鈦合金焊接的常見缺陷及其預防思考

梁明陽，彭小洋，于多，韓世偉

（重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400050）

基于鈦合金的種類劃分，本文主要圍繞單一α相的鈦合金（TA2）進行研究。結合實際調研可以發現，鈦合金（TA2）焊接缺陷主要源于氣體等雜質污染，以及碳、硫、磷帶來的影響，為保證鈦合金焊接質量，焊接缺陷的針對性預防必須引起重視。

1 鈦合金焊接的常見缺陷分析

1.1 焊接缺陷機理分析

在250℃左右，鈦合金開始吸收氫，鈦合金吸收氧會從400℃開始，吸收氮會從700℃開始，由于大量的氮和氧存在于空氣中，鈦合金焊接很容易受到氧氣和氮氣的影響，如采用氬弧焊槍進行鈦合金焊接，焊接過程中形成的氬氣氣體保護層僅能夠保證焊接熔池，處于高溫狀態的已凝固部位附近區域焊縫很容易受到空氣的影響，無保護作用下的高溫焊縫及附近區域將大量吸收空氣中的氧氣和氮氣，由此逐步加重的氧化程度也將影響鈦合金焊縫顏色，因此，鈦合金焊接質量可以通過焊縫顏色直接展示。無氧化情況下，鈦合金焊縫呈銀白色；輕微氧化（TiO）情況下，鈦合金焊縫呈金黃色；氧化稍微嚴重（Ti2O3）情況下，鈦合金焊縫呈藍色；氧化嚴重（TiO2）情況下，鈦合金焊縫呈灰色。

1.2 氣體等雜質污染

深入分析鈦合金焊接可以發現，焊接缺陷與氣體等雜質污染聯系緊密，焊接接頭質量很容易受到影響。鈦及鈦合金在常溫下極為穩定，但在鈦合金焊接過程中，由于液態熔滴和熔池金屬對氫、氧、氮的吸收作用極為強烈，且固態下鈦及鈦合金會與這些氣體發生反應，這就使得焊接過程中不斷升高的溫度會導致鈦及鈦合金吸收氣體的能力不斷提高，從250℃、400℃、700℃開始，鈦及鈦合金將分別開始吸收氫、氧、氮，在鈦及鈦合金吸收這些氣體后，焊接結構將出現脆化問題，焊接缺陷也會隨之產生。

（1）氫的影響。圍繞氫的影響進行分析可以發現，鈦合金焊接中，鈦及鈦合金很容易因氫這一氣體雜質出現機械性能問題，焊縫沖擊性能受到的焊縫含氫量變化影響極為顯著，隨著焊縫含氫量的增加，焊縫中會析出更多的針狀或片狀TiH2，受強度較低的TiH2影響，鈦及鈦合金的沖擊性能自然會隨之下降。氫會在鈦合金焊接過程中，由高溫熔池向熱影響區與低溫焊縫區擴散，不斷增加的氫含量也會導致熱影響區出現脆性增加問題。同時，氫化物的膨脹和析出還會產生較大的組織應力，向該區高應力部位聚集或擴散的氫原子將導致裂紋出現。鈦合金焊接還很容易出現氣孔缺陷，這一缺陷同樣源于氫的影響，鈦合金焊接后的疲勞強度會因焊接接頭的氣孔出現顯著下降。

（2）氧的影響。分析氧的影響可以發現，隨氬氣中含氧量的增加，鈦合金焊縫中的含氧量會隨之直線上升，而受到不斷上升的焊縫含氧量影響，鈦合金焊縫的抗拉強度和硬度將不斷增加，但同時會出現塑性的顯著下降。為保證鈦合金焊接接頭性能，鈦合金焊接的焊接熱影響區及焊縫氧化必須得到針對性控制。

（3）氮的影響。分析氮的影響可以發現，鈦及鈦合金會在700℃以上高溫下發生反應，脆硬的氮化鈦也會隨之形成，而在形成間隙固溶體時，鈦與氮會引起一定程度的晶格變形，相較于等量的氧，這一變形對鈦合金焊接性能的影響更為深遠，鈦及鈦合金的硬度和強度會由此提升，韌性和塑性則會大幅下降，如存在0.13%以上的焊縫含氮量，鈦合金焊縫將因過脆而出現裂紋，影響正常使用。

