摘 要：本文通過對鈦及鈦合金金屬物理化學(xué)性質(zhì)的總結(jié)，分析了鈦合金的焊接性及其存在的主要缺陷，提出了相應(yīng)的解決方案，以作為同類型項(xiàng)目的有益參考。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金；焊接性；焊接工藝

　　鈦及鈦合金是二十世紀(jì)四十年代末開始發(fā)展起來的一種優(yōu)良的工業(yè)金屬材料，其主要特點(diǎn)是密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫以及良好的低溫性能，并且具有某些特殊的物理、化學(xué)特性，如超導(dǎo)、記憶、儲氫等特殊功能，因此在宇航、航空、化工、石油、冶金、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　我公司承接的美國某化工項(xiàng)目中涉及到大量的鈦及鈦合金管道的焊接，該項(xiàng)目采用美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)，主要包括ASTM B861GR2，GR7和GR12等級別的材料。其中ASTM B861GR2位純鈦管材，ASTM B861GR7為添加了0.12%到0.25%的鈀元素的鈦管，ASTM B861GR12為含鉬0.3%，含鎳0.8%的鈦合金。由于我國鈦資源豐富，儲量居世界首位，因此所有鈦材都從國內(nèi)采購，按美國ASME IX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評定和焊接。由于這是我公司首次焊接上述鈦及鈦合金管道，沒有現(xiàn)成的工藝可用，因此必須從分析鈦及鈦合金的物理化學(xué)性質(zhì)及其焊接性開始，制定正確完善的焊接工藝，預(yù)判其焊接過程中可能出現(xiàn)的缺陷問題并提前制定預(yù)防方案，方能保證該項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

　　1.鈦及其合金的物理化學(xué)性質(zhì)

　　鈦的主要物理性能為： 密度4.5g/cm3， 熔點(diǎn)1688℃，比熱容522J/（kg?K），熱導(dǎo)率16J/（m?s?K）。鈦有兩種結(jié)構(gòu)：882℃以下為密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；882℃以上為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。鈦和常用的奧氏體不銹鋼ASTM A312 TP304L的主要物理性能對比如下：

　　從上表可以看出，鈦的比強(qiáng)度接近不銹鋼的3倍，這讓鈦材在某些要求強(qiáng)度高、重量輕的領(lǐng)域（如宇航）相對于不銹鋼有不可替代的優(yōu)勢。

　　鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，對氧有極高的親和力。在有氧環(huán)境中鈦表面易生成致密而附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，即使氧化膜受到機(jī)械破壞，只要在氧化性介質(zhì)中，其自愈性強(qiáng)，又可再生成氧化膜，這是鈦在許多酸、堿及介質(zhì)中耐腐蝕性優(yōu)異的原因。鈦在高溫下與氧、氮、氫反應(yīng)速度較快，從250℃開始吸氫，300℃以上快速吸氫；從400℃開始吸氧，600℃以上快速吸氧；從600℃開始吸氮，700℃以上快速吸氮。

　　由上述鈦的物理化學(xué)性質(zhì)可知，鈦的熔點(diǎn)高于不銹鋼，比熱容大于不銹鋼，化學(xué)活性大于不銹鋼，因此鈦材的焊接相較不銹鋼來說有更高的要求。

　　鈦及其合金在高溫下對氧、氮、氫和碳等具有極大的親和力，液態(tài)的熔池和熔滴金屬如得不到有效保護(hù)，則更容易受到空氣等雜質(zhì)的玷污，脆化程度更嚴(yán)重，給焊接帶來困難。同時，鈦合金導(dǎo)熱性差，電阻系數(shù)大，焊接時產(chǎn)生的熱量多，熱容大，不容易散失，熔化焊時需要用惰性氣體或在真空狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。

　　O，N，H，C等常作為雜質(zhì)元素出現(xiàn)在鈦合金中，這些元素本身以及它們的化合物的出現(xiàn)將會嚴(yán)重影響鈦的力學(xué)和耐蝕性能。氫是影響鈦性能的有害元素之一，它會導(dǎo)致鈦的塑性與韌性降低，發(fā)生氫脆。在冷卻時，焊縫中的氫來不及逸出會產(chǎn)生氣孔，故一般要求鈦材中氫的含量<0.15%。鈦在高溫下（600℃以上）還易與氧、氮化合，使得焊接接頭的塑性韌性下降，引起氣孔和裂紋。鈦還極易與碳反應(yīng)生成脆性的碳化物，降低塑性并影響焊接工藝可靠性。為了避免上述問題帶來的危害，焊接過程中必須妥善保護(hù)那些受焊接熱源影響而溫度高于250℃的區(qū)域。

