如何优化钛及钛合金焊接？

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：钛及钛合金的最大优点是比强度大，综合性能优越。氧和氮固溶于钛中，使钛晶格畸变，强度硬度增加，塑性韧性降低；而氢含量增加，焊缝金属的冲击韧性急剧降低，塑性下降较少；碳以间隙形式固溶于钛中，使强度提高，塑性下降，作用不如氮、氧显著，但碳量超过溶解度时，易于引起裂纹，因此钛及钛合金焊接时必须进行有效的保护。

（一）常用钛及钛合金及其分类

钛是一种活性金属，常温下能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。钛及钛合金的最大优点是比强度大，综合性能优越。钛合金首先在航空工业中得到应用，钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能；在化工、海水淡化、电站冷凝器等方面成功应用。

钛及钛合金按其退火态的组织分为α钛合金、β钛合金、α＋β钛合金三类，分别用TA、TB 和TC表示。在压力容器制作中，牌号为TA2的工业纯钛使用居多，使用状态一般为退火态。

（二）钛及钛合金的焊接性

1.间隙元素沾污引起脆化

由于钛的活性强，高温下钛与氧、氮、氢反应速度很快。氧和氮固溶于钛中，使钛晶格畸变，强度硬度增加，塑性韧性降低；而氢含量增加，焊缝金属的冲击韧性急剧降低，塑性下降较少；碳以间隙形式固溶于钛中，使强度提高，塑性下降，作用不如氮、氧显著，但碳量超过溶解度时，易于引起裂纹，因此钛及钛合金焊接时必须进行有效的保护。

2.焊接相变引起的性能变化

对于常用的工业纯钛，其组织为α合金，这类合金的焊接性最好。在用钨极氩弧焊填加同质焊丝或不加焊丝，在保护良好的条件下焊接接头强度可与母材等强度，接头塑性较差。焊接接头塑性降低的主要原因有：①焊缝为铸造组织，它比轧制状态塑性低；②焊接时由于导热性差比热小、高温停留时间长、冷却速度慢，易形成粗晶；③若采用加速冷却，又易产生针状α组织，也会使塑性下降。

3.裂纹

由于钛及钛合金中杂质很少，因此很少出现热裂纹，只有当焊丝或母材质量有问题时才可能产生热裂纹。由氢引起的冷裂纹是钛合金焊接时应注意防止的，例如选用氢含量低的焊接材料和母材，注意焊前清理，在可能的条件下，焊后进行真空去氢处理等。

4.气孔

气孔是钛及钛合金焊接时最常见的焊接缺陷。在焊接热输入较大时，气孔一般位于熔合线附近；而焊接热输入较小时，气孔则位于焊缝中部。气孔主要降低焊接接头的疲劳强度，能使疲劳强度降低一半甚至四分之三。影响气孔的主要因素是焊丝和坡口表面的清洁度，焊丝表面的润滑剂、打磨时残留在坡口表面的磨粒、薄板剪切时形成的粗糙的端面等等都可能使焊缝产生气孔。

（三）焊接方法的选用

气焊和焊条电弧焊均不能满足钛及钛合金的焊接质量要求，熔化焊需要用惰性气体保护。适用的焊接方法有钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊。

（四）焊接材料

1.焊丝的选用

1）焊丝选用原则：保证在焊态下焊缝金属力学性能高于或等于母材规定的限值，需要时其耐腐蚀性能不应低于母材相应要求，或力学性能和耐腐蚀性能满足设计文件规定的技术条件。

2）焊丝中的氮、氧、碳、氢、铁等杂质元素的标准规定上限值应低于母材中杂质元素的标准规定上限值，不允许从所焊母材上裁条充当焊丝。

3）不同牌号的钛材相焊时，按耐蚀性能较好和强度级别较低的母材选择焊丝和填充丝。

钛及钛合金焊丝执行GB／T 3623—2007《钛及钛合金丝》，用于承压设备的焊丝执行NB T 47018.7—2011《钛及钛合金焊丝和填充丝》。标准的型号对比及选择见第二章第二节。一般情况下根据所焊母材牌号来选择相应的焊丝牌号，并通过工艺评定验证。不同牌号的钛材相焊时推荐按耐蚀性能较好和强度较低的母材去选择焊丝材料，或按图样规定。

2.保护气体和钨极

常用保护气体为氩气，也可用氦气或两者混合气体。氩气纯度不应低于99.99％，露点不应高于－50℃，当瓶装氩气的压力低于0.5MPa时不宜使用。钨极一般选用铈钨极，电极直径应根据焊接电流大小选择。

（五）焊接工艺措施

1.焊前清理

坡口表面应采用冷加工方法，如采用热加工方法加工，则应去除坡口及两侧表面的氧化层及浮渣。坡口表面及两侧应呈银白色金属光泽，坡口表面及两侧应进行表面清理。焊丝表面使用前也应仔细去除表面油污和水分，焊前保持清洁，严禁沾污，以避免焊接时产生气孔，甚至裂纹。

2.装配

装配时，应防止铁离子对钛材的污染；充分利用夹具、定位焊等方法，保证焊件装配正确防止回弹；定位焊焊缝也要防止表面氧化，若表面出现除银白色和金黄色以外的氧化层，应清除后才能施焊永久焊缝。

3.施焊

钛及钛合金应在无污染、无灰尘、无烟、无金属粉尘和无铁离子污染的洁净环境内组装和施焊；一般不进行预热，多层焊时，层间温度不应超过120℃；禁止接触引弧；加强焊接区惰性气体的保护；对温度在400℃以上的焊缝和热影响区的正面、背面，均应进行保护，防止氧化；焊接参数在保证保护良好、熔深足够的情况下，尽量采用小的热输入施焊；防止焊缝夹污；弧坑要填满等。

最关键的是要将焊接高温区与空气隔离开，为了有效地进行保护，焊炬喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩气是极其重要的。焊缝及近缝区的颜色是衡量保护效果的标志，银白色、淡黄色表示保护效果好，深黄色为轻微氧化，一般情况下是允许的，金紫色一般表示中度氧化，深蓝色表示严重氧化，至于灰白色是绝对不允许的，表示焊缝已经变质，必须报废重焊。

如何优化钛及钛合金焊接？

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