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常用金屬材料的焊接（鈦及鈦合金）

[ 來源：　|　作者：本站　|　發(fā)布時(shí)間：2018-02-28 |　瀏覽：477次 ]

鈦是一種非磁性材料，具有密度?。?/span>4.5g/cm3）、強(qiáng)度高（比鐵約高1倍）、較好的高溫強(qiáng)度和低溫韌性以及良好的耐腐蝕性等特點(diǎn)。鈦在885℃以下時(shí)，具有密集六方晶格稱為α鈦。在885℃產(chǎn)生同素異晶轉(zhuǎn)變，晶格變?yōu)轶w心立方晶格稱為β鈦。鈦長(zhǎng)時(shí)間在高溫停留，晶粒容易長(zhǎng)大，快速冷卻時(shí)，容易生成不穩(wěn)定的針狀α鈦組織稱為“鈦馬氏體”，其強(qiáng)度較高，塑性較低。

鈦加入合金元素后可改善加工性能和力學(xué)性能，常加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo等，按照成分和在室溫時(shí)的組織不同，鈦和鈦合金可分為：
⑴工業(yè)純鈦 按其純度可分為TA1、TA2、TA3等牌號(hào)，其中TA1的雜質(zhì)最少，少量雜質(zhì)將使強(qiáng)度增高、塑性降低，故TA1的強(qiáng)度最低（σb為300～500MPa）、塑性最好（δ為30%）。
工業(yè)純鈦有良好的焊接性。
⑵α鈦合金 鈦中加入了Al、Sn等元素，牌號(hào)為TA6、TA7，有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性。
α鈦合金有良好的焊接性。
⑶β鈦合金 鈦中加入了Mn、V、Mo、Cr等元素，牌號(hào)為TB1、TB2。熱處理后強(qiáng)度較高（TB1的σb為700MPa），塑性也較好，而且具有良好的加工性，但耐熱性稍差，體積質(zhì)量大、成本高。β鈦合金的焊接性不良。
⑷α+β鈦合金 鈦中加入了Al、Se、Mo、Mn、Cr等元素，牌號(hào)為TC1、TC2?？赏ㄟ^熱處理如化，加工性能良好，但高溫強(qiáng)度低于α鈦合金。
α+β鈦合金焊接性很差，很少用于焊接結(jié)構(gòu)。
鈦及鈦合金的焊接性。
⑴化學(xué)活性大 鈦和鈦合金不僅在熔化狀態(tài)，即使在400℃以上的高溫固態(tài)也極易被空氣、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收O2、N2、H2、C等元素，使焊接接頭的塑性及沖擊韌度下降，并易引起氣孔。因此，施焊時(shí)對(duì)焊接熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區(qū)都要妥善保護(hù)。
⑵熱物理性能特殊 鈦和鈦合金和其它金屬比較，具有熔點(diǎn)高、熱容量較小、熱導(dǎo)率小的特點(diǎn)，因此焊接接頭易產(chǎn)生過熱組織，晶粒變得粗大，特別是β鈦合金，易引起塑性降低，所以在選擇焊接參數(shù)時(shí)，既要保證不過熱，又要防止淬硬現(xiàn)象。由于淬硬現(xiàn)象可通過熱處理改善，而晶粒粗大卻很難細(xì)化，因此為防止晶粒粗大，應(yīng)選擇硬參數(shù)。
⑶冷裂傾向較大 溶解于鈦中的氫在320℃時(shí)和鈦會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，析出TiH2，引起金屬塑性和沖擊韌度的降低，同時(shí)發(fā)生體積膨脹而引起較大的應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生冷裂紋。
⑷易產(chǎn)生氣孔 產(chǎn)生氣孔的氣體是氫。因氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而下降，焊接時(shí)，沿熔合線附近加熱溫度高，會(huì)引起氫的析出，因此氣孔常在熔合線附近形成。
⑸變形大 鈦的彈性模量約比鋼小一半，所以焊接殘余變形較大，并且焊后變形的矯正較為困難。

鈦及鈦合金焊接方法的選擇及常用的焊前清理方法。
由于鈦及鈦合金的化學(xué)活性大，易被氧、氮、氫所污染，所以不能采用手弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法進(jìn)行焊接。目前常用的焊接方法是氬弧焊、埋弧焊和真空電子束焊等，其中尤以鎢極氬弧焊用得最為普遍。
近年來等離子弧焊、電阻點(diǎn)焊、縫焊、釬焊和擴(kuò)散焊得到應(yīng)用。
鈦和鈦合金焊件的表面，焊前一定要進(jìn)行認(rèn)真的清理，因污物易在焊縫中產(chǎn)生氣孔和非金屬夾雜，使焊縫的塑性和耐腐蝕性顯著下降。常用的清理方法如下：
⑴機(jī)械清理 用切削加工、噴砂、噴丸或鋼絲刷清除焊接區(qū)的污物和氧化皮等。
⑵化學(xué)清理 將焊件及焊絲在酸液中進(jìn)行清洗，使焊件表面去凈氧化物，呈銀白色金屬光澤為止，酸洗液的配方見表60。酸洗后在流動(dòng)的清水中洗凈，焊前再用丙酮或酒精擦凈焊絲及焊件焊接區(qū)域的表面。

