本站原创【摘 要】由于钛及钛合金具有强度高、无磁性、耐蚀性优异,以及加工、成型、焊接性良好而倍受设计者的青睐,又因与先进的复合材料在热学、电化学方面的相容性、优良的低温韧性和高温机械性能,一直是航空、宇肮工业上应用的重要结构材料.焊接作为钛及钛合金加工中的重要手段,有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面独特的优势,因此钛及钛合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视.
【关 键 词】焊接钛氩弧焊
1钛及钛合金的焊接性分析
1.1焊接接头的脆化
钛及钛合金很容易受到气体等杂质的污染而产生脆化,造成钛及钛合金焊接接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等.在常温下,如果受到不同程度的影响,尤其是在表面氧化膜的作用下,钛能够保持相对高的温度,形成一定的稳定性和耐腐蚀性,并且,钛在高温条件下,容易形成熔融状态,对气体也有很大的化学活性,特别在温度达到540摄氏度以上的情况下,钛表面就会生成氧化膜,并且相对松散,在温度不断上升的情况下,很容易被空气、水分、油脂等构成污染,使钛与氧、氮、氢的反应速度加快,降低焊接接头的塑性和韧性.无保护的钛在300℃以上吸氢,600℃以上吸氧,700℃以上吸氮.
1.2焊接接头裂纹
（1）热裂纹：由于钛及钛合金中含硫、磷、碳等杂质较少,很少有低熔点共晶在晶界处生成,而且其结晶温度区间很窄,焊缝凝固时收缩量小,因此,热裂纹敏感性低.但当母材和焊丝质量不合格,特别是当焊丝有裂纹、夹层等缺陷时,会在夹层和裂纹处积聚大量有害杂质而使焊缝产生热裂纹.
（2）冷裂纹和延迟裂纹倾向：当焊缝中含氧、氢、氮量较多时,焊缝和热影响区的性能变脆,在较大的焊接应力作用下容易出现冷裂纹.在焊接钛合金时,热影响区有时也会出现延迟裂纹,这种裂纹可以延迟到几个小时、几天甚至几个月后发生.氢是引起延迟裂纹形成的主要原因,这是由于熔池中的氢和母材金属低温区中的氢向热影响区扩散,引起氢在热影响区的含量增加并析出TiH2,使热影响区脆性增大.此外,氢化物析出时的体积膨胀会引起较大的组织应力,再加上氢原子的扩散与聚集,最终使得接头形成裂纹.
1.3焊缝气孔
在常见的焊缝气孔中,钛以及钛元素的合金焊接是一种常见的缺陷.O2、N2、H2、CO2、H2O这些都是引起焊接气孔形成的主要原因.此外,形成钛合金焊缝形成气孔的影响因素也很多,包括有焊接区的氛围构成等等,以及焊丝、焊件、焊接条件、坡口形式等,但是,其中,氢是构成钛以及钛合金焊接形成气孔的主要影响气体.
影响焊缝中气孔产生的主要因素包括材质和工艺因素两个方面：（1）材质的影响：主要是氩气及母材、焊丝中的不纯气体,如O2、H2、N2、H2O等.氩气及母材、焊丝中含O2、H2及H2O量提高,会使焊缝气孔明显增加,N2对焊缝气孔的影响较弱.（2）工艺因素的影响：氢是钛及钛合金焊接时形成气孔的主要气体.高熔点的磨料质点及氧化物能作为形成气泡的核心,促使气孔生成.氧参与的化学反应生成的CO及H2O等也是生成气孔的原因.焊接熔池存在时间很短时,因氢的扩散不充分,即使有气泡核存在,也来不及长大形成气泡；熔池存在时间逐渐增长后,氢向气泡核扩散,使形成宏观气泡的条件变得有利,于是焊缝气孔逐渐增多；此后再延长熔池存在时间,气泡逸出熔池的条件变的有利,故进一步增长熔池存在时间,气泡减少.
1.4焊接变形
钛的弹性模量比不锈钢小,在同样的焊接应力条件下,钛及钛合金的焊接变形是不锈钢的1倍,因此焊接时应该采用垫板和压板将待焊工件压紧,以减小焊接变形.此外,垫板和压板还可以传导焊接区的热量,缩短焊接区的高温停留时间,减小焊缝的氧化.
