xiàn)出不同的氧化色澤；而流量過(guò)大時(shí)，將對(duì)主噴嘴的氣流產(chǎn)生干擾作用。焊縫背面的氬氣流量也不能太大，否則會(huì)影響到正面第一層焊縫的氣體保護(hù)效果。

（7）鈦及鈦合金手工鎢極氬弧焊操作要領(lǐng)

1）手工氬弧焊時(shí)，焊絲與焊件間應(yīng)盡量保持最小的夾角（10~15°）。焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū)。

2）焊接時(shí)，焊槍基本不作橫向擺動(dòng)，當(dāng)需要擺動(dòng)時(shí)，頻率要低，擺動(dòng)幅度也不宜太大，以防止影響氬氣的保護(hù)。

3）斷弧及焊縫收尾時(shí)，要繼續(xù)通氬氣保護(hù)，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到350℃以下時(shí)方可移開(kāi)焊槍。

（8）質(zhì)量檢驗(yàn)

1）外觀檢查符合GB/T13149-91。

2）射線深傷符合JB4730-94。

3）力學(xué)性能試驗(yàn)符合GB/T13149-91。

四、結(jié)論

1、鈦及鈦合金焊接的氣體保護(hù)問(wèn)題是影響焊接接頭質(zhì)量的首要因素。

2、鈦及鈦合金焊接時(shí)應(yīng)盡量采用小的熱輸入。

3、TA2手工鎢極氬弧焊時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制氫的來(lái)源，防止冷裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)應(yīng)注意防止氣孔的產(chǎn)生。

4、只要嚴(yán)格按照焊接工藝要求施焊，并采取有效的氣體保護(hù)措施，即可獲得高質(zhì)量的焊接接頭。