鈦合金焊接方法的探討

趙 健

(海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200136)

鈦合金具有比強度大、比重量輕、耐高溫、加工成型及焊接性良好等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、造船、海水淡化、海洋工程等領(lǐng)域。

某型船在建造過程中大量采用了鈦合金材料，由于鈦合金本身的常溫吸氫特性，導(dǎo)致氫的含量偏高，產(chǎn)生氫氣孔的概率較大，且由于艦船上的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜及焊接條件差等原因，使得鈦合金焊接遠比一般焊接要困難得多。針對長期使用飽和氫狀態(tài)下鈦合金焊接試驗及其實船現(xiàn)場施焊，我們對鈦合金焊接中存在的表面氧化問題、氫氣孔問題及復(fù)雜狀態(tài)焊縫的氬氣保護措施問題進行了一系列針對性的對比試驗，從而得到了較為滿意的焊接方法。

1 鈦合金焊接方法及工藝的對比分析

1)鈦合金。

在工業(yè)純鈦中加入合金元素后便可以得到鈦合金，其強度、塑性、抗氧化等性能顯著提高，并使鈦合金的相變溫度和結(jié)晶組織發(fā)生相應(yīng)的變化。鈦合金根據(jù)其退火組織可分為3大類:α鈦合金、β鈦合金和α+β鈦合金。其牌號分別以T加A、B、C和順序數(shù)字表示。TA4～TA10表示α鈦合金，TB2～TB4表示β鈦合金，TC1～TC12表示α+β鈦合金。α鈦合金主要是通過加入α穩(wěn)定元素Al和中性元素Sn、Zr等進行固溶強化而形成的。β鈦合金退火組織完全由β相構(gòu)成。α+β鈦合金由α相和β相兩相組織構(gòu)成的。

2)鈦合金理化性能及焊接特性。

鈦合金是一種非磁性金屬材料，具有密度小、強度高、很強的耐蝕性能，鈦合金還是一種活潑金屬，易被空氣、水、油污、氧化物等污染，當(dāng)鈦在無保護狀態(tài)下加熱到300℃時開始吸氫，600℃時開始吸氧，700℃時開始吸氮。根據(jù)鈦合金的這些特性，焊接前必須對鈦合金進行徹底的清洗，焊接時必須采取必要的保護措施和適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)。

3)鈦合金清洗。

鈦合金的清洗程度直接影響到焊縫的焊接質(zhì)量。鈦合金經(jīng)過運輸、儲存、加工已有相當(dāng)程度的污染，且鈦合金的某些污染目測無法看清，更何況某型船鈦設(shè)備經(jīng)長期使用，污染情況已相當(dāng)嚴(yán)重，一般的脫脂除污已無法達到焊接的要求，因此可進行酸洗或是先堿洗后再酸洗。

4)焊縫坡口型式。

鈦合金焊接時盡量開坡口，以減小焊接線能量，坡口型式根據(jù)母材厚度確定，考慮到焊接操作和接頭質(zhì)量等因素，坡口型式為V型，用機械方法加工。由于鈦合金的某些特性，禁止用熱切割方法加工坡口。坡口加工尺寸見圖1。

圖1 坡口加工圖

5)焊接工藝參數(shù)。

鈦合金的焊接方法有:鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊、等離子弧焊接等，根據(jù)現(xiàn)有條件和產(chǎn)品使用狀況等因素，我們選擇手工鎢極氬弧焊，平板焊接工藝參數(shù)如表1。

表1 試板手工TIG焊接規(guī)范

表2 氬氣保護溫度點

根據(jù)100～500℃溫度對鈦合金表面顏色變化的觀察，鈦合金從300℃起，表面顏色開始起變化。從中得到的啟發(fā)是:要想鈦合金焊接后焊縫表面顏色處于原始的銀白色，必須在焊接過程中對焊縫300℃以上區(qū)域進行充氬氣保護。因此，在條件允許的情況下可采用加拖罩的措施，若反面無法放拖罩，可采用紫銅板壓緊的措施，一方面紫銅板傳熱快，另一方面隔絕空氣對焊接高溫熔池的侵害，或是采用直接充氬氣的措施，正面無法放拖罩的情況下，采用點焊法，同時氬氣常開。

6)氫氣孔的形成與防止。

焊縫中的氣孔主要是氫氣孔，氫在高溫時溶入溶池，在冷卻結(jié)晶時過飽和的氫來不及從溶池溢出時，便在焊縫中集聚形成氣孔，造成氣孔的主要原因是鈦合金本身含氫且焊接工藝措施不當(dāng)所致。采用略大的線能量能保證鈦合金中的氫有足夠的時間溢出，避免了焊縫中產(chǎn)生大量氣孔的現(xiàn)象。另外，焊前仔細清除焊絲、母材表面的油污等有機物，并嚴(yán)格限制原材料中的含氫量，盡量縮短焊件清理后到焊接的時間間隔。