　　另外，F(xiàn)e的存在會嚴(yán)重影響鈦的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能。鐵元素的分布不均勻現(xiàn)象會導(dǎo)致富Fe相區(qū)與貧Fe相區(qū)的出現(xiàn)，并且由此建立起自發(fā)電池，產(chǎn)生電偶腐蝕行為；此外，F(xiàn)e會加速H的吸收，易產(chǎn)生氫致裂紋，造成氫脆破壞。因此，在焊接鈦合金時要重視Fe的污染帶來的影響。

　　鈦的彈性模量較低，焊后很容易產(chǎn)生較大的焊接變形；鈦的冷變形回彈能力強(qiáng)，容易給矯形帶來困難。因此，在制訂焊接工藝時，必須考慮到如何預(yù)防焊接變形。

　　為了避免出現(xiàn)常見的焊接缺陷，同時保證焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性，在焊接鈦及其合金時，必須制訂合理的焊接工藝，以確保焊接質(zhì)量。目前常用的焊接鈦及鈦合金的工藝有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊、激光束焊、釬焊等。鎢極氬弧焊是焊接鈦合金最常用的焊接方法，主要用于厚度在10mm以下的鈦及鈦合金的焊接。手工鎢極氬弧焊適應(yīng)性較廣，焊接質(zhì)量可靠，但對于厚板焊接效率較低、勞動強(qiáng)度較大。熔化極氬弧焊比鎢極氬弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，但焊接過程中對工藝參數(shù)和焊接環(huán)境要求較高，否則容易產(chǎn)生氣孔。等離子弧焊接的厚度范圍比較寬，從薄板到厚板都可以采用，但焊接時應(yīng)注意噴嘴的損傷。真空電子束焊也越來越多的用于鈦的焊接，由于在真空環(huán)境下，因此它能獲得高質(zhì)量的焊接接頭，但同時由于需要在真空室中焊接，對工件的尺寸有所限制。與電子束、等離子束焊接相比，激光焊接具有熔池凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，焊縫的機(jī)械性能等于或優(yōu)于母材。對于某些微型、精密的零件也可以使用釬焊的方法來獲得。

　　幾種焊接方法的比較

　　3.焊接工藝

　　根據(jù)上述鈦及鈦合金焊接性的分析，以及結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，決定采用鎢極氬弧焊工藝來執(zhí)行本項(xiàng)目的焊接。使用鎢極氬弧焊焊接鈦及鈦合金時，要獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須注意一下事項(xiàng)：

　　3.1施工場地

　　鈦及鈦合金管道焊接應(yīng)在專門獨(dú)立的加工車間內(nèi)進(jìn)行，焊接作業(yè)處應(yīng)有擋風(fēng)防潮措施，一般焊接作業(yè)時風(fēng)速應(yīng)小于3m/s，相對濕度應(yīng)小于80%。作業(yè)場所應(yīng)保持清潔，不能有粉塵污染，特別是附近不能有碳鋼的切割、打磨作業(yè)。用于鈦及鈦合金管道加工的工具、設(shè)備應(yīng)專門用于鈦及鈦合金加工，不得與碳鋼混用。

　　3.2工件和焊絲的清理 　　未經(jīng)清理的工件和焊絲表面往往含有油污、潮氣、金屬粉塵等等污染物，這些污染物本身或在焊接的高溫作用下會產(chǎn)生影響鈦及鈦合金焊接質(zhì)量的各種有害元素，如氧、氫、氮、碳、鐵等等，因此在焊前必須對工件及焊絲進(jìn)行認(rèn)真清理。管道的切割或開孔應(yīng)用機(jī)械方法進(jìn)行，切割的機(jī)具應(yīng)專門用于鈦材的加工，不得與用于碳鋼的機(jī)具混用，以免造成鐵素體污染。如果使用火焰或等離子方法進(jìn)行切割，則切割邊緣必須進(jìn)行打磨直至氧化層完全去除，露出金屬光澤為止。鈦管焊接前應(yīng)用無硫的丙酮溶劑對坡口及其內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行脫脂處理，然后再焊口兩側(cè)各50mm的區(qū)域內(nèi)，用細(xì)銅刷仔細(xì)地把氧化膜去除掉，直到呈銀白色為止。清理完成后1小時內(nèi)必須馬上進(jìn)行焊接，以免管口重新氧化和污染。

