１ ６ 新疆化工 ２０１５年第４期 钛及钛合金焊接特点及焊接工艺 胡柱疆 （新疆中泰化学（集团）股份有限公司，乌鲁木齐８３９０００） １前言 钛及钛合金是一种优良的结构材料，具有密 度小、比强度高、塑韧性好、耐热蚀性好、可加工性 较好等特点，因此广泛应用在航空航天、化工、造 船、冶金、仪器仪表等工业领域。我公司是一个大 型氯碱化工生产企业，钛及钛合金在氧化性、中性 及有氯离子介质中，其耐腐蚀性优于不锈钢，在生 产氯盐介质工艺流程中的设备、管道及仪器仪表大 多选用钛及钛合金材料制造。本人经常从事钛及钛 合金设备管道的制做、安装等焊接工作，下面就钛 及钛合金的焊接特 及焊接工艺做一简单介绍。 ２钛及钛合金的焊接特点 钛及钛合金具有特定的物理、化学及热处理 性能，为了掌握钛及钛合金的焊接工艺，提高焊接 质量，必须深入了解钛及钛合金的特点。 ２．１焊接接头的脆化 钛的化学性能很活泼，在液态或高于６００％的 固态下极易和氧、氮、氢等元素相互作用，产生脆 化。在常温下，由于表面氧化膜的作用，钛材保持 着稳定性和耐腐蚀性，但钛在高温下特别是熔融 状态时极易在焊缝热影响区的金属正反面得不到 有效保护的情况下，很容易与氧、氮、氢发生反应， 生成硬度脆性较大的氧化钛、二氧化钛，空气中的 氢产生氢脆。因此，在钛焊接时，为保护焊缝热影 响区免受空气污染，我们通常采用的高纯度的惰 性气体做为保护气体，如：氩气或氩氦混合气体。 造成钛材脆化的另一个原因是碳造成的脆化。碳 主要来源于母材、焊丝和油污等，碳在超过溶解度 时析出硬脆的碳化钛，使焊缝塑性迅速下降，在焊 接应力的作用下易产生裂纹。 ２＿２焊接接头的裂纹 ２．２．１热裂纹倾向 由于钛材中的碳、硫、磷等杂质较少，所以裂 纹的敏感性低，在当母材和焊丝质量不合格，特别 是当焊丝有裂纹、夹层缺陷时，会在夹层的裂纹处 积聚大量有害杂质而使焊缝产生热裂纹。 ２．２．２冷裂纹倾向 当焊缝中含有氧、氢、氮量较多时，焊缝和热 影响区性能变脆，在较大的焊接应力作用下容易 出现裂纹，这种裂纹是在较低的温度下形成的，在 焊接钛及钛合金时，影响区有时会出现延迟裂纹， 其主要原因是氢造成的，氢脆及氢化物析出时产 生较大的组织应力，在加上氢原的扩散与聚焦，最 终使焊接接头产生裂纹，防止这种延迟裂纹的方 法主要是送还和焊接接头氢的来源。 ２＿２．３焊缝气孑Ｌ 气孔是钛及钛合金焊接中常见的缺陷，氧、 氮、氢、二氧化碳、水和油污等都可能引起气孔的 形成，但氢是钛及钛合金焊接中形成气孔的主要 气体，氢气也多数产生于焊缝中部和熔解处。 （１）氢气形成的原因 氢在高温时溶入溶池，冷却结晶时过饱和的 氢来不及从溶池逸出，在焊缝中积聚形成气孔，焊 ２０１５年第４期 新疆化工 １ ７ 缝凝固的过程中中部温度高，使溶池中部的氢除 了向气泡核扩散外，同时也向熔合线扩散，在焊缝 中部和溶池边脆氢易过饱和而产生气孔。 （２）减少气孔的措施 防止气孔产生的关键是杜绝有害气体的来 源，防止焊接区被污染，通常采取以下措施； ①焊前仔细清除焊丝、母材表面上的氧化膜及 油污等有机物质、严格限制原材料中的氧、氢、氮等 杂质气体的含量，焊前对焊丝进行真空去氢处理。 ②尽量缩短焊件清理后到焊接时间的间隔， 一般不超过两小时，否则要妥善保存，以防吸潮。 采用机械方法加工破口端面、并除去剪切痕迹。 ③正确选择焊接工艺参数，延长溶池停留时 间，以便于气泡的逸出，控制氩气的流量、防止紊 流现象。 ④采用低露点氩气，其纯度大于９９．９９％，焊距 上通氩气的管道不宜采用橡胶管，以尼龙软管为好。 ２．２．４精晶倾向 钛的溶点高、热溶量大、导热性差，因此在焊 接时容易产生较大的溶池并且熔池的温度很高。 