钛合金的焊接方法与注意事项

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：3）氢气固溶于钛及其合金中，焊缝析出片状、针状氢化物TiH2。α钛合金和近α钛合金焊缝和热影响区为锯齿状α和针状α′组织。近α钛合金的焊接时，焊接残余应力可能较高，推荐对焊件进行消除应力退火。预热250℃可预防裂纹并能提高接头塑性。退火β合金在焊接状态下的焊接接头塑性好，其强度较低。Ti-33Mo合金其组织为稳定β相，是一种耐腐蚀钛合金，焊接时不发生相变，焊接性好。例如将氟化钙加入熔池，可以消除30mm厚钛合金焊缝中的气孔。

1.钛合金焊接的主要问题

（1）间隙元素固溶脆化间隙元素固溶脆化会产生如下影响：

1）钛300℃开始吸氢、600℃开始吸氧，700℃开始吸氮，氧、氮固溶于钛及其合金中，使晶格发生畸变，变形抗力增加。

2）氮的溶解量增加，会形成TiN化合物。

3）氢气固溶于钛及其合金中，焊缝析出片状、针状氢化物TiH₂。

4）碳与钛结合生成脆性的TiC化合物，导致强度和硬度显著增加，塑性和韧性降低；随着氧、氮、氢、碳含量增加，焊缝金属性能进一步恶化。

（2）焊接热作用下的相变钛合金焊接，由于熔点高，比热容及热导率小，焊接热影响区在高温下停留时间长，容易使β相过热粗化，接头塑性降低。

1）工业纯钛。工业纯钛焊接性相对较好。如果焊缝中Fe的质量分数高于0.05%，在硝酸溶液中特别容易受腐蚀。因为在Fe稳定的残余β相与相邻α相之间存在的原电池腐蚀作用，促进了焊缝金属的腐蚀。如果焊接热输入高，焊缝高温停留时间长，晶粒长大，会产生粗晶脆化；若冷却速度过大，有时会产生针状α′相组织。

2）α钛合金。α钛合金和近α钛合金焊缝和热影响区为锯齿状α和针状α′组织。其中TA7从低温到251℃仍有高韧性，适用于低温使用，具有良好的耐蚀性和焊接性，若受到碳、氮、氧、氢等杂质污染，形成间隙固溶体和脆性相，导致接头脆化。此外，Fe的污染会降低接头的耐蚀性。近α钛合金的焊接时，焊接残余应力可能较高，推荐对焊件进行消除应力退火。导致α钛合金焊接其接头塑性降低的主要原因是：焊缝为铸造组织，塑性低；单相α钛，在热过程中晶粒长大，产生粗晶脆化；α钛合金焊接时，冷却速度过大，有时会产生针状α′组织，导致接头塑性下降。

3）α+β合金。在室温下平衡组织为α+β。α+β合金在时效状态下焊接，焊接接头热影响区存在过时效区，导致接头强度下降。

其中TC1合金退火组织以α相为主，含极少量β相，焊接性良好，焊接时冷却速度以12～150℃/s为宜。采用合适焊接热输入，热输入增大，焊接热影响区高温停留时间长，晶粒粗大，析出ω相；焊接热输入过小，β→α′增多，变得细而密，接头塑性降低。

TC4合金以α相为主，β相较少。当加热到β相转变温度（996℃±14℃）以上温度快冷时，发生β→α′转变，在原始β晶粒上析出针状α′相（α′为钛过饱和针状马氏体）；焊接接头塑性（断面收缩率）下降，但断裂韧度仍比较高。TC4合金一般在退火状态下使用，为提高强度，可在淬火状态下焊接，焊后进行时效处理。TC4合金焊接时合适的冷却速度为2～40℃/s，比TC1和TA7更低一些，因为过大的冷却速度会使α′相更细、更多，塑性下降更严重。

TC10合金是一种高强度、高淬透性合金，由于合金元素含量较高，焊接性较差，厚12mm的TC10合金焊接时会出现热影响区裂纹。预热250℃可预防裂纹并能提高接头塑性。

α+β合金焊接时，注意降低接头拘束应力，防止产生热应力裂纹和冷裂纹。

4）β合金。退火β合金在焊接状态下的焊接接头塑性好，其强度较低。如果焊缝在高温下使用，则会发生时效作用，导致塑性下降。对于β合金可以在退火状态下进行焊接，焊后对焊缝金属采用轻敲或精轧进行冷作处理，最后对整个焊件进行固溶处理和时效处理，以提高接头强度。

β合金可分为亚稳β合金和稳定β合金两种。Ti-33Mo合金其组织为稳定β相，是一种耐腐蚀钛合金，焊接时不发生相变，焊接性好。亚稳β合金TB2平衡组织为β和极少量α相，焊接时容易产生亚稳β相，在焊后热处理时析出α相，引起脆性。亚稳β合金焊接时，由于焊缝金属凝固时成分偏析，在焊后时效过程中，使焊缝中心区性能降低；建议在固溶处理状态下焊接，并在焊后直接进行时效处理。

α+β合金和β合金焊接时，需选择合适的焊接热输入，热输入过小，焊缝及热影响区析出α′相；热输入过大，焊缝及热影响区可能析出ω相，导致接头脆化。

（3）裂纹倾向钛及钛合金中S、P、C等杂质含量少，很难在晶界形成低熔点共晶；结晶温度区间窄，加之焊接凝固时收缩量小，对焊接热裂纹不敏感。但对于α和α+β合金，若焊接时保护不良或α+β合金中含β稳定元素较多时，可能会出现热应力裂纹和冷裂纹。其原因在于：焊接冷却速度过大，熔合区母材金属析出α′相；焊缝中固溶氢向熔合区扩散，热影响区氢含量增加，形成TiH₂脆性化合物；加之焊接接头拘束应力作用，最终导致热影响区冷裂纹或延迟裂纹形成。工艺措施如下：

1）降低焊接接头氢含量，例如选用氢含量低的材料（焊丝、母材、氩气保护），加强焊接区保护。

2）工件表面清理，在可能的条件下，焊后进行真空去氢处理。

3）降低接头残余应力，及时进行消除应力处理。

4）控制焊接接头冷却速度，适宜的冷却速度10～200℃/s，太快时针状α′相太多，太慢时过热，晶粒粗化，都会使接头塑性降低。

（4）气孔钛及钛合金焊接气孔可分为焊缝中气孔和熔合线气孔。焊接热输入较大时，气孔一般位于熔合线附近；焊接热输入较小时，气孔则位于焊缝中部。产生气孔主要原因有以下几种：

1）在拉丝时粘附在焊丝表面的润滑剂。

2）焊接坡口有机物粘附：坡口打磨时残留在坡口表面的磨粒，清洗擦拭坡口时的残留有机物。

3）薄板剪切时切口的粗糙的端面有机粘附。

4）金属材料中的溶解氢。

5）熔化金属的保护不良。

防止气孔的工艺措施有以下方面：

1）降低熔池中氢含量：采用沾有溶剂的绸布擦拭焊丝润滑剂；清理焊接坡口粘附；去掉切口毛刺和降低表面粗糙度。