钛及钛合金焊接指南

钛及钛合金焊接指南钛钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接；广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。

1，钛及钛合金的焊接特点(1)杂质污染引起的脆化由于钛的化学活性大，在焊接热循环的作用下，焊接熔池及高于350℃的焊缝金属和热影响区极易与空气中的氢、氧、氮及焊件、焊丝上的油污、水分等发生反应。钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，含碳量较多时，会出现网状TiC脆性相。以上情况使钛及钛合金焊接接头塑性、韧性急剧降低导致焊接接头的性能变坏。钛表面生成氧化膜的颜色与生产温度有关。在200℃以下为银白色、300℃时为淡黄色400℃时为金黄色、500℃和600℃时为蓝色和紫色，700~900℃为深浅不同的灰色。可根据表面生成氧化膜的颜色来判断焊接过程未保护区的温度。

(2)焊接相变引起的性能变坏有两种同素异构的晶体结构，882℃以上到熔点为体心立方晶格，叫β钛，882℃以下为密排六方晶格，叫α。容器用钛中含β稳定元素很少，都是α铁合金。这些钛在焊接高温下，焊缝及部分热影响区为β晶格，有晶粒急剧长大的倾向。钛又具有熔点高、比热容大、热导率低等特性，因此焊接时高温停留时间较长约为钢的3~4倍，高温热影响区较宽，使焊缝和高温热影响区的β晶粒长大明显，会使焊接接头的塑性下降较多，因而钛焊接时，通常应采用较小的焊接热输入和较快的冷却速度以减少高温停留时间，减少晶粒长大的程度，缩小高温热影响区，减少塑性下降的影响。(3)焊接区需采用惰性气体保护在高温下和空气中氧的亲和力非常强，在200℃以上的区域必须采用惰性气体保护，以避免氧化。(4)焊接变形较大钛的弹性模量仅为碳钢的一半，在同样的焊接应力下，钛的焊接变形量会比碳钢大1倍。因此焊接钛时，一般应用垫板及压板压紧工件，以减小焊接变形量。(5)易产生气孔气孔是钦焊缝中常见的缺陷。钛焊接中产生的气孔主要是氢气孔，也有CO气体形成的气孔。(6)存在裂纹的可能性钛中硫、磷、碳等能在晶界与钛形成低熔点共晶的杂质含量很少，有效结晶温度区间窄，焊缝凝固时收缩量小，因而一般不会产生焊缝的热裂纹。钛焊缝的裂纹属于氢致冷裂纹。(7)与钢不能熔焊铁常温下在钛中溶解的质量分数仅为0.05%~0.10%，因而钛与钢不能直接熔焊。

2.钛及钛合金的焊接方法

钛及钛合金焊接时主要采用的焊接方法有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊等，对于不承受载荷的密封结构的焊接可采用钎焊，也可以用爆炸焊来进行钛与钢复合板的复合焊接。

3，钛及合金的焊接材料

(1)焊丝钛及钛合金焊丝选用一般按与母材相应的焊丝配用，但也应经过焊接工艺评定合格。选择焊丝时存在一个配用合适焊丝的问题，因为焊丝的杂质含量只控制上限，绝大多数情况不控制下限，而每批生产的焊丝，只保证化学成分，并不保证焊丝焊接以后的力学性能。存在着这种可能性，有的生产批量的焊丝中的杂质含量特别偏低，属合格产品，但其焊缝的强度偏低，可能不能满足不低于母材退火状态标准抗拉强度下限值的要求。这时应换一个生产批量的同牌号焊丝，甚至换强度高一级的焊丝(指工业纯)重新进行工艺评定直至合格，方才可以选定焊丝。容器用钛及钛合金焊丝和填充丝的化学成分(熔炼分析)见表4-29。如从焊丝和填充丝成品上取样进行化学成分复验时，其分析的允许偏差见表4-30。容器常用钛材推荐选用焊丝和填充丝的型号见表4-31。

(2)保护气体铁及钛合金焊接时一般采用氩气作为保护气体，氩气纯度(体积分数应不低于99.99%，其中其他气体成分的体积分数分别为氧低于0.002%、氮低于0.005%，氢低于0.002%，水分低于0.001mg/L。气瓶压力不得低于0.5MPa。使用时要将保护气系统如输气软管、焊矩、拖罩中的空气置换干净。保护气也可以用氦气或氩氦混合气。

(3)钨极常用纯钨极和铈钨极。纯钨中含氧化铈(杂质质量分数不大于0.1%)的电极为铈钨极。铈钨电极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，性能优于纯钨极，是目前普遍采用的钨极。

4.焊前准备

(1)焊前清理钛及合金焊件和焊丝焊前应仔细清除表面的氧化物、氮化物、油污、水分等，一般采用酸洗或砂轮、砂布打磨。对于容器的纵环焊缝、角焊缝、换热器的管与板的焊接等酸洗比较困难的工件，可用砂轮、砂布打磨坡口两侧，并注意将残留的砂粉尘末清理干净。对于焊丝、封头、膨胀节和其他不易打磨的零件焊前应酸洗，酸洗后应用清水冲洗干净。如焊件无法酸洗，也可用硬质合金刮刀刮削。焊件经过以上清理后，在焊前均应用丙酮、无水酒精等溶剂清洗待焊区，不得用手触摸与再污染。再污染后应重新清理与清洗。(2)焊接区其他保护装置的制作钛及钛合金焊接时，焊枪喷嘴保护熔池，拖罩保护冷却中的焊接接头的正面，垫板保护焊接接头的背面。钛及钛合金焊接所用的焊枪与焊接铝、不锈钢的焊枪不同，常用大直径喷嘴，手工焊时，喷嘴直径为14~20mm，自动焊时为16~22mm。拖罩能保护温度在400℃以上的焊