1、前言

鈦及鈦合金是一種優(yōu) 良的結(jié)構(gòu)材料 ，具有密度小、比強(qiáng)度高、塑韌性好 、耐熱蝕性好、可加工性較好等特點(diǎn) ，因此廣泛應(yīng)用 在航 空航天 、化工 、造船、冶金、儀器儀表等工業(yè)領(lǐng)域。我公司是一個(gè)大型氯堿化工生產(chǎn)企業(yè) ，鈦及鈦合金在氧化性、中性及有氯離子介質(zhì)中，其耐腐蝕性優(yōu)于不銹鋼，在生產(chǎn)氯鹽介質(zhì)工藝流程中的設(shè)備、管道及儀器儀表大 多選用鈦及鈦合金材料制造。鈦合金鍛件生產(chǎn)廠家-寶雞巨偉鈦業(yè)，結(jié)合多年的鈦合金棒、鈦鍛件、鈦合金加工件、鈦合金管等焊接經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)資料，將鈦合金材料的焊接特點(diǎn)與工藝，整理如下：

2、鈦及鈦合金的焊接特點(diǎn)

鈦及鈦合金具有特定的物理 、化學(xué)及熱處理性能 ，為了掌握鈦及鈦合金的焊接工藝 ，提高焊接質(zhì)量 ，必須深入了解鈦及鈦合金的特點(diǎn)。

2.1 焊接接頭的脆化

鈦的化學(xué)性能很活潑 ，在液態(tài)或高于 600％的固態(tài)下極易和氧 、氮 、氫等元素相互作用 ，產(chǎn)生脆化。在常溫下 ，由于表面氧化膜 的作用 ，鈦材保持著穩(wěn)定性和耐腐蝕性 ，但鈦在高溫下特別是熔融狀態(tài)時(shí)極易在焊縫熱影響區(qū)的金屬正反面得不到有效保護(hù)的情況下，很容易與氧、氮、氫發(fā)生反應(yīng) ，生成硬度脆性較大的氧化鈦 、二氧化鈦 ，空氣 中的 氫產(chǎn)生氫脆。因此 ，在鈦焊接時(shí) ，為保護(hù)焊縫熱影響區(qū)免受空氣污染 ，我們通常采用的高純度的惰性氣體做為保護(hù)氣體 ，如 ：氬氣或氬氦混合氣體。

造成鈦材脆化的另一個(gè)原 因是碳造成的脆化 。碳主要來(lái)源于母材、焊絲和油污等，碳在超過(guò)溶解度時(shí)析出硬脆的碳化鈦，使焊縫塑性迅速下降，在焊接應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生裂紋 。

2.2 焊接接頭的裂紋

2.2.1 熱裂紋傾向

由于鈦材 中的碳 、硫 、磷 等雜質(zhì)較少 ，所 以裂紋的敏感性低，在當(dāng)母材和焊絲質(zhì)量不合格 ，特別是 當(dāng)焊絲有裂紋 、夾層缺陷時(shí) ，會(huì)在夾層 的裂紋處積聚大量有害雜質(zhì)而使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

2.2.2 冷裂紋傾向

當(dāng)焊縫 中含有氧 、氫 、氮量較多時(shí) ，焊縫和熱影響區(qū)性能變脆 ，在較大的焊接應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)裂紋 ，這種裂紋是在較低 的溫度下形成的 ，在焊接鈦及鈦合金時(shí)，影響區(qū)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲裂紋，其主要原因是氫造成 的，氫脆及氫化物析出時(shí)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力 ，在加上氫原 的擴(kuò)散 與聚焦 ，最終使焊接接頭產(chǎn)生裂紋 ，防止這種延遲裂紋的方法主要是送還和焊接接頭氫 的來(lái)源。

2.2 .3 焊縫氣孔

氣孔是鈦及鈦合金焊接中常見的缺陷，氧、氮、氫、二氧化碳 、水和油污等都可能引起氣孔的形成 ，但氫是鈦及鈦合金焊接 中形成氣孔的主要?dú)怏w，氫氣也多數(shù)產(chǎn)生于焊縫中部和熔解處。

