梁明陽(yáng)，彭小洋，于多，韓世偉

（重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050）

基于鈦合金的種類劃分，本文主要圍繞單一α相的鈦合金（TA2）進(jìn)行研究。結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，鈦合金（TA2）焊接缺陷主要源于氣體等雜質(zhì)污染，以及碳、硫、磷帶來(lái)的影響，為保證鈦合金焊接質(zhì)量，焊接缺陷的針對(duì)性預(yù)防必須引起重視。

1 鈦合金焊接的常見(jiàn)缺陷分析

1.1 焊接缺陷機(jī)理分析

在250℃左右，鈦合金開(kāi)始吸收氫，鈦合金吸收氧會(huì)從400℃開(kāi)始，吸收氮會(huì)從700℃開(kāi)始，由于大量的氮和氧存在于空氣中，鈦合金焊接很容易受到氧氣和氮?dú)獾挠绊懀绮捎脷寤『笜屵M(jìn)行鈦合金焊接，焊接過(guò)程中形成的氬氣氣體保護(hù)層僅能夠保證焊接熔池，處于高溫狀態(tài)的已凝固部位附近區(qū)域焊縫很容易受到空氣的影響，無(wú)保護(hù)作用下的高溫焊縫及附近區(qū)域?qū)⒋罅课湛諝庵械难鯕夂偷獨(dú)?，由此逐步加重的氧化程度也將影響鈦合金焊縫顏色，因此，鈦合金焊接質(zhì)量可以通過(guò)焊縫顏色直接展示。無(wú)氧化情況下，鈦合金焊縫呈銀白色；輕微氧化（TiO）情況下，鈦合金焊縫呈金黃色；氧化稍微嚴(yán)重（Ti2O3）情況下，鈦合金焊縫呈藍(lán)色；氧化嚴(yán)重（TiO2）情況下，鈦合金焊縫呈灰色。

1.2 氣體等雜質(zhì)污染

深入分析鈦合金焊接可以發(fā)現(xiàn)，焊接缺陷與氣體等雜質(zhì)污染聯(lián)系緊密，焊接接頭質(zhì)量很容易受到影響。鈦及鈦合金在常溫下極為穩(wěn)定，但在鈦合金焊接過(guò)程中，由于液態(tài)熔滴和熔池金屬對(duì)氫、氧、氮的吸收作用極為強(qiáng)烈，且固態(tài)下鈦及鈦合金會(huì)與這些氣體發(fā)生反應(yīng)，這就使得焊接過(guò)程中不斷升高的溫度會(huì)導(dǎo)致鈦及鈦合金吸收氣體的能力不斷提高，從250℃、400℃、700℃開(kāi)始，鈦及鈦合金將分別開(kāi)始吸收氫、氧、氮，在鈦及鈦合金吸收這些氣體后，焊接結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)脆化問(wèn)題，焊接缺陷也會(huì)隨之產(chǎn)生。

（1）氫的影響。圍繞氫的影響進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，鈦合金焊接中，鈦及鈦合金很容易因氫這一氣體雜質(zhì)出現(xiàn)機(jī)械性能問(wèn)題，焊縫沖擊性能受到的焊縫含氫量變化影響極為顯著，隨著焊縫含氫量的增加，焊縫中會(huì)析出更多的針狀或片狀TiH2，受強(qiáng)度較低的TiH2影響，鈦及鈦合金的沖擊性能自然會(huì)隨之下降。氫會(huì)在鈦合金焊接過(guò)程中，由高溫熔池向熱影響區(qū)與低溫焊縫區(qū)擴(kuò)散，不斷增加的氫含量也會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)脆性增加問(wèn)題。同時(shí)，氫化物的膨脹和析出還會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，向該區(qū)高應(yīng)力部位聚集或擴(kuò)散的氫原子將導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。鈦合金焊接還很容易出現(xiàn)氣孔缺陷，這一缺陷同樣源于氫的影響，鈦合金焊接后的疲勞強(qiáng)度會(huì)因焊接接頭的氣孔出現(xiàn)顯著下降。

（2）氧的影響。分析氧的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨氬氣中含氧量的增加，鈦合金焊縫中的含氧量會(huì)隨之直線上升，而受到不斷上升的焊縫含氧量影響，鈦合金焊縫的抗拉強(qiáng)度和硬度將不斷增加，但同時(shí)會(huì)出現(xiàn)塑性的顯著下降。為保證鈦合金焊接接頭性能，鈦合金焊接的焊接熱影響區(qū)及焊縫氧化必須得到針對(duì)性控制。

（3）氮的影響。分析氮的影響可以發(fā)現(xiàn)，鈦及鈦合金會(huì)在700℃以上高溫下發(fā)生反應(yīng)，脆硬的氮化鈦也會(huì)隨之形成，而在形成間隙固溶體時(shí)，鈦與氮會(huì)引起一定程度的晶格變形，相較于等量的氧，這一變形對(duì)鈦合金焊接性能的影響更為深遠(yuǎn)，鈦及鈦合金的硬度和強(qiáng)度會(huì)由此提升，韌性和塑性則會(huì)大幅下降，如存在0.13%以上的焊縫含氮量，鈦合金焊縫將因過(guò)脆而出現(xiàn)裂紋，影響正常使用。