　　3.3保護(hù)氣

　　由于鈦的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，特別是在熔化焊接時，熔池內(nèi)熔融狀態(tài)的鈦極易與氧、氮、氫、碳以及其它雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，從而形成焊接缺陷，因此焊接鈦及鈦合金時保護(hù)氣的選擇和使用對焊接質(zhì)量有非常重要的影響。用于鎢極氬弧焊的氬氣為一級氬氣，其純度在99.99%以上，雜質(zhì)的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.02%，露點(diǎn)低于-50℃，空氣相對濕度不超過5%，水分含量不大于0.001mg/L。氬氣流量的選擇以得到良好的焊縫表面色澤為標(biāo)準(zhǔn)。鈦會與氧接觸，在表面形成一層氧化膜，并且該氧化膜的顏色會隨著自身形成時的溫度不同而出現(xiàn)差異。JB/T 4745-2002中規(guī)定焊后焊縫及熱影響區(qū)表面出現(xiàn)銀白色氧化膜，則表明氣體保護(hù)效果最佳；當(dāng)顏色為金黃色時，保護(hù)效果也可以接受，其它顏色則為不合格。

　　為了得到良好的氬氣保護(hù)效果，一般應(yīng)使用管道氣；若使用氣瓶氣，若發(fā)現(xiàn)氬氣瓶的壓力降至1MPa時就應(yīng)停止使用。選用精確的氬氣流量計(jì)以控制氣流量，送氣軟管選用塑料管，不宜用橡膠管輸送氬氣。

　　由于鈦及鈦合金在較低溫度（250℃）時就開始吸氫，因此對于剛剛焊接完成脫離焊炬氬氣保護(hù)的高溫部分也要進(jìn)行保護(hù)，特別是在焊接鈦及鈦合金管道時，為了得到更好的焊接質(zhì)量，一般應(yīng)使用環(huán)縫氣體保護(hù)拖罩來進(jìn)行保護(hù)。拖罩的長度一般為150-180mm，寬度在40-50mm，具體尺寸可根據(jù)管徑、壁厚及具體工藝參數(shù)確定。保護(hù)罩的材質(zhì)應(yīng)當(dāng)選用奧氏體不銹鋼或鋁、銅等，四角應(yīng)圓滑過渡，不留死角。

　　鈦焊縫及熱影響區(qū)表面顏色的規(guī)定如下表所示：

　　3.4焊絲

　　填充焊絲的成分一般應(yīng)與母材金屬成分相同。常用的牌號有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TC3等。為提高焊縫金屬的塑性，可選用強(qiáng)度比母材金屬稍低的焊絲。如焊接TA7及TC4等鈦合金時，為提高焊縫塑性，可選用純鈦焊絲，此時接頭的效率低于100%。焊絲中的雜質(zhì)含量應(yīng)比母材金屬的低的多，僅為一半左右，如氧≤0.12%，氮≤0.03%、氫≤0.006%、碳≤0.04%。

　　焊絲均以真空退火狀態(tài)供貨，其表面不得有燒皮、裂紋、氧化色、金屬或非金屬夾雜等缺陷存在。同時注意焊絲在焊前必須進(jìn)行徹底的清理，否則焊絲表面的油污等污染物可能成為焊縫金屬的污染源。當(dāng)采用無標(biāo)準(zhǔn)牌號的焊絲時，可以從基體金屬裁切出狹條作焊絲，狹條寬度和厚度相同。

　　3.5坡口的加工與組對

　　為減少焊縫的累積吸氣量，在選擇坡口形式及尺寸時，應(yīng)盡量減少焊接層數(shù)和填充金屬量，以防止接頭塑性的下降。搭接接頭由于其背面保護(hù)困難，接頭受力條件差，因而盡可能不采用，一般也不采用永久性墊板對接。對于母材厚度小于2.5mm的I形坡口對接接頭，可以不添加填充焊絲進(jìn)行焊接。對于厚度更大的母材，則需要開坡口并添加填充金屬。一般應(yīng)盡量采用平焊。采用機(jī)械方法加工的坡口，由于接頭內(nèi)部可能留有空氣，因而對于接頭組對的要求必須比焊接其它金屬高。

　　由于鈦的一些特殊物理性能，如表面張力系數(shù)大、熔融態(tài)時黏度小，使得焊前必須對焊件進(jìn)行仔細(xì)的組對。點(diǎn)固焊是減少焊件變形的措施之一，點(diǎn)固焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及保護(hù)氣體等條件與正式焊接時相同，在每一點(diǎn)固焊點(diǎn)停弧時，應(yīng)延時關(guān)閉氬氣。同時組對時應(yīng)嚴(yán)禁使用鐵器敲擊劃傷待焊工件表面。