(1)氫氣形成的原因

氫在高溫時(shí)溶入溶池，冷卻結(jié)晶時(shí)過(guò)飽和的氫來(lái)不及從溶池逸 出，在焊縫 中積聚形成氣孔 ，焊縫凝 固的過(guò)程中中部溫度高 ，使溶池中部的氫除了向氣泡核擴(kuò)散外 ，同時(shí)也向熔合線擴(kuò)散 ，在焊縫中部和溶池邊脆氫易過(guò)飽和而產(chǎn)生氣孔。

(2 )減少氣孔的措施

防止氣孔 產(chǎn)生 的關(guān)鍵 是杜 絕有 害氣體 的來(lái)源 ，防止焊接區(qū)被污染 ，通常采取以下措施 ；

① 焊前仔細(xì)清除焊絲、母材表面上的氧化膜及油污等有機(jī)物質(zhì)、嚴(yán)格限制原材料中的氧、氫、氮等雜質(zhì)氣體的含量，焊前對(duì)焊絲進(jìn)行真空去氫處理。

② 盡量縮短焊件清理后到焊接時(shí)間的間隔，一般不超過(guò)兩小時(shí)，否則要妥善保存 ，以防吸潮。采用機(jī)械方法加工破 口端面、并除去剪切痕跡。

③ 正確選擇焊接工藝參數(shù)，延長(zhǎng)溶池停留時(shí)間，以便于氣泡的逸出，控制氬氣的流量 、防止紊流現(xiàn)象。

④ 采用低露點(diǎn)氬氣，其純度大于99． 99％，焊距上通氬氣的管道不宜采用橡膠管，以尼龍軟管為好。

2.2.4 精晶傾向

鈦的溶點(diǎn)高、熱溶量大 、導(dǎo)熱性差 ，因此在焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大的溶池并且熔池的溫度很高。

這使得焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫的時(shí)間比較長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大傾向較大，使接頭塑性的斷裂韌性降低。長(zhǎng)大的晶粒難以用熱處理方法恢復(fù)，所以焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接 的熱輸人量 ，一般采用較小 的焊接電流和較快的焊接速度，來(lái)避免產(chǎn)生較粗大的晶粒 。

2.2.5 焊接變形

鈦 的彈性模量 比不銹鋼小 ，在 同樣 的焊接盈利條件小 ，鈦及鈦合金的焊接變形時(shí)不銹鋼 的一倍 ，而且矯形很困難 ，因此在焊新年好時(shí)應(yīng)該采用墊板和壓板將待焊工件壓緊，以減少焊接變形 。

3、鈦及鈦合金的焊接工藝

鈦及鈦合金的性質(zhì)非?；顫?，溶解氮 、氫、氧的能力很大 ，普通 的焊條手弧焊 、氣焊 、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊都不適合鈦及鈦合金的焊接 ，根據(jù)鈦及鈦合金 的主要焊接方法及其特點(diǎn) ，應(yīng)用最多的有鎢極氬弧焊 、熔化極氬弧焊 。

3.1 焊接準(zhǔn)備

3.1.1 焊接清理

鈦及鈦合金的焊接接并沒有對(duì)它 的質(zhì)量在很大程度上取決于焊件和焊絲 的焊前 清理 工作 ，通常采用機(jī)械清理和化學(xué)清理。

(1)機(jī)械清理采用沖壓、剪切和切割下料的工件均需要焊前對(duì)其接頭邊緣進(jìn)行機(jī)械清理，對(duì)于焊接質(zhì)量要求不高或酸洗有困難的焊件，一般可以用細(xì)砂布、不銹鋼絲刷擦試或用硬質(zhì)合金刮刀削焊縫邊緣去 除表面氧化膜 ，刮出金 屬光澤即可。

而對(duì)于采用氣割下料的工件，機(jī)械加工的切削層的厚度不能小于2~5mm 。然后用丙酮 、乙醇或 甲醇等溶劑除去坡口兩側(cè) 的手印 、有機(jī)物質(zhì)及焊絲表面的油污等。在除油時(shí)需要使用厚棉布，毛刷刷洗 。對(duì)于焊接經(jīng)過(guò)熱加工或在無(wú)保護(hù)氣體的情況下熱處理的則需要進(jìn)行綜合清理 ，通常采用噴吵清理表面 ，然后進(jìn)行化學(xué)清理 。

