钛材及其焊接引言随着国民经济的发展，钛作为一种新型的防腐材料，由于塑性韧性好、耐腐蚀和易于成型等优点，用其制造的各种压力容器、加热器、反应釜和特殊设备已在许多行业中得到了广泛地应用，而且我国钛资源丰富，钛及钛合金在我国很有发展前途。

但由于钛材具有熔点高，热容大，导热性差以及化学活性高等特殊性质，它的焊接技术远不及钢材焊接普及，在操作保护措施、工艺规范和操作要求方面要比钢焊接复杂严格。

一、基本知识1、钛的化学成分、组织及力学性能及焊接性钛具有金属光泽，外表与钢很相似，熔点为1668℃，密度为4.51克/立方厘米，无磁性。

钛在高温和低温下都具有良好的性能，例如铝在150℃，不锈钢在310℃时就会失去原有的性能，而钛在550℃时，性能还保持不变。

钛在超低温下（例如-253℃）也能保持良好的性能。

利用钛制作的零部件，可以使结构重量减轻。

1.1钛的物理性能下表列出了钛的基本物理性能，这些特性在研究焊接工艺时是需要充分掌握的，为了进行比较，表内同时列出了机械工业常用的铁、铝、铜的物理性能。

从表1数据中可以看出，钛的比重较小，约为铁的一半，所以钛属于一种轻金属。

钛的熔点和沸点很高，钛的比热介于铝和铁之间。

由于钛的导热系数是铁的四分之一，是铝的十三分之一，所以，与钢材焊接时相比，钛材焊接时能量损失较小。

钛在海水以及潮湿环境中均有良好的抗腐蚀性。

钛的良好的抗腐蚀性，由于在其表面上形成了钝化层，这种钝化层可牢固地和基本金属联系在一起，从而防止金属表面和电解质直接接触。

因为氧通过氧化膜的扩散速度很小，所以氧化膜保护金属，防止继续氧化。

综上所述，钛及钛合金具有强度高、塑性好、比重轻、熔点高、抗腐蚀性能好等优点。

下表中分别描述了钛的相关性能参数：1.3.1工业纯钛（TA2）的焊接性钛及钛合金的焊接具有许多显著的特点，这些特点是由钛及钛合金的物理性能所决定的。

工业纯钛（TA2）的焊接性较好，在常温下，钛（TA2）是比较稳定的，但试验表明，随着温度的升高，钛（TA2）吸收氧、氮及氢的能力也随之明显上升，具相关资料介绍，钛（TA2）从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，而空气中含有大量氮和氧，因此，在进行钛（TA2）焊接时采用焊接不锈钢或铝及其合金的气保护焊的焊枪结构及工艺是不足以保证焊接接头质量的，因为这种焊枪结构所形成的气保护层只能保护好焊接熔池不受空气的有害作用，而对已凝固而尚处于高温状态的焊缝及其附近高温区域则无保护作用，因为处于这种状态的钛（TA2）焊缝及其附近区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力，势必引起焊缝变脆而使塑性严重下降。

有资料介绍，钛（TA2）焊接时，随焊缝含氧量上升，焊缝的抗拉强度及硬度明显增加，而焊缝塑性显著下降，也就是说焊缝会因氧的污染而变脆。

在工业纯钛（TA2）焊接时，为保证焊缝有足够的塑性，防止氧污染脆化，一般认为最高允许含氧量为0.15％，焊缝含氧量在0.3％以上时，可能会由于焊缝变脆而发生裂纹。

氮对提高工业纯钛（TA2）焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显著，也就是说氮的污染脆化作用比氧更为强烈，有资料认为工业纯钛（TA2）焊接时，焊缝最高允许含氮量为0.05％。

焊缝含氢量对工业纯钛（TA2）焊缝冲击性能的影响最为显著，会使焊缝冲击韧度显著降低，而对抗拉强度的提高及塑性的降低的作用不很显著，焊接工业纯钛（TA2）时，焊缝含氢量一般控制在0.015％以下。

