工業純鈦的焊接缺陷原因分析與預防措施

司玉光

（茂名市茂港電力設備廠有限公司，廣東 茂名 525000）

鈦原子序數22，原子量為47.9，是一種銀白色的過渡金屬，其特征為密度小，強度高，具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力，被美譽為“太空金屬”。 工業純鈦有高的比強度，良好的塑性、韌性和耐腐蝕性。但鈦的焊接性較差，對焊接條件要求苛刻。

1 工業純鈦的力學性能

鈦的密度為4.506～4.516 g/cm3（20℃），高于鋁，而低于鐵、銅、鎳。但比強度位于金屬之首。熔點（1 668±4）℃，熔化潛熱15～2 kJ/kg。鈦的導熱性和導電性能較差，近似或略低于不銹鋼。

鈦的化學性質比較活潑。加熱時能與O2、N2、H2、S 和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜，可以抵抗強酸甚至王水的作用，表現出強的抗腐蝕性。

工業純鈦是指鈦含量不低于99%并含有少量鐵、碳、氧、氮與氫等雜質的致密金屬鈦。

2 焊接缺陷的原因分析

由于鈦的活潑性和對加熱的敏感性，其焊接性較差。下面結合生產實踐，對工業純鈦焊接時出現缺陷的情況進行分析，具體原因如下。

2.1 氣體等雜質引起焊接接頭氧化、氮化和脆裂

鈦在熔融狀態下能和幾乎所有元素反應，而且在400℃時開始大量吸氫。氫是工業純鈦最有害的元素之一，其能降低鈦的塑性與韌性，導致脆裂。故工業純鈦的化學成分嚴格控制氫含量在0.003%～0.015%。鈦在600℃以上時，快速吸氧，生成二氧化鈦；在700℃以上快速吸氮，生成氮化鈦。當加熱到800℃以上，二氧化鈦即溶解，并擴散到金屬鈦的內部組織，形成脆裂。

鈦的熔點高，在焊接時需要高熱源，鈦的導熱系數低，熱量不易散失，過熱傾向嚴重從而導致產生裂紋。此外鈦一旦沾染鐵離子即變脆，這也是產生焊接裂紋的主要原因之一。

2.2 焊縫中的氣孔

氣孔是工業純鈦焊接時最常見的焊接缺陷。氣孔生成的機制是，焊接過程中溶入液態金屬中的氣體，經過擴散、脫落、成核、長大等過程，形成氣泡。由于熔池的凝固結晶速度很快，氣泡來不及逸出，就以氣孔的形式殘留在固態金屬中。釀成氣孔的氣體主要源自有機物的污染，經實踐經驗表明，空氣相對濕度的大小，也是影響氣孔產生的主要原因之一。

3 焊接缺陷的預防措施

針對工業純鈦焊接時出現缺陷的原因，提出了預防措施。

3.1 選擇合適的焊接工藝

根據工業純鈦的熱敏性和焊接缺陷的形成機理，選擇合適的焊接工藝參數，是至關重要的。工業純鈦適用焊接方法范圍：鎢極氣體保護焊，熔化極氣體保護焊，等離子弧焊。在生產制造過程中，多采用手工鎢極氬弧焊。手工鎢極氬弧焊工藝參數見表1。

3.2 嚴格控制母材含碳量及焊接材料純度

首先，母材及焊絲中的氫、氧、氮、碳要盡可能少，碳含量應≤0.1%；其次，嚴格控制氬氣的純度，要 求Ar ＞99.99 %，N ＜0.005%，O ＜0.002%，H ＜0.002%，H2O 在0.001mg/L 以下。

表1 手工鎢極氬弧焊工藝參數

3.3 嚴格焊前清理及保持施焊環境清潔

鈦材焊件及焊絲極易被污染。在焊接前，一定要清除焊絲及焊接區域所附著污染物。焊件的清理，一般采用機械清理，也可用酸洗。采用機械清理，可先用丙酮去油污，細砂布去氧化皮，再用丙酮擦洗。值得注意的是，鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍摻合氧化鋁的砂輪，決不能用打磨過碳鋼的砂輪。此外，保持施焊環境的清潔也很重要。如搭防風、防雨、防塵棚，配備抽濕機，均可取得良好效果。

3.4 對焊接區域的氬氣保護及熱影響區的散熱

由于工業純鈦在焊接時熔池極易被氧化、氮化，而且300℃以上的熱影響區，都需要進行保護。這就要求在焊接區域的正反面，都要進行氬氣保護，必要時在熱影響區放置厚度3～5 mm 紫銅板或紫銅棒散熱。對焊接區域的保護效果，可由焊縫表面顏色來判定，見表2。

表2 保護效果對焊縫品質的影響

4 結束語

通過分析，只要充分了解和掌握工業純鈦的焊接特性，在施焊過程中，有針對性地采取相應防范措施，嚴格把好各個施工環節質量關，就可取得優質滿意的效果。

[1]黃永光，等.鈦及鈦合金牌號和化學成分[M]. 北京：中國標準出版社，2007.

[2]黃嘉琥，桑如苞，王榮貴.鈦制壓力容器[M].昆明：云南科技出版社，2003.

[3]徐明文.化工機械制造[M].北京：化學工業出版社，1995.