(2)化學(xué)清理我們一般采用 鹽酸清理焊件焊絲表面 ，經(jīng)酸洗和水洗擦干后應(yīng)在 四小時(shí)內(nèi)用完 ，否則需重新清理 ，焊絲可放在溫度為 150 —200℃烘箱內(nèi)保存，隨取隨用。取焊絲應(yīng)戴潔潔凈白手套 ，以免潮熱焊比，對(duì)焊件應(yīng)采取塑料布 掩蓋防止污染 ，對(duì)已沾污的可用丙酮或酒精擦洗 。

(3)坡口配置

在選擇坡 口形式及尺 寸時(shí) ，應(yīng)盡 量減少焊接層數(shù)和填充金屬量，以防止接頭塑性的下降，搭接接頭由于其背面保護(hù)困難，接頭受力差盡可能不采用 。對(duì) 于母材厚度小于2.5mm 的 I 型坡 口對(duì)接接頭 ，可以不添加填充焊絲進(jìn)行焊接 。對(duì) 于厚度大的母材則需要開坡 口并添加填充金屬 ，一般應(yīng)盡量采用平焊。

由于鈦的一些特殊 的物理性能 ，如表面張力系數(shù)大，熔融態(tài)時(shí)黏度小，使得焊前必須對(duì)焊件進(jìn)行仔細(xì)裝配 ，點(diǎn)固焊是減少焊件變形的措施之一 ，一般焊點(diǎn)間距為 100—150m m ，其長(zhǎng)充約 10—15m m 。點(diǎn)固焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及保護(hù)氣體等條件與正式焊接時(shí)相 同 ，在每一點(diǎn)固點(diǎn)焊時(shí) ，焊件的背面必須通氬氣保護(hù)以止焊點(diǎn)被污染，停焊時(shí)， 應(yīng)延時(shí)關(guān)閉氬氣 ，同時(shí)裝配時(shí)應(yīng)嚴(yán)禁使用鐵器 敲擊劃傷待焊工件表面。

3.2 焊接工藝

3.2.1 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊是采用高熔點(diǎn)的鎢棒 (釷鎢、鈰鎢)做為電極，氬氣流的保護(hù)區(qū)，依靠不熔化的鎢棒與焊件之 間產(chǎn)生 的電弧熔化基本金屬及填充焊絲的一種方法 。

鎢極氬弧焊是焊接鈦及鈦合金最常用的方法，通常用于焊絲厚度在 3mm 以下的鈦及鈦合金。

鎢極氬弧焊可分為敞開式焊接和箱 內(nèi)焊接兩種類型 ，它們又各 自分為手工焊和 自動(dòng)焊 ，敞開式焊接是在大氣環(huán)境中的普通氬時(shí)，是利用焊槍噴嘴、托罩和背面保護(hù)裝置通以適量的氬氣和氬氦混合氣體，把焊接高溫區(qū)與空氣隔開，以防止空氣侵入而沾污焊接區(qū)的金屬 ，這是一種局部氣體保護(hù) 焊接方法。

鈦及鈦合金鎢極手工氬弧焊必須配用氬氣保護(hù)效果 良好的焊槍 、托罩 、焊接時(shí)一般采用左焊法，焊槍盡可能與焊件表面垂直，鎢極伸出長(zhǎng)充(5~8mm )和噴嘴(16～20mm )離焊件表面距離盡量小，但不要影響焊接時(shí)的視線，焊槍操作要平衡均勻，送絲時(shí)應(yīng)注意不要將焊絲熔化端部移出氬氣保護(hù)區(qū) ，否則焊絲端部被 氧化后再熔入熔池會(huì)影響焊縫的質(zhì)量。當(dāng)焊接中斷或結(jié)束時(shí)，焊槍必須在結(jié)束處停留一段時(shí)間，繼續(xù)送氬氣保護(hù)，尤其是托罩不能離開焊縫保護(hù) 區(qū)，直至冷卻到焊縫不再氧化的溫度時(shí)方可移開 、停氣 。