综上所述，钛的焊接特点有：（1）钛的化学活性大，不仅在熔化状态，即使是在400℃以上的高温固态下，也极易被空气、水分、油脂等污染，吸收氧、氮、氢、碳等杂质，使焊接接头的塑性和韧性显著降低，并易引起气孔。

因此，焊接时对熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要加以妥善保护。

焊接时评定钛氩气保护效果的好坏，最简单的方法是利用目视确定焊缝表面上的颜色，如果焊接接头保护良好，没有氧化，则焊缝和热影响区的金属表面呈银白色光泽；当该区呈其它颜色时，即所谓有一层非常薄的表面覆盖薄膜时，这时的焊接接头的冷弯性能有很大的差别。

下图为不同的焊缝和热影响区的表面颜色，其中银白色的焊缝保护状况最好，淡黄色的焊缝保护状况尚好，深蓝色的焊缝保护状况较差，灰色的焊缝保护状况差。

银白色淡黄色深蓝灰色（2）钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低得多。

上述物理特性使钛的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。

故在选择焊接规范时，应尽量保证焊接接头（特别是热影响区金属）既不过热，又不产生淬硬组织，一般采用小电流、高焊速的焊接规范。

（3）钛的纵向弹性模数比不锈钢小（约为不锈钢的50％），在同样的焊接应力作用下，钛的焊接变形量比不锈钢约大一倍，因此焊接时宜采用垫板和压板将焊件压紧，以减少焊接变形量，此外，尚可起到加强焊缝的冷却效果。

（4）焊缝有形成气孔的倾向，气孔是最常见的缺陷，它占钛整个焊接缺陷的70％以上，原则上气孔可以分为两类，即焊缝中部气孔和熔合线气孔。

气孔的影响主要在于降低焊接接头疲劳强度，能使疲劳强度降低一半甚至3/4。

在一般情况下，金属中溶解的氢不是产生气孔的主要原因，焊丝和坡口表面的清洁度则是影响气孔的最主要因素，在拉丝时粘附在焊丝表面的润滑剂是引起气孔的重要原因。

打磨时残留在坡口表面的磨粒以及擦拭坡口时的残留物都会引起气孔。

尽管国内外对气孔进行了大量的研究，在焊接过程中常采用多种预防措施，但是气孔仍不能完全避免，往往根据工作需要对气孔尺寸、数量和分布等加以限制：一是材料及表面处理，保护气使用一级氩气，纯度为99.99%以上；焊件表面，特别是对接端面状态非常重要，对接端面如果不能进行机械处理，最好临焊前进行酸洗。

二是增加熔池停留时间便于气泡逸出，可有效地减少气孔。

三是采用焊丝距熔池一定高度导入，使焊丝熔化后不直接进入熔池，而是在电弧区下落，起到熔滴净化去气作用，可明显减少气孔。

1.3.2焊缝和焊接热影响工业纯钛焊缝和热影响区为锯齿状α和针状α组织。

如图2所示。

（1）焊缝（2）热影响区图2 工业纯钛焊缝和热影响区组织这类合金的焊接性在所有钛合金中为最好，用钨极氩弧焊加同质焊丝或不填加焊丝，在保护良好的条件下焊接接头强度系数接近100%，而接头塑性稍差。

焊接接头塑性降低的主要原因在于：（1）为铸造组织，它比轧制状态塑性低。

（2）粗晶。

（3）焊接时若加快冷却，容易产生针状组织，对接头塑性也不利。

冷速以10~200℃/S较好，太快时针状α太多，太慢时过热严重，都会使塑性降低。

二、焊接程序1、焊前清理钛复层（TA2）的焊前清理非常重要，由于其清理的不细致引起污染的钛材、钛焊丝被使用，其危害是致命的。

钛-钢复合钢板中钛复层（TA2）焊接时，焊前应对钛盖板及钛焊丝进行化学清洗，酸溶液用HNO3、HF、H2O混合配制，清洗后必须用清水冲净，然后烘干，即可使用，若暂时不用的应妥善保管，以免造成新的污染。