　　3.6焊接工藝參數(shù)的選擇

　　鈦及鈦合金焊接工藝參數(shù)的選擇，既要防止焊縫在電弧作用下出現(xiàn)晶粒粗化的傾向，又要避免焊后冷卻過程中形成脆硬組織。純鈦及所有的鈦合金焊接，都有晶粒長大的傾向，其中尤以β鈦合金最為顯著，而晶粒長大難以用熱處理方法加以調(diào)整。所以焊接應(yīng)采用較小的焊接線能量，最好是使溫度剛好高于形成焊縫所需要的最低溫度。如果線能量過大，則焊縫容易被污染而形成缺陷。

　　根據(jù)美國ASME IX標(biāo)準(zhǔn)制定的焊接工藝參數(shù)如下：

　　鈦是比較難焊接的金屬，極易氧化、氮化、脆化。常見的焊接缺陷主要有3種：焊接接頭中產(chǎn)生氣孔、焊接接頭出現(xiàn)裂紋、焊接接頭發(fā)生脆化。

　　鈦及鈦合金的焊接中易產(chǎn)生氣孔，細(xì)小且數(shù)量多。形成氣孔的因素很多，且很復(fù)雜。一放面有焊件、焊絲的表面吸附不純氣體、粘附灰塵、油脂或存在氧化物等直接因素，這些氣孔是焊接中熔池吸收的雜質(zhì)氣體被封閉在熔融金屬中形成的。氣泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化電極或焊絲表面的氧化鈦或氮化鈦；另一方面，還有一些間接因素包括氬弧焊時焊接電流過大，焊接速度過快以及坡口角度太小等。但一般認(rèn)為：氫氣是引起氣孔的主要原因。在焊縫金屬冷卻過程中，氫的溶解度會發(fā)生變化，如焊接區(qū)周圍氣氛中氫的分壓較高時，焊縫中的氫不易擴(kuò)散逸出，而集聚在一起形成氣孔。為防止氣孔的產(chǎn)生，需要采取的措施如下：①嚴(yán)格控制基體金屬、焊絲、保護(hù)氣中氧、氮、氫等雜質(zhì)氣體的含量；②焊前徹底清除工件、焊絲表面上的氧化皮及油污等有機(jī)物；③增加熔池停留時間以便氣泡逸出，可有效減少氣孔。

　　鈦不僅在熔融狀態(tài)下能和大部分元素發(fā)生反應(yīng)，而且在300度以上就開始大量吸氫，從而降低鈦的塑性與韌性，導(dǎo)致氫脆。鈦在600℃以上會急劇地和氧、氮化和，生成二氧化鈦或氮化鈦，當(dāng)加熱到800℃以上時，二氧化鈦即溶解于鈦中并且擴(kuò)散深入到金屬鈦的內(nèi)部組織中去，形成中間脆性層。鈦易與碳形成脆性的碳化物，降低鈦的塑性和焊接性。因此對焊接熔池的保護(hù)是非常重要的。

　　當(dāng)焊縫中含氧、氫、氮等雜質(zhì)元素較多時，焊縫和熱影響區(qū)的性能變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)裂紋。這種裂紋是在較低溫度下形成的。在焊接鈦合金時，熱影響區(qū)有時也會出現(xiàn)延遲裂紋，這是由于熔池中的氫和母材金屬低溫區(qū)中的氫向熱影響區(qū)擴(kuò)散，造成氫在熱影響區(qū)的含量增加并析出TiH2，使熱影響區(qū)脆性變大。此外，氫化物析出時的體積膨脹會引起較大的組織應(yīng)力，在加上氫原子的擴(kuò)散與聚集，最終使得焊接接頭形成裂紋。防止這種延遲裂紋的方法，主要是減少焊接接頭氫的來源。另外，鈦一旦沾染鐵離子就會變脆，亦是產(chǎn)生焊接裂紋的主要原因之一。預(yù)防措施也是減少鐵離子的來源，不要讓鈦與鐵接觸。

　　鈦及鈦合金焊接有時也會出現(xiàn)咬邊、塌陷等缺陷，這主要是因?yàn)殁佋谝簯B(tài)狀態(tài)時流動性強(qiáng)造成的。因此，焊工在進(jìn)行鈦材焊接前應(yīng)進(jìn)行有針對性的訓(xùn)練，另外也要注意坡口組對和裝配的精確性。

　　通過對鈦及其合金的物理化學(xué)性能的總結(jié)，以及對其焊接性的分析，初步掌握了鈦及鈦合金管材的焊接工藝特點(diǎn)和要求，制定出了比較合理的鎢極氬弧焊工藝參數(shù)，同時分析了鈦及鈦合金的管道焊接的容易出現(xiàn)的主要缺陷，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，在取得項(xiàng)目順利實(shí)施的同時，為同類項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)。

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