表60 鈦及鈦合金的酸洗溶液配方


鈦及鈦合金鎢極氬弧焊的焊接工藝。
⑴局部保護(hù) 鈦及鈦合金焊接時(shí)，不僅要保護(hù)焊縫區(qū)和熔池區(qū)，并且對(duì)加熱溫度超過

400℃的熱影響區(qū)和焊縫背面也要進(jìn)行保護(hù)，常用的局部保護(hù)方法見圖12。保護(hù)效果以焊縫

及熱影響區(qū)表面顏色為標(biāo)志見表61。


表61 焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色



⑵接頭形式 鈦及鈦合金的接頭形式及坡口尺寸見表62


⑶焊絲 焊絲牌號(hào)有TA和TC兩大系列，通常采用同質(zhì)材料，為改善接頭塑性，可用比母材合金化程度稍低的焊絲，例如焊接TC4時(shí)可以用TC3焊絲。

⑷焊接工藝參數(shù) 鈦及鈦合金手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)鎢極氬弧焊的焊接工藝參數(shù)，分別見表63、表64。


表63 鈦和鈦合金手工鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

表64 鈦和鈦合金自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

鈦及鈦合金熔化極氬弧焊的焊接工藝。

熔化極氬弧焊有較大的熱功率，適用于3～20mm中厚板的焊接。這種方法具有焊接速度

高、成本低、氣孔傾向也比鎢極氬弧焊少的優(yōu)點(diǎn)。但主要缺點(diǎn)是飛濺較大，影響焊縫成形和

區(qū)域保護(hù)。短路過渡適于較薄件焊接，噴射過渡適于較厚件焊接。由于熔化極焊接時(shí)填絲較

多，故焊件的坡口角度較大，厚15～25mm一般選用90°、Y形坡口。焊接工藝參數(shù)，見表65。

表65 鈦和鈦合金自動(dòng)熔化極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

鈦及鈦合金埋弧焊的焊接工藝。
埋弧焊已成功地用于焊接中厚板的鈦及鈦合金焊件。由于鈦及鈦合金具有活潑的化學(xué)性

能，所用焊劑除應(yīng)具備一般焊劑所共同的性質(zhì)外，還需具有特別良好的隔絕空氣的保護(hù)作用，

確保焊縫金屬不發(fā)生氧化反應(yīng)、不受氫的有害影響。因此，現(xiàn)有各種焊劑都不能使用。目前

生產(chǎn)中使用成功的一種特殊焊劑成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：
CaF279.5%；BaCl219%；NaF1.5%。這是一種無氧焊劑，要用化學(xué)純?cè)吓渲啤Ｆ渲蠧aF2

為基本造渣劑，BaCl2用于穩(wěn)弧，NaF含量不多，作用是細(xì)化晶粒。焊接電源采用交、直流均

可，但用直流反接時(shí)焊縫原成形較好，生產(chǎn)率也較高。焊接接頭反面的保護(hù)，可用于母材上

切取的鈦墊板，也可用緊貼背面的焊劑墊。工業(yè)純鈦埋弧焊的焊接工藝參數(shù)，見表66。

表66 工業(yè)純鈦埋弧焊焊接工藝參數(shù)


焊后除渣工作必須在焊縫金屬冷至300℃以下時(shí)進(jìn)行。
埋弧焊的主要缺點(diǎn)是成本較高，靈活性較差，工藝設(shè)備也較復(fù)雜。

鈦及鈦合金等離子弧焊的焊接工藝。
鈦及鈦合金等離子弧焊具有能量集中、單面焊雙面成形、弧長(zhǎng)變化對(duì)熔深程度影響小、

無鎢無雜、氣孔少和接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)，可用“小孔型”和“熔透型”兩種方法進(jìn)行焊接。

“小孔型”一次焊透的適合厚度為2.5～15mm，“熔透型”適用于各種厚度，但一次焊透的

厚度較小，厚度3mm以上需開坡口，填絲多層焊。為加強(qiáng)保護(hù)，可以使用氬弧焊拖罩，只是

隨厚度增加和焊速提高，拖罩長(zhǎng)度要適當(dāng)加長(zhǎng)。由于高溫等離子焰流過小孔，為保證小孔的

穩(wěn)定，焊件背面不得使用墊板。15mm以上鈦材焊接時(shí)可以開Y形或∪形坡口，鈍邊取6～8mm，

用“小孔型”等離子弧焊封底，然后用埋弧焊、鎢極氬弧焊或“熔透型”等離子弧焊填滿坡

口。由于氬弧焊封底時(shí)，鈍邊僅1mm左右，故用等離子弧焊封底可大大減少焊接層數(shù)、填絲

量和角變形，并能提高生產(chǎn)率和降低焊接成本。
等離子弧焊的焊接工藝參數(shù)見表67。

表67 等離子弧焊的焊接工藝參數(shù)