1.3 碳、硫、磷的影響

（1）碳的影響。鈦合金焊接接頭質(zhì)量會(huì)直接受到碳的影響，作為鈦及鈦合金中常見(jiàn)雜質(zhì)，碳直接影響焊縫的塑性和強(qiáng)度，如鈦合金焊縫中碳含量小于0.013%，焊縫的塑性會(huì)出現(xiàn)一定下降，同時(shí)，強(qiáng)度會(huì)有所提升，相較于氧、氮，此時(shí)，碳的作用相對(duì)較弱。如鈦合金焊縫中含碳量進(jìn)一步增加，網(wǎng)狀的TiC將出現(xiàn)于鈦合金焊縫，且TiC含量會(huì)隨碳含量增加而增多，此時(shí)，鈦合金焊縫的塑性將急劇下降，裂紋在焊接應(yīng)力作用下也很容易出現(xiàn)。如鈦合金焊縫存在0.55%的含碳量，焊縫塑性將完全消失，焊縫會(huì)因此變?yōu)榉浅４嗟牟牧希姨紟?lái)的脆性無(wú)法通過(guò)焊后熱處理消除?；趪?guó)內(nèi)技術(shù)規(guī)定可以了解到，鈦合金木材需將含碳量控制在0.1%內(nèi)。

（2）硫、磷的影響。對(duì)于鈦合金焊接來(lái)說(shuō)，裂紋的產(chǎn)生與鈦合金中的硫、磷存在較為密切關(guān)聯(lián)。在焊接過(guò)程中，低熔點(diǎn)共晶物會(huì)因硫、磷形成于焊縫晶界上，受快速加熱、快速冷卻影響，內(nèi)應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)于鈦合金焊縫，最終引發(fā)裂紋。由于含硫、磷量相對(duì)減小，鈦合金熔池凝固時(shí)存在較小的收縮量，焊接接頭因此產(chǎn)生裂紋的傾向也相對(duì)較小。

2 鈦合金焊接常見(jiàn)缺陷預(yù)防措施

2.1 鈦合金焊接缺陷基本措施

為有效預(yù)防鈦合金焊接缺陷，可從以下幾方面預(yù)防措施入手：第一，采用氬弧焊進(jìn)行鈦合金焊接；第二，保證焊接場(chǎng)地的干燥、清潔，采用不銹鋼材料制成的除污物用鋼絲、裝配平臺(tái)；第三，施焊、裝配等工作人員需穿著無(wú)油污、潔凈的工作服，并佩帶白細(xì)紗布手套進(jìn)行作業(yè)，不得佩帶線手套；第四，需認(rèn)真清理焊絲表面及焊接區(qū)，采用工業(yè)酒精和丙酮脫脂進(jìn)行清洗，保證曬干后能夠露出金屬光澤，焊絲和工件在清理后的4h內(nèi)需完成焊接；第五，需采用99.99%以上純度的保護(hù)氣體（氬氣）進(jìn)行焊接作業(yè)，為增大焊接區(qū)的保護(hù)效果，需同時(shí)采用擁有較大直徑的噴嘴；第六，保護(hù)焊縫表面及背面，以此規(guī)避空氣的侵蝕，需重點(diǎn)關(guān)注管道內(nèi)部及板反面氣槽、保護(hù)氣體拖罩氬氣流量的正常供給；第七，基于實(shí)驗(yàn)和以往經(jīng)驗(yàn)科學(xué)選擇焊接接頭型式及工藝參數(shù)，并保證焊接順序和裝配焊接方法的正確性；第八，對(duì)焊接溫度變化進(jìn)行針對(duì)性控制，避免溫度過(guò)低導(dǎo)致鈦合金材料對(duì)鐵、碳、氫、氧、氮等氣體或元素的吸收，由此合理控制焊接溫度，保證熔池中氣體的溶解降至最低

2.2 焊接接頭型式及焊接工藝參數(shù)控制

在焊接接頭型式的選擇中，如采用無(wú)坡口對(duì)接，且板厚在1.5mm與2.0mm，需將間隙控制在0～0.5mm。如采用V型坡口對(duì)接，且板厚在4.0mm，間隙需控制在0.5～1.0mm。在焊接工藝參數(shù)控制中，對(duì)于1.5mm與2.0mm的管板厚壁，焊絲直徑、鎢極直徑、電弧電壓、電流強(qiáng)度需分別控 制 為2.0mm、2.0mm、10～15V、50～80A/70～100A，對(duì)于4.0mm的管板厚壁，焊絲直徑、鎢極直徑、電弧電壓、電流強(qiáng)度需分別控制為2.0mm、2.0mm、12～17V、110～120A，同時(shí)，正面、反面、保護(hù)罩的氬氣流量均需要控制為13～15L/min、8～12L/min、15～50L/min。為更好地預(yù)防鈦合金焊接，焊縫表面顏色檢驗(yàn)也不容忽視，需基于焊縫表面氧化膜顏色判斷焊縫的氧化效果與保護(hù)效果，如銀白色的氧化膜顏色說(shuō)明不存在氧化且保護(hù)效果為“好”，紫紅色的氧化膜顏色說(shuō)明氧化效果較輕且保護(hù)效果“較好”，灰色的氧化膜顏色說(shuō)明氧化效果劇烈且保護(hù)效果“差”，由此即可更有針對(duì)性地保證鈦合金焊接質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鈦合金焊接會(huì)受到多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的焊接陷機(jī)理分析、氣體等雜質(zhì)污染、鈦合金焊接缺陷基本措施、焊接接頭型式及焊接工藝參數(shù)控制等內(nèi)容，則直觀地展示了鈦合金焊接質(zhì)量控制路徑。為更好地保證鈦合金焊接質(zhì)量，還應(yīng)關(guān)注保護(hù)效果不理想接頭的處理，如采用不銹鋼絲刷或酸洗的方式進(jìn)行處理，即可保證焊縫不會(huì)出現(xiàn)持續(xù)氧化情況。