鈦材（TA2）的焊接性試驗研究

付啟帥 李嘉美 曲世超 苗卉

大連寶原核設備有限公司 遼寧大連 116000

隨著國民經濟的發展，由于鈦材特殊的抗腐蝕性能，在高溫和低溫下都有良好的力學性能，比重輕，無磁性，具有金屬光澤，在石油、化工、醫藥等許多行業得到廣泛地應用，而且我國鈦資源豐富，鈦及鈦合金在我國會有很好的發展前途。但是由于鈦材具有熔點高，熱熔大，導熱性差以及化學活性高等特點，它的焊接性能遠比鋼材差，焊接時易產生氣孔、氧化及裂紋等缺陷，焊接時應采用特殊工藝措施與防護手段。因此本課題制定合理的焊接工藝及氣體保護措施，通過焊接性試驗研究，保證產品焊接接頭的質量。

1 鈦材的焊接性分析

鈦材（TA2）的熔點高（1668℃），屬于難容金屬，在焊接時需要高溫熱源。鈦的導熱系數低，僅為碳鋼的一半，導熱性差熱量不易散失，過熱傾向嚴重。由于焊接時需要高溫熱源，散熱差，因此焊接時高溫停留時間長，容易引起焊縫的過熱傾向，使晶粒變得十分粗大，產生脆性組織，焊接接頭的塑韌性顯著降低。當結構剛性大時，在焊接殘余拉應力作用下，還會導致產生裂紋[1]。鈦材（TA2）焊接的主要問題是容易氧化、氮化、產生氣孔及脆裂，同時可焊性降低。由于鈦材的化學活性大，高溫固態及熔融狀態下極易被空氣、水分、油脂等污染，吸收氧、氮、氫、碳等雜質。相關資料介紹，鈦在熔融狀態下從250℃開始吸收氫、從400℃開始吸收氧、從600℃開始吸收氮，而空氣中含有大量的氧和氮。為保證焊接接頭的塑韌性，防止氧污染脆化，一般要求鈦材中含氫量低于0.15%，焊接時具有良好的清潔環境及防護措施。

2 鈦材的氬氣保護措施

由于鈦的活性高，為了防護焊縫氧化、產生氣孔，焊接時保證氬氣純度在99.99%以，同時應考慮焊槍結構和制作氬氣保護工裝。氬弧焊時噴嘴直徑要大一些，噴嘴到工件的距離小一些，這樣氣體保護充分。通常情況下，由于焊接時噴嘴已不足以保護焊接接頭，氬氣保護不充分，一般需要附加拖罩，通常拖罩寬度30-60mm，拖罩長度50-100mm，具體以焊件厚度及坡口寬度而定，薄的焊件拖罩短些，厚的焊件則要長些。針對不同的焊接接頭，縱縫用平的拖罩，環縫用弧形拖罩。保護拖罩材質應為純銅，保護罩內側應增加一個銅管?10×1mm，鉆?1mm孔，通?？组g距10mm，均勻分布，并在銅管上加兩層不銹鋼濾網，這樣氣體保護均勻。評定氬氣保護效果好壞最簡單的辦法是目視焊縫表面的顏色，如果焊接接頭表面呈銀白色為保護良好；淡紅色的焊接接頭保護狀況為尚好；深藍色的焊接接頭為較差；灰色的焊接接頭為差[2]。

3 焊接性試驗方案

3.1 試驗用的材料

試驗用的母材為TA2，規格500×125×10mm，1對，退火狀態供貨，參照標準GB/T 3621-2007。

試驗用的焊材為ERTi-2，規格Φ2.4mm，參照標準ASME Ⅱ卷 C 篇 SFA-5.16-2017 版。

3.2 試板坡口形式與制備

焊接試板的坡口形式采用單V，坡口角度60，間隙2-3mm，鈍邊1.5mm。焊接試板制備采用機加方法，坡口面應無銹蝕、油污等雜質，試板周轉過程應避免與鐵屑接觸。

3.3 試驗焊接

3.3.1 焊接工藝參數及操作要求

試驗焊接采用GTAW方法平焊，直流正接（反極性），焊材及直徑 ERTA2EL1Φ2.4，焊接電流120-160A，焊接電壓12-16V，焊接速度7-12cm/min，預熱/道間溫度15/ 140℃，保護氣體99.99%Ar（整體保護），預熱溫度/層間溫度為15℃/140℃。

焊接前，確保待焊表面滿足焊接要求，采用專用橡膠或尼龍的氧化鋁砂輪打磨，坡口呈現金屬光澤，不得有銹蝕、油污等雜質。焊接過程中禁止擺動焊，并且單個焊道最大寬度小于13mm，注意焊道清理和層間溫度控制[3]。

3.3.2 氣體保護要求

由于焊接過程氬氣保護不當焊縫表面會氧化并產生氣孔，因此整個焊接過程焊縫必須得到有效保護。背面氣體保護工裝在常規板上開槽，固定焊接試板背面；正面在焊嘴上增加保護托槽，長50mm，寬30mm。氣體必須是純氬，正面流量在12-16L/min，背面8-10L/min，拖罩流量，拖罩流量要大一些，應為20-24L/min。

3.4 試驗結果及分析

室溫拉伸Rm分別為：410Mpa、430Mpa；面、背彎180°（各2個）均合格；焊縫室溫沖擊值分別為74J、71.2J、79J，熱影響區沖擊值分別為89J、143.2J、139J，母材沖擊值分別為114J、134J、127J，其接頭性能試驗結果完全達到母材鈦板（TA2）性能要求。

通過觀察焊縫的宏觀形貌可見焊縫外觀并無氧化、氣孔及裂紋等缺陷，焊縫均勻，成形良好，說明采用的氣體保護工裝效果良好，焊接性良好。

通過觀察力學性能試驗的宏觀形貌可見，彎曲試樣宏觀形貌沿著焊縫和熱影響區并無裂紋缺陷；拉伸試樣斷口纖維粗糙，為韌性拉伸斷裂；沖擊試樣的宏觀形貌斷口纖維粗糙，韌窩區明顯，是明顯的韌性斷裂。通過分析力學性能試驗的宏觀形貌說明焊接接頭具有良好的塑韌性。

4 結語

通過以上試驗可以得出以下結論：對鈦材TA2的焊接性分析和研究氣體保護措施，制定的焊接性試驗方案合理，其力學性能試驗完全可以滿足使用要求，能夠保證產品焊接接頭的質量。