钛合金焊接技术探析

钛及其合金可以通过熔融焊接方法进行焊接。具体包括钨极气体保护焊（GTAW）熔化气体保护焊（GMAW）、等离子弧焊（PAW）、激光焊（LBW）和电子束焊（EBW）。但是，由于钛的活泼性很高，在高温下与氧、氮、碳、氢等亲和力很强，在300℃以上开始吸氢，在600℃以上大量吸氧和氮。氢溶于钛中，不仅导致产生气孔而且冷却时析出的钛氢化合物能急剧降低材料的韧性，在组织应力作用下还会产生裂缝。氧和氮与钛生成的化合物能使焊接接头的硬度提高，塑性急剧下降。高温下碳与钛生成碳化钛也能使焊缝塑性下降，产生裂缝。因此，在钛的焊接时，除应严格控制材料本身的这些杂质外，在焊接前还必须做严格细致的准备工作，清除焊接部位的污染物为了保证焊接质量，焊接过程中还必须采取有效措施可靠保护焊接熔池和高于400℃以上的焊接区域，使之免受空气污染。

其次，钛的熔化温度高、热导率小、热容量大，因此，焊接时高温区较宽，高温停留时间长，冷却速度慢，这就使焊接接头易产生过热组织，形成粗大晶粒，降低塑性根据这个特点，要求焊接区以快速冷却为宜。但当焊缝冷却速度太快时，高温β相又易转变成不稳定的α′相，使塑性下降而变脆。由此看出，为了使焊接接头具有良好的力学性能，还必须选择合适的焊接规范，以便使过热倾向和淬硬倾向都相对较小。

根据钛的焊接特点和纯钛组织结构特点，目前国内外多采用惰性气体保护焊方法试验中采用手工氩弧焊，只要采取有效的保护措施，焊接质量也能得到保证。最近在有关钨极气体保护焊（GTAW）工艺发展的研究报道中，介绍了一种钛板的焊接方法，这种方法首先应用于不锈钢，可以采用单面焊双面成形焊接3～12mm厚的钢板。理论计算及试验结果表明，这种工艺十分适合钛板的焊接。(www.xing528.com)

焊接钛合金时，合金小部分熔化并快速冷却，组织变化复杂。环境气氛中的少量氧、氮杂质的污染，虽然不能改变晶体结构，但它们常处在晶格的间隙位置，阻碍位错运动，显著提高钛的硬度和强度，引起焊接点的脆化。因此，焊接钛合金时，必须采用惰性气体保护，以防组织和性能变差。为研究组织变化，采用钨极气体保护焊（GTAW）试验了两种焊接接头。用较厚的工业纯钛板，将要焊接的区域加工成60°斜角，清理干净接头处的氧化物、金属残渣和油污后，立即进行焊接。一套方案设计为前两道在充氩焊箱内焊接，后两道在焊箱外用焊炬上的氩气进行保护（低氧焊缝）；另一套方案为四道均在焊箱外进行，仅有氩气保护（高氧焊缝）。焊件的弯曲试验表明，两种焊缝的强度都不如基体金属：低氧焊缝的强度约为基体金属的67％，而高氧焊缝的强度仅为25％；低氧焊缝的氧含量与基体金属和焊丝的基本相同，而高氧焊缝的氧含量则是基体金属和焊丝的两倍多。扫描电镜及X射线衍射分析表明，沿焊缝自上而下接近表面处的氧含量和硬度值最低，在热影响区有所增加，基体金属的氧、碳、氮含量基本恒定。但氧含量高的焊缝强度明显高于氧含量低的。两种焊缝的低倍组织显示，弯曲试验后，焊缝上均发生开裂。由于两种焊缝的热输入相同，焊缝和热影响区的组织相似：焊缝的组织为典型的α相，中心处的晶粒尺寸约1mm，β相在晶界上析出；在热影响区，晶粒尺寸从中心线上的1mm降至基体金属的20μm；基体金属的α相为等轴晶α相的晶内外残留有少量高温β相。高氧含量的焊缝上部存在明显的氧污染，还可以看到带有魏氏体片的针状α相和沿晶界析出的β相。这是由于在1740℃Ti与TiO₂之间发生包晶反应所致，焊后快速冷却时，氧的存在使部分β相保留到了室温。