钛及钛合金的焊接及焊丝选择

研究钛及钛合金的材料特性及焊接性, 并进行了可焊性测试，以解决氧化的焊接缺陷, 开裂, 钛及钛合金焊接过程中容易出现的气孔和气孔. 通过对钛及钛合金焊接工艺规范的不断探索, 以及对测试过程中出现的问题进行合理分析, 总结钛及钛合金焊接工艺特点及操作要领.
钛及钛合金的分类及特点
工业纯钛有三种类型: TA1, TA2, 和TA3, 氢含量不同, 氧, 和氮杂质. 这些杂质强化了工业纯钛, 但显着降低其可塑性. 工业纯钛虽然强度较低, 具有优良的塑性和韧性, 特别是具有良好的低温冲击韧性; 同时具备优异的耐腐蚀性能. 所以, 这种材料主要用于化学工业, 石油工业, ETC。, 实际上主要用于以下工况 350 ℃.
根据退火钛合金的室温显微组织, 它们可以分为三种类型:
α型钛合金, (阿尔法+贝塔) 钛合金类型, 和β型钛合金.
其中α – 钛合金类型, TA4 Ti AI系列合金, TA5, 常用的有TA6型及TA7、TA8型Ti+AI+Sn合金. 室温下, 该合金的强度可达931N/mm2, 且在高温下性能稳定 (以下 500 ℃) 具有良好的焊接性.
β的应用 – 我国钛合金类型比较少, 其使用范围有待进一步扩大.
钛及钛合金的焊接性能
钛及钛合金的焊接性能具有许多显着的特点, 这是由钛及钛合金的物理、化学性能决定的.
气体及杂质污染对焊接性能的影响
室温下, 钛及钛合金比较稳定. 然而, 在焊接过程中, 液滴和熔融金属对氢气有很强的吸收作用, 氧, 和氮气, 并且在固态, 这些气体已经与它们相互作用. 随着温度升高, 钛及钛合金吸收氢的能力, 氧, 氮也显着增加. 它们开始吸收氢气 250 ℃, 氧气在 400 ℃, 和氮气在 600 ℃. 这些气体被吸收后, 它们会直接引起焊接接头的脆化, 这是影响焊接质量极其重要的因素.
1.1 氢的影响
氢是气体杂质中影响钛力学性能最显着的因素.
焊缝中氢含量的变化对焊缝冲击性能的影响最为显着. 主要原因是随着焊缝中氢含量的增加, 焊缝中析出的片状或针状TiH2量增多. TiH2的强度很低, 所以片状或针状HiH2的效果主要是由于缺口, 导致冲击性能显着下降; 焊缝氢含量的变化对强度的提高和塑性的降低影响不是很显着.
1.2 氧气的影响
氧在钛的 α 相和 β 相中都有很高的熔化程度, 并能形成间隙固相. 钛晶伤口严重扭曲, 从而提高钛及钛合金的硬度和强度, 同时显着降低塑性. 为了保证焊接接头的性能, 除了在焊接过程中严格防止焊缝和热影响区的主要氧化, 母材和焊丝中的氧含量也应受到限制.
1.3 氮的影响
在以上高温下 700 ℃, 氮和钛发生剧烈反应, 形成脆而硬的氮化钛 (锡). 氮和钛之间形成间隙固溶体引起的晶格畸变程度比氧含量引起的晶格畸变程度更严重. 所以, 氮气对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度和硬度、降低其塑性的作用比氧气更显着.
1.4 碳的影响
碳也是钛及钛合金中常见的杂质. 实验表明，当碳含量为 0.13%, 由于其深入存在于α钛中, 焊缝强度极限略有提高，塑性略有降低, 但不如氧气和氮气的作用强. 然而, 当焊缝含碳量进一步增加时, 焊缝中出现 TiC 网络, 且其数量随碳含量的增加而增加, 导致焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下容易产生裂纹. 所以, 钛及钛合金基材的碳含量不得超过 0.1%, 焊缝的碳含量不得超过母材的碳含量
2? 焊接接头裂纹问题
焊接钛及钛合金时, 焊接接头产生热裂纹的可能性很小. 这是因为S等杂质, 磷, 钛及钛合金中的C含量很低, S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界处. 此外, 有效结晶温度范围窄, 钛及钛合金凝固时收缩率小, 因此焊缝金属不会产生热裂纹.
钛及钛合金焊接过程中, 热影响区可能出现冷裂纹, 其特点是焊后数小时甚至更长时间发生延迟裂纹. 研究表明，此类裂纹与焊接过程中氢弹的扩散有关. 焊接过程中, 氢气从高温深池扩散到温度较低的热影响区. 氢含量的增加导致该区域析出的TiH2量增加, 增加热影响区的脆性. 此外, 氢化物沉淀过程中的体积膨胀会导致显着的组织应力, 氢原子向该区域的高应力区域扩散并聚集, 从而导致裂纹的形成. 防止延迟裂纹发生的主要方法是减少焊接接头的氢源. 开发票时, 还需要进行消焰处理.
3? 焊缝气孔问题
气孔是钛及钛合金焊接过程中常见的问题. 气孔形成的根本原因是氢的作用. 焊缝金属气孔的形成主要影响接头的疲劳强度.
防止气孔形成的主要工艺措施包括:
3.1 氖气的保护要纯净, 纯度不低于 99.99%
3.2 彻底清除焊件及焊丝表面氧化皮、油污等有机物.
3.3 对熔池施加良好的气体保护, 控制氩气的流量和速度，防止紊流影响保护效果.
3.4 正确选择焊接工艺参数，增加深熔池停留时间，防止气泡逸出，可有效降低气孔率.
结论
钛及钛合金焊接中的气体保护问题是影响焊接接头质量的首要因素.
焊接钛及钛合金时, 应尽可能使用较小的热输入.
进行TA2手工钨极惰性气体保护焊时, 应严格控制氢源，防止冷裂纹的发生, 并且要注意防止毛孔的形成.
只要严格按照焊接工艺要求进行焊接，并采取有效的气体保护措施即可, 可以获得高质量的焊接接头.