这使得焊缝及热影响区的金属在高温的时间比较 长，晶粒长大倾向较大，使接头塑性的断裂韧性降 低。长大的晶粒难以用热处理方法恢复，所以焊接 时应严格控制焊接的热输人量，一般采用较小的 焊接电流和较快的焊接速度，来避免产生较粗大 的晶粒。 ２．２．５焊接变形 钛的弹性模量比不锈钢小，在同样的焊接盈 利条件小，钛及钛合金的焊接变形时不锈钢的一 倍，而且矫形很困难，因此在焊新年好时应该采用 垫板和压板将待焊工件压紧，以减少焊接变形。 ３钛及钛合金的焊接工艺 钛及钛合金的性质非常活泼，溶解氮、氢、氧 的能力很大，普通的焊条手弧焊、气焊、二氧化碳 气体保护焊都不适合钛及钛合金的焊接，根据钛 及钛合金的主要焊接方法及其特点，应用最多的 有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊。 ３．１焊接准备 ３．１．１焊接清理 钛及钛合金的焊接接并没有对它的质量在很 大程度上取决于焊件和焊丝的焊前清理工作，通 常采用机械清理和化学清理。 （１）机械清理采用冲压、剪切和切割下料的工 件均需要焊前对其接头边缘进行机械清理，对于 焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，一般可 以用细砂布、不锈钢丝刷擦试或用硬质合金刮刀 削焊缝边缘去除表面氧化膜，刮出金属光泽即可。 而对于采用气割下料的工件，机械加工的切削层 的厚度不能小于２—５ｍｍ。然后用丙酮、乙醇或甲 醇等溶剂除去坡口两侧的手印、有机物质及焊丝 表面的油污等。在除油时需要使用厚棉布，毛刷刷 洗。对于焊接经过热加工或在无保护气体的情况 下热处理的则需要进行综合清理，通常采用喷吵 清理表面，然后进行化学清理。 （２）化学清理我们一般采用盐酸清理焊件焊 丝表面，经酸洗和水洗擦干后应在四小时内用完， 否则需重新清理，焊丝可放在温度为１５０—２００℃ 烘箱内保存，随取随用。取焊丝应戴洁洁净白手 套，以免潮热焊比，对焊件应采取塑料布掩盖防止 污染，对已沾污的可用丙酮或酒精擦洗。 （３）坡口配置 在选择坡口形式及尺寸时，应尽量减少焊接 层数和填充金属量，以防止接头塑性的下降，搭接 接头由于其背面保护困难，接头受力差尽可能不 采用。对于母材厚度小于２ ５ｍｍ的Ｉ型坡口对接 接头，可以不添加填充焊丝进行焊接。对于厚度大 的母材则需要开坡口并添加填充金属，一般应尽 量采用平焊。 １ ８ 新疆化工 ２０１５年第４期 由于钛的一些特殊的物理性能，如表面张力 系数大，熔融态时黏度小，使得焊前必须对焊件进 行仔细装配，点固焊是减少焊件变形的措施之一， 一般焊点间距为１００—１５０ｍｍ，其长充约１０—１５ｍｍ。 点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等 条件与正式焊接时相同，在每一点固点焊时，焊件 的背面必须通氩气保护以止焊点被污染，停焊时， 应延时关闭氩气，同时装配时应严禁使用铁器敲 击划伤待焊工件表面。 ３．２焊接工艺 ３－２．１钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是采用高熔点的钨棒（钍钨、铈 钨）做为电极，氩气流的保护区，依靠不熔化的钨 棒与焊件之间产生的电弧熔化基本金属及填充焊 丝的一种方法。 钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常用的方 法，通常用于焊丝厚度在３ｍｍ以下的钛及钛合金。 