钛及钛合金的焊接1.钛及钛合金的种类及其特性 (2)1.1钛及钛合金的基本性能 (2)1.2钛及钛合金的分类 (3)2.钛及钛合金的焊接特点 (5)2.1钛的化学活性大 (5)2.2钛的熔点高、热容量大、电阻系数大、导热性差 (6)2.3焊接变形大，而且校正较困难 (6)2.4焊缝有形成气孔的倾向 (7)2.5接头区的脆化 (8)2.6焊接裂纹 (8)3.钛及钛合金的钨极氩弧焊 (9)3.1坡口制备 (10)3.2焊件及焊丝的清理 (10)3.3点固焊及装配 (11)3.4焊接材料选择 (11)3.5气体保护措施 (12)3.6气体保护措施及其使用范围 (13)3.7气体保护效果 (14)3.8焊接工艺参数的选择 (14)3.9焊后热处理 (15)1.钛及钛合金的种类及其特性钛及钛合金由于具有良好的强度、塑性、好的耐蚀性能和较高的高温强度。

最突出的是其高的比强度（强度极限与比重之比称为比强度），这使钛在化工、航空航天及其他的行业得到广泛的应用。

1.1钛及钛合金的基本性能钛位于元素周期表第ⅣB族。

钛原子序数为22，原子量为47.9。

钛具有金属光泽，熔点1668°C，密度为4.51g/cm3。

钛在高温及低温下具有良好的性能。

例如铝在150℃，不锈钢在310℃时就会失去其原有的性能；而钛在550°C时，其性能还保持不变。

在超低温下（－253°C）也能保持良好的性能。

利用其制成的零件，既可以减轻重量又不影响其强度。

表6-1中对钛、铁、铝、铜物理性能进行比较。

从表来看，钛的密度较小。

约为铁的一半。

钛的熔点和沸点都较高，比热介于铝与铁之间。

由于钛的导热系数是铁的四分之一，是铝的十三分之一。

与钢材焊接相比，钛材焊接时能量损失较小。

表6-1钛、铁、铝、铜物理性能比较金属性能Ti Fe Al Cu原子量47.955.8426.9863.54密度（g/cm3） 4.517.87 2.78.96熔点（°C）166815366601083沸点（°C）3260293024502595导热系数（W/(m°C)）15.0667.36200.83384.1电阻率（20°C）（×10-6Ωcm）429.71 2.69 1.673比热（20°C）（J/kgK）544.28711.75895.78380.99线膨胀系数（×10-6°C-1）8.4111.7624.316.5弹性模量（×103MPa）115.6419661.74107.8钛的弹性模数较小，这是它的缺点。

因此在许多情况下，用增加构件的截面积，来保证结构的足够刚度，并在钛中加入适当的合金元素，以提高它的弹性模数。

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，从而放置金属表面和电解质直接接触。

钛表面上形成的氧化膜厚度，通常达到50~60埃（1埃=10-10米）。

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。

钛的缺点是弹性模数低、蠕变性大、生产过程复杂、价格昂贵等。

1.2钛及钛合金的分类工业纯钛的牌号分为TA1、TA2、TA3。

钛合金按性能和用途可分为结构钛合金、耐蚀钛合金、耐热钛合金、和低温钛合金等；按生产工艺，可分为铸造钛合金、变形钛合金、和粉末钛合金；根据退火组织，可分为α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金三大类。

