钛及钛合金的焊接性能分析与优化建议

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：由于钛及钛合金的热容量大，使热影响区金属在高温停留的时间较长，焊缝晶粒因此变得粗大，容易引起焊接接头产生过热倾向，使焊接接头塑性明显降低。尤其是β型钛合金，焊接接头塑性下降最为明显。由于合金元素含量较高，焊接性较差，是一种高强度、高淬透性合金，厚度为12mm的TC10合金焊接时，会出现热影响区裂纹，而在焊前预热250℃时，可预防裂纹并能提高接头塑性。4）正常氢含量的钛及钛合金焊接时，不会出现氢化钛。

1.化学活泼性极强

在400℃以上的高温下，极容易和空气中的氧、氢、氮及碳等元素发生化学反应，而且反应速度较快：钛在300℃以上快速吸收氢；600℃以上快速吸收氧；700℃以上快速吸收氮。所以，在空气中钛很容易被氧化，也很容易被水分、油脂、氧化物所污染。因此，焊接时对熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区，都要用保护气体妥善保护。

2.钛的熔点高、热容量大、电阻率大

钛及钛合金的热导率比铁、铝等金属低得多，因此，焊接时熔池尺寸比较大。由于钛及钛合金的热容量大，使热影响区金属在高温停留的时间较长，焊缝晶粒因此变得粗大，容易引起焊接接头产生过热倾向，使焊接接头塑性明显降低。尤其是β型钛合金，焊接接头塑性下降最为明显。

（1）α型合金 α型钛合金在所有钛及钛合金中焊接性最好，只是随着焊缝氧含量的增加，焊缝抗拉强度及硬度明显增加，而焊接接头塑性稍差。碳在α型钛合金中的溶解度随着温度下降而下降，并同时析出TiG。此外，焊接接头快速冷却时，还容易生成针状α组织，使焊接接头变脆。所以，α型钛合金焊接时，冷却速度以10～200℃/s为好，过快时，针状α组织太多；过慢时，焊接接头过热严重，塑性更加降低。

（2）α+β型钛合金这类合金主要有TC1、TC4、TC10等三种。

1）TC1合金。在退火状态下β相含量较少，焊接性良好，焊接时冷却速度以12～150℃/s为宜。

2）TC4合金。以α相为主，β相较少。多为退火状态使用，焊接接头塑性、断面收缩率较低，断裂韧度较高，焊接时冷却速度以2～40℃/s为宜。合金化程度高，晶粒长大倾向小，过大的冷却速度会使钛过饱和针状马氏体α，更细、更多。所以，TC4合金焊接时，可以采用较大的热输入，而不宜采用太小的热输入。

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

（3）β型合金这类合金又可以分为亚稳β型钛合金和稳定β型钛合金两种。

1）亚稳β型钛合金。TB2的平衡组织为β相+极少量的α相，焊后热处理时析出α相，容易引起热脆性。

2）稳定β型钛合金。Ti-33Mo合金组织为稳定β相，该合金焊接时无相变，焊接性良好，是一种耐腐蚀钛合金。

3.焊接裂纹

钛及钛合金含C、S、P等杂质较少，有效结晶温度区间窄，低熔点共晶很难在晶界上出现，同时，又由于焊缝凝固时收缩量小，所以，焊接热裂纹很少出现。但是，在如下几种情况下会出现焊接裂纹：

1）当母材及焊丝质量不合格时，有可能出现热裂纹。

2）当焊接保护不良，或α+β型钛合金中含β稳定元素较多时，会出现热应力裂纹和冷裂纹。

3）焊接过程中，由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，使热影响区中氢含量的增加，如果此处的应力较大，则热影响区可能出现延迟裂纹。