1.3 碳、硫、磷的影響

（1）碳的影響。鈦合金焊接接頭質量會直接受到碳的影響，作為鈦及鈦合金中常見雜質，碳直接影響焊縫的塑性和強度，如鈦合金焊縫中碳含量小于0.013%，焊縫的塑性會出現一定下降，同時，強度會有所提升，相較于氧、氮，此時，碳的作用相對較弱。如鈦合金焊縫中含碳量進一步增加，網狀的TiC將出現于鈦合金焊縫，且TiC含量會隨碳含量增加而增多，此時，鈦合金焊縫的塑性將急劇下降，裂紋在焊接應力作用下也很容易出現。如鈦合金焊縫存在0.55%的含碳量，焊縫塑性將完全消失，焊縫會因此變為非常脆的材料，且碳帶來的脆性無法通過焊后熱處理消除。基于國內技術規定可以了解到，鈦合金木材需將含碳量控制在0.1%內。

（2）硫、磷的影響。對于鈦合金焊接來說，裂紋的產生與鈦合金中的硫、磷存在較為密切關聯。在焊接過程中，低熔點共晶物會因硫、磷形成于焊縫晶界上，受快速加熱、快速冷卻影響，內應力也會出現于鈦合金焊縫，最終引發裂紋。由于含硫、磷量相對減小，鈦合金熔池凝固時存在較小的收縮量，焊接接頭因此產生裂紋的傾向也相對較小。

2 鈦合金焊接常見缺陷預防措施

2.1 鈦合金焊接缺陷基本措施

為有效預防鈦合金焊接缺陷，可從以下幾方面預防措施入手：第一，采用氬弧焊進行鈦合金焊接；第二，保證焊接場地的干燥、清潔，采用不銹鋼材料制成的除污物用鋼絲、裝配平臺；第三，施焊、裝配等工作人員需穿著無油污、潔凈的工作服，并佩帶白細紗布手套進行作業，不得佩帶線手套；第四，需認真清理焊絲表面及焊接區，采用工業酒精和丙酮脫脂進行清洗，保證曬干后能夠露出金屬光澤，焊絲和工件在清理后的4h內需完成焊接；第五，需采用99.99%以上純度的保護氣體（氬氣）進行焊接作業，為增大焊接區的保護效果，需同時采用擁有較大直徑的噴嘴；第六，保護焊縫表面及背面，以此規避空氣的侵蝕，需重點關注管道內部及板反面氣槽、保護氣體拖罩氬氣流量的正常供給；第七，基于實驗和以往經驗科學選擇焊接接頭型式及工藝參數，并保證焊接順序和裝配焊接方法的正確性；第八，對焊接溫度變化進行針對性控制，避免溫度過低導致鈦合金材料對鐵、碳、氫、氧、氮等氣體或元素的吸收，由此合理控制焊接溫度，保證熔池中氣體的溶解降至最低

2.2 焊接接頭型式及焊接工藝參數控制

在焊接接頭型式的選擇中，如采用無坡口對接，且板厚在1.5mm與2.0mm，需將間隙控制在0～0.5mm。如采用V型坡口對接，且板厚在4.0mm，間隙需控制在0.5～1.0mm。在焊接工藝參數控制中，對于1.5mm與2.0mm的管板厚壁，焊絲直徑、鎢極直徑、電弧電壓、電流強度需分別控 制 為2.0mm、2.0mm、10～15V、50～80A/70～100A，對于4.0mm的管板厚壁，焊絲直徑、鎢極直徑、電弧電壓、電流強度需分別控制為2.0mm、2.0mm、12～17V、110～120A，同時，正面、反面、保護罩的氬氣流量均需要控制為13～15L/min、8～12L/min、15～50L/min。為更好地預防鈦合金焊接，焊縫表面顏色檢驗也不容忽視，需基于焊縫表面氧化膜顏色判斷焊縫的氧化效果與保護效果，如銀白色的氧化膜顏色說明不存在氧化且保護效果為“好”，紫紅色的氧化膜顏色說明氧化效果較輕且保護效果“較好”，灰色的氧化膜顏色說明氧化效果劇烈且保護效果“差”，由此即可更有針對性地保證鈦合金焊接質量。

3 結語

綜上所述，鈦合金焊接會受到多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的焊接陷機理分析、氣體等雜質污染、鈦合金焊接缺陷基本措施、焊接接頭型式及焊接工藝參數控制等內容，則直觀地展示了鈦合金焊接質量控制路徑。為更好地保證鈦合金焊接質量，還應關注保護效果不理想接頭的處理，如采用不銹鋼絲刷或酸洗的方式進行處理，即可保證焊縫不會出現持續氧化情況。