鈦合金焊接工藝論文

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1、鈦合金焊接工藝

1.1焊接材料

鈦合金焊接一般使用成分與母材相同的焊絲，有時為了提高接頭的韌性，在焊接接頭強度方面降低要求，應當選擇低于母材強度的焊絲。通常將在真空有條件下經過退火處理TA1～TA6和TC3等焊絲用做鈦合金焊接，如果以上提到的焊絲無法供應時，可將母材剪切成窄條作為焊絲。

1.2焊前清理

鈦合金的焊前清理工作非常重要，通常因為附著污物會引發氣孔和夾雜雜質等問題影響焊絲焊接后焊縫的抗腐蝕性和強度，因而鈦合金在焊接前必須進行清理。表面處理的常見方法為物理處理和化學處理法，物理處理主要包括表面污垢通過噴砂噴丸和拋光等方式的處理，化學處理主要是通過酸堿等化學物質將鈦合金表面的污垢溶解，除去鈦合金表面的氧化物，直至表面為鈦合金基材為止。

1.3常見的鈦合金焊接方法

對于鈦合金的焊接方法一發展多年，眾多的研究主要集中在鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊等方法等常見的鈦合金焊接方法。

1.3.1鎢極氬弧焊工藝

對于焊接10mm以上的鈦合金母材通常選擇鎢極氬弧焊工藝，常采用直流正接。張裝生等研究人員對對鎢極氬弧焊工藝的研究結果表明，在母材焊接過程中要要使用氬氣保護氣氛來保護焊件的正面、背面，盡可能的使用拖罩保護進行氣氛保護。

1.3.2熔化極氬弧焊工藝

MIG焊主要用于焊接鈦合金厚板，常采用直流反接。焊接方式依據焊接母材薄厚而不同，通常薄板采用工藝為短路過渡的熔滴過渡焊接方法，而厚板采用工藝為噴射過渡的熔滴過渡方法。該工藝對保護氣氛的要求很高，保護氣氛氣體純度、焊前清理的要求，MIG焊比TIG焊更為嚴格。

1.3.3等離子弧焊工藝

一般的等離子弧焊，除了使用熱壓縮、機械壓縮、磁壓縮三種基本手段收縮電弧外，是保護氣氛中該工藝一般使用氬氣與一定比例的氫氣來保護，該保護氣氛可以提高焊接過程中焊接電弧的收縮性，基于以上原因，使用等離子弧焊焊接工藝焊接鈦合金母材時，鈦很容易與保護氣中的氫形成氫化物，只能使用純氬氣或氬與氦的混合氣作為保護氣體。當鈦板厚度為較薄時，通常采用小孔法焊接，而厚板母材使用熔入法加反面成形墊板焊接工藝。

1.3.4電子束鈦合金焊工藝

該工藝通常電子是以熱發射或場致發射的方式從發射體逸出功率密度很高的電子束撞擊到焊材表面，電子的動能就轉變為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發。在高壓金屬蒸氣的作用下熔化的金屬被排開，電子束就能繼續撞擊深處的固態金屬，很快在被焊工件上形成小孔，小孔的周圍被液態金屬包圍。隨著電子束與工件的相對移動，液態金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻、凝固形成了焊縫。但電子束焊焊接鈦合金會在接頭中產生較大的殘余應力，并隨著焊接件厚度的增大而增加，只有焊后對焊件進行完全真空退火方可消除。

1.3.5激光束鈦合金焊工藝

激光束焊接適合于某些特殊的焊接，已經成為鈦合金焊接的重要手段。鄒世坤等采用激光焊接TC4鈦合金，獲得接頭性能與母材相當。郭鵬等人對采用激光束焊接TC4鈦合金進行焊接研究，研究結果表明TC4鈦合金通過焊接后焊縫平整光滑，外觀色澤漂亮，對焊接試樣通過無損檢測結果表明鈦合金焊縫質量達到國標Ⅱ級要求。

1.3.6摩擦焊工藝

鈦合金自身良好性能很適合摩擦焊，工藝若調整到合適的范圍，也可以在無特殊保護措施的條件下，獲得良好的焊接接頭。摩擦焊焊接鈦合金獲得的焊縫硬度略低于母材，進行拉伸試驗時試樣斷裂于母材側，斷口呈現韌性斷裂特征。研究人員對TC4鈦合金進行攪拌摩擦焊接方式進行焊接，研究結果表明焊接接頭的抗拉強度達到母材的92%，焊接接頭的攪拌區域為焊接質量最差區域，該區域韌性和強度都較差。

2、鈦及鈦合金焊接常見缺陷與防止措施

2.1鈦合金焊接常見缺陷

2.1.1脆化

高溫下鈦與氧、氮、氫很容易發生反應,而氧和氮在空氣中廣泛存在。因此，在焊接熱循環作用下鈦很難不受影響。因氧和氮固溶于鈦中，導致鈦金屬晶格畸變，因鈦合金晶格結構的改變使鈦合金擁有高的強度，但塑韌性卻弱于母材。隨著氫含量在鈦合金焊縫中增加,會以片狀或針狀化合物形態析出，致使焊接接頭的沖擊韌性降低。焊接過程中焊縫金屬和高溫近縫區必須受到有效的保護,正反面都很容易在焊接高溫下與空氣等雜質發生反應導致脆化。

2.1.2焊接裂紋

鈦合金因含有硫、磷、碳等雜質很少，鈦合金具有很窄的有效結晶溫度區間，因而鈦合金低熔點共晶很難在晶界出現，因此對熱裂紋不敏感。但是焊接過程中保護不好，會有應力裂紋和冷裂紋出現。焊接時由于焊接過程中母材中的氫會向熱影響區擴散，導致影響區氫含量增加，在不當的應力情況下就會出現裂紋。另外在氣氛中氧氮含量高時，鈦合金焊接接頭產生一定程度的脆化，因而在出現的強焊接應力導致出現裂紋。

2.1.3焊接氣孔

在鈦合金的焊接過程中，由于焊接母材和焊絲含有污染物、水或其他氣氛雜質，很容易造成在焊縫中形成氣孔缺陷，在眾多的研究結果同樣表面母材或焊絲中的氫、水、氧都會使焊縫的氣孔產生率增加。因此，必須嚴格做好母材及焊絲的焊前清理工作，在焊接前要對母材進行拋光打磨處理，務必保證基材和焊絲的干凈，確保焊接的質量。

2.2缺陷的防止措施

從以往的鈦合金焊接研究可知，氣焊與通用手工電弧焊常會出現焊接焊縫脆化現象，該問題主要是焊接氣氛中含有污染物所致，為了避免以上問題的出現，通常在焊接中采用氬弧焊焊接工藝，同時還需著重注意一下幾方面內容。要針對焊接鈦合金材料母材的材質，依據母材中雜質等問題針對性的選擇適合的焊接工藝及焊絲。用高質量的保護氣體。所使用保護氣體的純度不低于99.99%，焊前進行干燥處理。在焊接前必須對焊接母材及焊絲進行處理清理以防因焊絲及母材出現裂紋和夾層等問題影響焊接的質量。在鈦合金焊接過程中要對熔池及焊縫熱影響區域采取必要的氬氣保護措施，確保焊接的質量。

作者:王莉單位:甘肅建筑職業技術學院