3.2.2 焊接材料的選擇

(1)氬氣 適用于鈦及鈦合金焊接用的氬氣為一級(jí)氬氣 ，其純度為 99．99％，露點(diǎn)在 一40％以下，雜質(zhì)總含量 < 5％，水分 < 0．001M G ／L。焊接過(guò)程中如果氬氣的壓力降至 1M PA 時(shí)應(yīng)停止使用，以保證焊接接頭的質(zhì)量。

(2)焊絲 填充焊絲 的成分一般應(yīng)與母材金屬的成分相同 。常用 的牌號(hào)有 TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6 及 TC3 等。這些焊絲均以真空退火狀態(tài)供應(yīng) ，如果沒有標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào) 的焊絲 ，可以從焊件上剪下狹條作為焊絲代用。為了提高焊縫金屬的塑性，也可選用純鈦焊絲 。

(3 )氬氣 流量的選擇 以達(dá)到 良好 的焊接表面色澤為準(zhǔn)過(guò) 的流量不易形成穩(wěn)定的氣流層 ，容易產(chǎn)生紊流現(xiàn)象。對(duì)焊接區(qū)產(chǎn)生污染，降低焊縫塑性。對(duì)托罩中的氬氣含量不足時(shí)焊接接頭表面呈現(xiàn)不同的氧化色澤 ，而流量過(guò)大時(shí)將對(duì)焊槍噴嘴的氣流產(chǎn)生干擾．

3.3 氣體保護(hù)

由于鈦及鈦合金對(duì)空氣中的氧、氮、氫等氣體具有很強(qiáng)的親和力，因互必須在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)采取 良好的措施 ，在焊接時(shí)應(yīng)提前送氬氣三秒以上 (這是指焊槍 )，焊接過(guò) 程中在選擇接 頭形式時(shí)要考慮到焊接時(shí)便于氬氣的有效保護(hù) ，同時(shí)接頭背面也要單獨(dú)通入氬氣保護(hù)，在焊接管道時(shí)每次必須提前充氬氣或氬擬混合氣體進(jìn)行保護(hù)。第一層焊接完時(shí)仍繼續(xù)充氬氣不能終斷直至第二層也焊接完畢，焊接結(jié)束時(shí)還要延遲斷氣時(shí)間 15 ～30s以上。以焊接多層多道焊時(shí)，每一層都要保護(hù)好 ，不能只憑蓋面層焊縫的色澤來(lái)評(píng)介焊接接頭

的保護(hù)效果?？傊?，采用合理的保護(hù)裝置、設(shè)施及焊接工藝才能保證有合格的焊接質(zhì)量 ，具體產(chǎn)生的影響如下表 1：

3.4 焊接工藝參數(shù)

在焊接規(guī)范里，焊接電流遷用的都較小，而本人從事多年的焊接鈦和鈦合金的管道、設(shè)備制作。

為了加快工程進(jìn)度，我采用的焊接電流比《焊接規(guī)范》里稍大一些 ，經(jīng)過(guò)多年焊接經(jīng)驗(yàn)的積累，在保證了焊接質(zhì)量 的前提下 ，選用 了較大 的焊接 電流和最大 的焊接速度 ，提高 了工作效率 ，達(dá)到了預(yù)期的效果，加快了工程進(jìn)度 ，得到了單位的好評(píng) ，具體焊接參對(duì)照如下表 2：

4、結(jié)論

焊接鈦及鈦合金時(shí)，保護(hù)氣體純度、流量、噴嘴的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小與焊件的距離 ，接頭形式及內(nèi)外保護(hù)裝置是否符合要求，室內(nèi)室外或風(fēng)力大小都會(huì)影響焊接質(zhì)量 ，所以在焊接鈦及鈦合金時(shí)要注意各種保護(hù)措施是否合理，準(zhǔn)備工作是否到位 ，是否能確保焊接質(zhì)量合格 ，關(guān)系非常重大。

參考文獻(xiàn)

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