天弘雷射焊接鈦合金
藍領精英俱樂部-鈦管有拖罩焊接技術_01
鈦合金焊接工藝摘要：本文闡述了鈦及鈦合金的材料特點及焊接性、並針對鈦及鈦合金焊接中易產生氧化、裂紋、氣孔籌焊接缺陷，進行了焊接性試驗。能過對鈦及鈦合金焊接工藝規範的不斷摸索，以及對試驗過程出現的問題的合理分析，總結出鈦及鈦合金焊接工藝特點及操作要領。
一、鈦及鈦的分類及特點
國產工業純鈦有TA1、TA2、TA3三種，其區別在於含氫氧氮雜質的含量不同，這些雜質使工業純鈦強化，但是塑性顯著降低。工業純鈦儘管強度不高，但塑性及韌性優良，尤其是具有良好的低溫衝擊韌性；同時具有良好的抗腐蝕性能。所以，這種材料多用於化學工業、石油工業等，實際上多用於350℃以下的工作條件。根據鈦合金退火狀態的室溫組織，可將鈦合金分為三種類型：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，其強度可達到931N/mm2，而且在高溫下（500℃以下）性能穩定，可焊性良好。β型鈦合金在我國的應用量較少，其使用範圍有待進一步擴大。
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，這些焊接特點是由於鈦及鈦合金的物理化學性能決定的。
1.氣體及雜質汙染對焊接性能的影響
在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩定的。但試驗表時，在焊接過程中，液態熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態下，這些氣體已與其發生作用。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℃左右開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收後，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質量的極為重要的因素。
（1）氫是影響氫是氣體雜質中對鈦的機械性能影響最嚴重的因素。焊縫含氫量變化對焊縫衝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強度很低，故片狀或針狀衛HiH2的作用例以缺口，合衝擊性能顯著降低；焊縫含氫量變化對強度的提高及塑性的降低的作用不很時顯。
（2）氧的影響氧在鈦的α相和β想中都有有較高的熔解度，並能形成間隙固深相，使用權鈦的晶傷口嚴重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性卻顯著降低。為了保證焊接接應的性能，除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊按熱影響區發主氧化外，同時還應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所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的後果更為嚴重，因此，氮對提高工業純鈦焊縫的抗拉強度、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的雜質，實驗表明，當碳含量為0.13%時，碳因深在α鈦中，焊縫強度極限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用強烈。但是當進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現網狀TiC，其數量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應力作用下易出現裂紋。因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不大於0.1%，焊縫含碳量不超過母材含碳量。
2.焊接接頭裂紋問題
鈦及鈦合金焊接時，焊接接頭產生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易出現在晶界上，加之有效結晶溫度區間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產生熱裂紋。鈦及鈦合金焊按時，熱影響區可出現冷裂紋，其特徵是裂紋產生在焊後數小時甚至更長時間稱作延遲裂紋。經研究表明這種裂紋與焊接過程中氫彈的擴散有關。焊接過程中氫由高溫深池向較低溫的熱影響區擴散，氫含量的提高使該區析出TiH2量增加，增大熱影響區脆性，另外由於氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力，再加上氫原子向該區的高應力部位擴散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源，發票時，也呆進行冥空遏火處理。
3.焊縫中的氣孔問題
鈦及鈦合金焊接時，氣孔是經常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由於氫影響的結果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。防止產生氣孔的工藝措施主要有：（1）、保護氖氣要純，純度應不低於99.99% （2）、徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油汙等有機物。（3）、對熔池施以良好的氣體保護，控制好氬氣的流量及流速，防止產生紊流現象，影響保護效果。（4）、正確選擇焊接工藝參數，增加深池停留時間使用權於氣泡逸出，可有效地減少氣孔。
三、鈦板手工鎢板氬弧焊焊接試驗
鈦及鈦合金焊接生產中應用最多是鎢板氬弧焊，真空充氬焊接方法應用也很普遍。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護與冷卻作用下，電弧熱量較為集中，電流密度高，熱影響區小，焊接質量較高。