配制方式及清洗制度见下表4：施焊前，对于钛材再用洁净白布蘸丙酮擦洗。

复层钛（TA2）清理范围距离焊边至少40mm，焊件清理后要尽快施焊。

清理干净的焊丝和焊件，不应用手触摸，焊前严禁沾污，否则应重新清理。

焊接坡口不能沾污，为提高焊接冶金质量，临焊前用刮刀刮削坡口端面，用不锈钢丝刷清理钛复层至少40mm。

2、装配钛条装配时不能用铁器敲打焊件，应采用铜锤或铝锤敲击焊件，避免产生凹坑和铁污染。

钛条装焊时所用的工具都应用丙酮或酒精清除灰尘、油脂等污物，且这些工具不能与钢结构焊接所用的工具混用。

焊工和装配钳工应戴洁净的白手套，穿洁净的工作服。

3、焊接材料焊接钛（TA2）应采用高纯度的氩气进行焊接，其纯度不应低于99.99％（一级纯氩）。

钨的熔点（3410℃）及沸点（5900℃）都很高，常用的有纯钨极、钍钨极和铈钨极三种，由于铈钨极更易引弧，更小的钨极损耗，放射性剂量也低得多，一般推荐使用。

钛焊丝严格按JB/T4745-2002标准采购焊丝并加强复验。

一般来说，工业纯钛焊接时，填充金属与母材的标称成分相同。

填充丝直径1~3mm，因为具有较大的表面积/体积比，如果焊丝表面稍沾污，焊缝可能被严重污染。

对于厚度大于1.0mm的焊件来说，喷嘴已不足以保护焊缝和近缝区高温金属，一般需附加拖罩，拖罩宽25~60mm，手工焊拖罩长40~100mm，为了便于操作，喷嘴和拖罩可做成一体，视焊件厚度而定，薄的焊件拖罩短些，厚的拖罩则要长些。

焊接直缝用平的拖罩，环缝用弧形拖罩，其结构示意图如下图所示。

氩气由进气管进入分布管，分布管靠近进气的一侧钻有直径0.8~1.0mm小孔，孔距10mm左右。

氩气经不锈钢网或多孔板进入保护区，多孔板厚0.8~1.0mm，孔径1.0mm，孔距8~10mm。

不锈钢网或多孔板起到类似气筛作用。

网或多孔板到焊件的距离10~20mm，以保证保护效果。

应注意保护焊缝背面，钛密度小，熔池表面张力大，焊漏的可能性比钢小，只要保护良好，容易获得良好的背面焊缝成形。

在多数情况下，背面保护可以采用类似拖罩的结构。

为加强冷却可采用纯铜背面垫板，垫板有凹槽，槽深2mm左右，宽3~8mm，视板厚而定，槽下有通气孔，孔径1.0mm，孔距10mm，通氩气以实现背面保护。

焊接拖罩结构示意图例有年产24万吨尿素设备中的CO2汽提塔在高温、高压和腐蚀条件下工作，衬里材料为TA1工业纯钛，厚5mm和10mm。

采用自动等离子弧焊进行焊接。

采用水冷保护滑块进行后拖保护，其优点是冷却效果好，可缩短高温停留时间，和提高保护效果，氩气用量还能比一般拖罩节省40%。

4、焊接方法钛材一般采用钨极氩弧焊或熔化极氩弧焊的方法进行焊接，其中钨极氩弧焊一般用于薄板焊接，手工钨极氩弧焊采用了氩气保护，合金元素基本没有烧损，焊缝结晶组织较细，热影响区最窄，接头性能好。

钨极氩弧焊分为敞开式焊接和箱内焊接，它们又各自分为手工焊和自动焊。

敞开式焊接即普通氩弧焊，它靠焊炬喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩或氩氦混合气，将焊接高温区与空气隔开，以防空气沾污焊接高温区。

钨极氩弧焊具有以下优点：①氩气能有效地隔绝周围空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应，钨极氩弧焊过程中电弧还有自动清除工件表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。

②钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板、超薄板材料焊接。

③热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接。

④由于填充焊丝不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。

钨极氩弧焊也具有以下缺点：①熔深浅，熔敷速度小，生产效率较低。