牌号分别TA、TB、TC和顺序数字表示。

TA4～TA10表示α钛合金，TB2～TB4表示β钛合金，TC1～TC12表示α＋β钛合金。

1.2.1工业纯钛工业纯钛的性质与纯度有关，纯度越高，强度和硬度越低，塑性越好，越容易加工。

钛在885°C发生同素异构转变。

在885°C以下为密排六方结构，称为α钛；在885°C以上为体心立方结构，称为β钛。

钛合金的同素异构转变温度随着加入合金元素的种类和数量不同而变化。

工业纯钛的再结晶温度为550～650°C工业纯钛中的杂质元素有氢、氧、铁、硅、碳、氮等。

其中氧、氮、碳与钛形成间隙固溶体，铁、硅与钛形成置换固溶体，起固溶强化作用，显著提高钛的强度和硬度，降低塑性和韧性。

氢以置换的方式固溶于钛中，微量的氢能够使钛的冲击韧性急剧下降，增大缺口敏感性，并引发氢脆。

1.2.2钛合金工业纯钛中加入合金元素便可以得到钛合金。

钛合金的强度、塑性、抗氧化性能显著提高，其相变温度和结晶组织发生相应变化。

（1）α钛合金α钛合金主要通过加入α稳定性元素Al和中性元素Sn、Zr等进行固溶强化而形成的。

α钛合金有时也加入β稳定元素，因此α钛合金又分为完全有α相单相组成的α合金、β稳定元素含量小于20％的类α合金和能够时效强化的α合金（Cu＜2.5%的Ti－Cu合金）。

α钛合金主要合金元素是铝，铝溶入钛中形成α固溶体，从而提高结晶温度。

含铝5％的钛合金，其在结晶温度从纯钛的600°C 提高到800°C；从而提高耐热性能和力学性能也有所提高。

铝还能够扩大氢在钛中的溶解度，减少形成氢脆的敏感性，但铝的加入量不宜过多，否则容易出现Ti3Al相而引起脆性，通常铝含量不超过7％。

α钛合金具有高温强度好，韧性好，抗氧化能力强，焊接性能优良，组织稳定等特点，强度比工业纯钛高，但加工性能比β和α＋β合金差。

α合金不能进行热处理强化，但可以通过600～700°C的退火处理消除加工硬化；或通过不完全退火（550～650°C）消除焊接时的应力。

（2）β钛合金β钛合金的退火组织完全由β相组成，β合金含量含有很高比例的β稳定元素，使马氏体转变β→α进行的很缓慢，在一般工艺条件下，其组织几乎全部为β相。

通过时效处理，β钛合金的强度可以得到提高，其强化机理是α相或化合物的析出。

β钛合金在单一β相的条件下的加工性能良好，并具有优良的加工硬化性能，但高温性能差，脆性大，焊接性能差，容易形成冷裂纹，在焊接结构中应用较少。

（3）α＋β钛合金α＋β钛合金的组织是由α相和β相两相构成。

其钛合金中含有α稳定元素Al，同时为了进一步强化合金，加入中性元素Sn、Zr等和β稳定元素，其中β稳定元素地加入量不超过6％。

α＋β钛合金兼有α相和β相合金的特点，既具有良好的高温变形能力和热加工性能，又可以通过热处理强化提高强度。

但是，随着α相比例的增加，其加工性能变差；随着β相比例增加焊接性能变差。

α＋β钛合金退火状态时断裂韧性高，热处理状态时比强度大，加工硬化倾向较α和β钛合金大。

α＋β钛合金的室温、中温强度比α钛合金高，并且由于溶解氢等杂质的能力较α相大，因此，氢对α＋β钛合金的危害较α钛合金小。

由于α＋β钛合金力学性能可以在较宽的范围内变化，从而可以使其适应不同的用途。

TC4（Ti－6Al－4V）是应用最广泛的α＋β钛合金，其基本组成时α相和β相。

但在不同的热处理条件下，两相的比例、性质和形态是不同的。

将TC4合金加热到不同的温度后空冷即可得到不同的组织。

TC4钛合金的室温强度高，在150～350°C时具有良好的耐热性能。

此外，还具有良好的压力加工和焊接性能，焊后可以不做任何热处理即可使用，而且可以通过焊后的固溶和时效处理进一步强化。

2.钛及钛合金的焊接特点钛及钛合金的焊接性能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。

2.1钛的化学活性大不仅在熔化状态，即使在400℃以上的高温固态下，钛也极易被空气、水分、油脂、氧化膜等污染，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。