1.鈦及鈦合金焊接時，當溫度高於500℃~700℃時，很容易吸收空氣中的氣、氫和氮，嚴重影響焊接質量。因此，鈦及鈦合金焊接時，對熔池全面及高溫部信（400℃~650℃以上）的焊縫區必須嚴加保護，為此，鈦及鈦合金焊接時必須採取特殊的保護措施，即採用噴尺寸較大的焊矩，以擴大氣體保護區面積，當噴嘴不足以保護焊縫及近縫區高溫金屬時，需附充氬保護拖罩。焊縫和近縫區顏色是保護效果的標翅。銀白色表示保護效果最好，黃色為輕微氧化，一般是允許的。表面顏色應符合表（1）規定。
考慮到工程使用的實用性、高效性，我們先製備了一個簡易拖罩。如圖(a)，氬氣從進氣口進入分布管，穿過分布管孔直接進入保護區。採用這種拖罩，焊接保護效果不是很好，焊道呈深藍色。據分析是氣流從分布管直接進入保護區。氣流不是很均勻、平穩，使高溫焊道保護不好被氧化。因此我們進一步改進了拖罩的結構，如圖（b），氬氣從進氣孔進入分布管後經拖罩頂部下返；穿過多孔板，多孔板主要起氣篩和分布的作用，使氬氣流動更平穩，焊接保護效果較好，焊道呈銀色或江黃色。拖罩長充L為40~100mm材質為黃銅。 鈦及鈦合金氬弧焊時，還應注意焊道的北面保護，考慮到焊接變形，我們採用開槽固定銅墊板的方法進行充氬保護，為了使焊道背面行到充分保護，又在糟中加一多孔銅管，使氬氣經銅管孔均勻的進入保護區，保護效果良好，焊道背面呈銀白色。手工鎢板氬弧焊焊接工藝及參數的選擇（1）焊前準備 焊件和焊絲表面質量對焊接接頭的力學性能有很大影響因此必須嚴格清理。鐵板及鈦焊絲可採用機械清理及化學清理兩種方法。1）機械清理對焊按質量要求不高或酸洗有困難的焊件，可用細砂紙或不鏽鋼絲刷擦拭，但最好是用硬質合金黃色刮削鈦板，去除氧化膜。2）化學清理焊前可先對試件及焊絲進行酸洗，酸洗液可用HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗後用淨水衝洗，烘乾後立即施焊。或者用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭鈦板坡口及其兩側（各50mm內）、焊絲表面、工夾具與鈦板接觸的部分。（2）焊接設備的選擇鈦及鈦合金金鎢板氬弧焊應選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源，且延遲遞氣時間不少於15秒，避免焊遭受到氧化、汙染。（3）焊接材料的選擇 氬氣純度應不低於99.99%，露點在-40℃以下，雜質總的質量分數<0.001%。當氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時，應停止使用，以防止影響焊接接頭質量。原則上應選擇與基本金屬成分相同的鈦絲，有時為了握高焊縫金屬塑性，也可選用強度比基本金屬稍低的焊絲。（4）坡口形式的選擇 原則儘量減少焊接層數和焊接金屬。隨著焊接層數的增多，焊縫累計吸氣置增加，以至影響焊接接頭性能，又由於鈦及鈦合金焊接時焊接熔池尺寸較大，因此試件開單V型70~80°坡口。（5）試件組對及定位焊 為了減少焊接變形，焊前進行定位焊，一般定位焊間距為100~150mm，長度為10~15 mm。定位焊所用的焊絲、焊接工藝參數及氣體保護條件應與焊接接頭焊接時相同。間隙0~2mm，鈍邊0~1.0mm。（6）焊接參數選擇 如表（2）所示，我們通過對不同工藝下的焊接接頭性能的對比，摸索出較合適的焊接工藝規範。
工藝（1），焊接電流為150A、170A、180A，按此參數施焊，焊接接頭表面、呈現出深藍、金素色，說明接頭氧化較嚴重，不符合技術要求，此工藝不可取。
工藝（2），焊接電流相對降低為120A、150A、160A，按此參數施焊，焊縫表面呈現出金紫、深黃色，X射線探傷無缺陷，但機械性能彎曲試驗不合格，說明焊接接頭塑性顯著降低，達不到技術要求，此工藝同樣不可取。
工藝（3），焊接電流為95A、115A、120A，按此參數施焊，焊縫表面呈銀白、淺黃色，X射線探傷無缺陷，但機械性能彎曲試驗合格、拉伸強度也符合要求，焊接接頭性能達到技術要求，此工藝比較合適。 鈦及鈦合金焊接時，都有晶料粗大傾向，直接影響到焊接接頭的力學性能。因此焊接工藝參數的選擇不僅要考慮到焊縫金屬氧化及形成氣孔，還應考慮晶粒粗化因素，所以應儘量採用較小的焊接熱輸入，工藝（1）、（2），由於焊接規範較大因素，造成接頭氧化比工藝（3）嚴重。且微觀金相實驗結果表明，接頭晶粒粗化程度也比工藝（3）嚴重。所以焊接接頭力學性能較差。
氣體流量的選擇以達到良好的保護效果為準，過大的流量不易形成穩定的層流，並增大焊縫的冷卻速度，使焊縫表面層出現較多的α相，以至引起微裂紋。拖罩中的氬氣流量不足時，焊縫呈現出不同的氧化色澤；而流量過大時，將對主噴嘴的氣流產生幹擾作用。焊縫背面的氬氣流量也不能太大，否則會影響到正面第一層焊縫的氣體保護效果。（7）鈦及鈦合金手工鎢極氬弧焊操作要領 1）手工氬弧焊時，焊絲與焊件間應儘量保持最小的夾角（10~15°）。焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護區。 2）焊接時，焊槍基本不作橫向擺動，當需要擺動時，頻率要低，擺動幅度也不宜太大，以防止影響氬氣的保護。3）斷弧及焊縫收尾時，要繼續通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區金屬冷卻到350℃以下時方可移開焊槍。（8）質量檢驗 1）外觀檢查符合GB/T13149-91。2）射線深傷符合JB4730-94。3）力學性能試驗符合GB/T13149-91。
四、結論
1、鈦及鈦合金焊接的氣體保護問題是影響焊接接頭質量的首要因素。
2、鈦及鈦合金焊接時應儘量採用小的熱輸入。
3、TA2手工鎢極氬弧焊時，應嚴格控制氫的來源，防止冷裂紋的產生，同時應注意防止氣孔的產生。
4、只要嚴格按照焊接工藝要求施焊，並採取有效的氣體保護措施，即可獲得高質量的焊接接頭。