2试验准备
2.1试验材料
（1）δ等于4mmTA2板化学成分、机械性能
材料化学成份应符合GB/3620.1-2007要求
机械性能符合GB/T3621-2007要求
（2）焊材：在焊材的选用上,可以使用纯度不低于99.99%的氩气,露点在负40摄氏度以下情况的时候,杂质的总质量分数为0.001%,尤其是当氩气瓶中的压力降至相对低的情况时,就应该要停止使用,更好的防止影响焊接接头的整体质量.从整体原则上来看,应该要选择与基本金属成分相同的钛丝,这样能形成更加鲜明的焊接金属塑性,形成强度比金属稍低的焊丝.填充材料：TA2焊丝,φ2mm,GB/T3623-2007
2.2试板坡口型式
坡口的尺寸要考虑尽量减少焊接层数和填充金属量.因为焊接层数增多,焊缝的累积吸气量就会增加,对接头的塑性影响较大.
2.3焊前清理
在焊接处理的技术运用之前,对于钛以及钛合金的焊接接头要注意质量的控制,并充分考虑焊件以及焊丝的清理工作,对于处理不彻底的现象,就会带来焊件以及焊丝表面形成一股吸气层,并全面造成焊接接头的裂缝和气孔,不利于焊接技术的全面提高,因此,在具体的应用过程中,焊接之前应做好各项前提的准备工作,采取细致化的清洗,适当情况下,可以采用机械清洗或者化学药剂清洗的模式.
经机械清理、化学清理后的焊件、焊丝应在4h内焊完,否则要重新清理.焊丝可放在温度为150～200℃的烘箱内保存,随取随用,取焊丝应戴洁净的白手套,以免污染焊丝.对焊件应采取塑料布掩盖防止玷污,对已玷污的可用丙酮或酒精擦洗.
2.4定位焊
为减少焊件的变形,焊前可在接头坡口间进行定位焊,一般定位焊的间距为100～150mm,其长度约10～15mm.定位焊所用的填充焊丝、焊接工艺参数及气体保护条件等于正式焊接时相同,在每一定位焊停弧时,应延时关闭氩气.
3TA2的焊接工艺
3.1气体保护由于钛及钛合金对空气中的氧、氮、氢等气体具有很强的亲和力,因此,必须在焊接区采取良好的氩气保护措施,以确保焊接熔池及温度超过350℃的热影响区的正反面与空气隔绝.
钛的导热系数小、焊接熔池尺寸大,焊缝的保护效果除了和氩气纯度、流量、喷嘴与焊,喷嘴的孔径也应相应增大,以扩大保护区的面积.
对已脱离喷嘴保护区,但仍在350以上的焊缝热影响区表面,仍需继续保护.通常采用通有氩气流的拖罩.拖罩的长度为100～180mm,宽度30～40mm,具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等条件确定,但要使温度处于350℃以上的焊缝及热影响区金属得到充分的保护.拖罩外壳的四角应圆滑过渡,要尽量减少死角,同时拖罩应与焊件表面保持一定距离,焊用拖罩通常与焊炬连接为一体,并与焊炬同时移动.
3.2焊接工艺参数的选择
钛及钛合金焊接工艺参数的选择,既要防止焊缝在电弧作用下出现晶粒粗化的倾向,又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织.纯钛及所有的钛合金焊接,都有晶粒长大的倾向,而晶粒长大难以用热处理方法加以调整.所以焊接应采用较小的焊接线能量.如果线能量过大,则焊缝容易被污染而形成缺陷（如表1）.
通过采用钨极氩弧焊的技术运用,主要是采用具有恒流特性的直流弧氩电源,在使用直流正接的方式,从而获取熔深或者相对较窄的熔宽,尤其是注意不同层次的运用技巧,第一层一般情况下不能使用焊丝,在第二层的基础上使用焊丝,同时还要充分注意已经加热的焊丝要处于一定的保护作用之下,在进行冷却处理之后,在进行下一轮的焊接,从而减少过热现象的发生.
3.3焊后热处理
在焊后处理的基础上技术上,由于钛以及钛合金的接头在焊接完结之后,还会存在不同程度的残余应力,这种应力有一定的整体效应力,如果处理不及时,就会形成一种冷冽缝,并全面增大接头与预应力腐蚀之间的敏感性,整体降低接头的疲劳强度,因此,在进行焊接的实施后,要采取相应的应力消除模式,并进行相应的预应力处理,消除应力带来的各种困扰,并进行表面的清除,整个过程要在惰性气体的运用环境中实行（如表2）.
4结语
（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,降低线能量.
（3）TA2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）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.