钨极氩弧焊可分为敞开式焊接和箱内焊接两种类 型，它们又各自分为手工焊和自动焊，敞开式焊接 是在大气环境中的普通氩时，是利用焊枪喷嘴、托 罩和背面保护装置通以适量的氩气和氩氦混合气 体，把焊接高温区与空气隔开，以防止空气侵入而 沾污焊接区的金属，这是一种局部气体保护的焊 接方法。 钛及钛合金钨极手工氩弧焊必须配用氩气保 护效果良好的焊枪、托罩、焊接时一般采用左焊 法，焊枪尽可能与焊件表面垂直，钨极伸出长充 （５—８ｍｍ）和喷嘴（１６～２０ｍｍ）离焊件表面距离尽 量小，但不要影响焊接时的视线，焊枪操作要平衡 均匀，送丝时应注意不要将焊丝熔化端部移出氩 气保护区，否则焊丝端部被氧化后再熔入熔池会 影响焊缝的质量。当焊接中断或结束时，焊枪必须 在结束处停留一段时间，继续送氩气保护，尤其是 托罩不能离开焊缝保护区，直至冷却到焊缝不再 氧化的温度时方可移开、停气。 ３．２．２焊接材料的选择 （１）氩气适用于钛及钛合金焊接用的氩气为 一级氩气，其纯度为９９．９９％，露点在一４０％以下， 杂质总含量＜５％，水分＜０．００１ＭＧ／Ｌ。焊接过程中 如果氩气的压力降至１ＭＰＡ时应停止使用，以保 证焊接接头的质量。 （２）焊丝填充焊丝的成分一般应与母材金属 的成分相同。常用的牌号有ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３、ＴＡ４、 ＴＡ５、ＴＡ６及ＴＣ３等。这些焊丝均以真空退火状态 供应，如果没有标准牌号的焊丝，可以从焊件上剪 下狭条作为焊丝代用。为了提高焊缝金属的塑性， 也可选用纯钛焊丝。 （３）氩气流量的选择以达到良好的焊接表面 色泽为准过的流量不易形成稳定的气流层，容易 产生紊流现象。对焊接区产生污染，降低焊缝塑 性。对托罩中的氩气含量不足时焊接接头表面呈 现不同的氧化色泽，而流量过大时将对焊枪喷嘴 的气流产生干扰． ３．３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，因互必须在焊缝区和热影响 区采取良好的措施，在焊接时应提前送氩气三秒 以上（这是指焊枪），焊接过程中在选择接头形式 时要考虑到焊接时便于氩气的有效保护，同时接 头背面也要单独通入氩气保护，在焊接管道时每 次必须提前充氩气或氩拟混合气体进行保护。第 一层焊接完时仍继续充氩气不能终断直至第二层 也焊接完毕，焊接结束时还要延迟断气时间１５～ ３０ｓ以上。以焊接多层多道焊时，每一层都要保护 好，不能只凭盖面层焊缝的色泽来评介焊接接头 的保护效果。总之，采用合理的保护装置、设施及 焊接工艺才能保证有合格的焊接质量，具体产生 的影响如下表１： ２０１５年第４期 新疆化工 表１ １ ９ ３．４焊接工艺参数 证了焊接质量的前提下，选用了较大的焊接电流 和最大的焊接速度，提高了工作效率，达到了预期 在焊接规范里，焊接电流迁用的都较小，而本 人从事多年的焊接钛和钛合金的管道、设备制作。 为了加快工程进度，我采用的焊接电流比《焊接规 范》里稍大一些，经过多年焊接经验的积累，在保 的效果，加快了工程进度，得到了单位的好评，具 体焊接参对照如下表２： 表２ ４结论 焊接钛及钛合金时，保护气体纯度、流量、喷 嘴的结构形式和尺寸大小与焊件的距离，接头形 参考文献 ［１］机械工业沈阳教材编委会编．焊接基础【Ｍ］．东北 工学院出版社，１９８９． ［２】焊接技术编写组．焊接技术［Ｍ］．北京国防工业出 版社，１９９１． 式及内外保护装置是否符合要求，室内室外或风 力大小都会影响焊接质量，所以在焊接钛及钛合 金时要注意各种保护措施是否合理，准备工作是 否到位，是否能确保焊接质量合格，关系非常重 。 ［３］朱若兰，等译．特殊金属材料的焊接［Ｍ］（日本焊 工培训教材）．上海科技文献出版社，２００３． 收稿日期：２０１５一ｏ４—１５。