（1）氧和氮的影响氧、氮均是α稳定元素氧在α钛、β钛中的最大溶解度分别是14.5％（原子）和1.8（原子），氮则为7％和2％（原子）。

钛与氧在600°C以上发生强烈，当温度高于800°C时，氧化膜开始向钛溶解扩散。

氮则在700°C以上与钛发生强烈的作用，形成硬脆的TiN。

氧和氮在高温的α钛和β钛中都容易形成间隙固溶体，造成钛晶格的严重变形，使强度、硬度提高，但塑性、韧性显著降低。

而且氮与钛形成的固溶体造成的晶格畸变较氧更加严重。

因此，氮比氧更剧烈地提高钛的强度和硬度，降低钛的塑性。

（2）氢的影响氢的β相稳定元素，在β钛中溶解度中，而在α钛中的溶解度很小。

钛与氢在325°C时发生共析转变β→α＋γ。

在325°C以下氢在钛中的溶解度急剧下降，常温时仅为0.00009％。

共析转变析出的氢化物TiH2（γ相），TiH以细片状或针状存在，其断裂强度很低，在钛中成为微裂纹源，引起接头塑性和韧性下降。

为防止氢造成的脆化，焊接时要严格控制氢的来源。

首先从原料入手，限制母材和焊材中的氢含量以及表面吸附的水分，提高氩气的纯度，使焊缝中的氢含量控制在0.015％以下。

其次可以采取冶金措施，提高氢的溶解度。

添加5％铝，在常温下可是氢在α钛中的溶解度达到0.023％。

添加β相稳定元素Mo、V可使室温组织中残留少量的β相，溶解更多的氢，降低焊缝的氢脆倾向。

当焊接重要构件时，可将焊丝、母材放入真空度为0.0130－0.0013Pa的真空退火炉中加热至800～900°C，保温5～6h进行脱氢处理，将氢的含量在0.0012％以下，可以提高焊接接头的塑性和韧性。

（3）碳的影响碳的主要源于母材、焊丝和油污等，常温时碳在α钛中的溶解度为0.13％。

在溶解度的范围内，碳以间隙的形式固溶于α钛中，使钛的强度提高，塑性下降，但影响不如氧和氮显著。

碳超过溶解度时析出硬脆的TiC，并呈网状分布，其数量随碳含量的增高而增加，使得焊缝的塑性迅速下降，在焊接应力作用下容易产生裂纹。

因此，碳在钛及钛合金中的含量不得不超过0.1％，当钛及钛合金中的碳含量达到0.28％时，焊接接头变得很脆。

此外焊缝中含碳量应小于母材的含碳量。

焊前应仔细清理清理焊件和焊丝上的油污，避免焊缝增碳。

（4）合金元素的影响在钛中加入Al、Ni、Si、Nb、Cr、Mn V Mo等合金元素能够提高钛合金的强度，有时为获得某些特殊的性能，如抗氧化性能等，还加入不同的合金元素，这些合金元素的加入，将会使钛合金的相变温度及组织结构都发生较大的变化，影响钛及其合金的焊接接头性能。

Al元素不仅能够提高钛及合金焊接接头的强度，还能提高焊缝的热强性，抗腐蚀性、抗蠕变和抗氧化能力。

焊缝中Al含量小于3%时，不会改变熔化金属的微观组织；荡含5%Al时，焊缝金属就会产生针状组织，使焊缝的塑性有所下降；含Al7%时，接头塑性下降，其冷弯角仅为不含Al的钛的焊接接头的40%，但焊接接头的冲击韧性变化不大，所以焊接时应控制焊缝中的Al含量不超过6%，焊缝中的Sn含量一般控制在8～10%的范围，不仅有利于提高焊缝金属的塑韧性，还能提高接头的抗拉强度。