7)鈦板焊縫的焊接。

(1)焊接方法的對比。

首先試板采用正反面都不加拖罩進行點焊的焊接方法，試板不留間隙，氬氣不長通，如圖2所示，其中 (a)為焊縫正面，(b)為焊縫背面。正面焊縫顏色為金黃色或是藍色，背面顏色為灰白色，背面完全不保護的情況下已嚴(yán)重氧化，而正面也沒有得到有效的保護，同樣被氧化，另外背面沒有焊透，可能是沒留間隙或焊接電流偏小。

圖2 不加拖罩焊縫

為此，對以上的保護措施進行改進，采用正面加拖罩反面不加拖罩的方式進行焊接，同樣還是不留間隙，氬氣不長通，如圖3所示，正面加拖罩點焊，反面不加拖罩?？梢钥闯?，焊縫還是金黃色和藍色，同樣還是保護得不好，反面由于同樣不加保護，呈灰白色，而正面雖然加了拖罩進行保護，但是由于是點焊，拖罩內(nèi)的氣體沒有對焊接區(qū)域進行有效的保護，因此焊縫的顏色不理想，另外反面也沒有焊透，可能沒留間隙或是焊接電流還是偏小。

圖3 正面保護反面不保護

既然點焊焊接高溫區(qū)不能得到有效的保護，那么對圖2焊縫的正面再重新熔一次，這次采用的方法是加拖罩連續(xù)焊，不加絲，焊后焊縫呈銀白色，既然連續(xù)焊加拖罩能夠得到理想的焊縫，因此對以上方法進行改進，采用正反面都加拖罩的方法雙面連續(xù)焊接，考慮到現(xiàn)場實際情況，坡口不方便進行機加工，所以試板的坡口采用砂輪機磨等方法加工，然后再用已配置好的清洗液清洗。在焊接過程中正面與反面電流不宜過大，要防止拖罩翹起或是噴嘴與試板的角度不對或是噴嘴距離焊件太遠，采取同樣的焊接規(guī)范與保護措施，焊縫呈現(xiàn)銀白色，只有正面焊縫熱影響區(qū)處有些發(fā)藍，說明氣體保護較好，基本隔絕了外界氣體對焊接高溫區(qū)的侵害。

(2)鈦合金試板的連續(xù)焊接試驗。

A:試板規(guī)格為5.5 mm×100 mm×250 mm，焊絲為TA1進行焊接試驗，焊縫不留間隙，采用正、背面都加拖罩的方式進行焊接，正面焊兩層，焊接電流100 A，背面先自熔一層，自熔電流為135 A，然后再加絲一層，電流為109 A，表面呈金黃色，保護效果良好。

B:試板規(guī)格為5.5 mm×300 mm×250 mm，焊絲為TC4，正反面都加拖罩連續(xù)焊接，正面兩層，第一層電流69 A，第二層為85 A，反面3層，焊接電流依次為93 A、102 A、111 A，焊縫表面呈銀白色，熱影響區(qū)稍有發(fā)藍。

經(jīng)過力學(xué)性能試驗、探傷及宏觀的檢查，采用正反面都加拖罩的雙面連續(xù)焊方法焊接可以達到規(guī)范的要求。

2 需要注意問題

1)鈦合金在焊接前的清潔工作至關(guān)重要，它關(guān)系到焊接后的質(zhì)量，首先制定嚴(yán)格的清洗工藝，溶液的濃度根據(jù)鈦合金污染程度的不同而不同。

2)焊接過程正背面拖罩保護是利用惰性氣體對空氣的阻斷，而使焊接過程中高溫熔池不受空氣的侵蝕。

3)鈦合金在焊接過程中氬氣保護的溫度點一般在300℃以下，因為在300℃以上鈦表面的氧化膜較疏松，此時的鈦合金極易被空氣、水分、油污等污染，從而影響焊接接頭的質(zhì)量。

4)氬氣拖罩的長度及寬度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品厚度及焊接線能量不同而設(shè)定，厚度越厚、焊接線能量越大，正面拖罩長度越長、寬度越寬，背面拖罩氣體壓力越高;反之，產(chǎn)品厚度較薄、焊接線能量較小，正面拖罩長度及寬度可適當(dāng)減小，背面拖罩氣體壓力可適當(dāng)調(diào)小。