王光智 方麗群 孔慶芳

摘要 焊接工業(yè)純鈦TA2時，其表面顏色會隨著溫度的升高呈現(xiàn)出不同的變化，根據(jù)這些變化，可以確定在TA2焊接時的保護(hù)范圍，本文利用鎢氬弧焊來對TA2進(jìn)行對接焊接實(shí)驗(yàn)，通過金相分析與力學(xué)性能檢驗(yàn)來對其工藝參數(shù)進(jìn)行確定，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在400℃時TA2表面顏色呈現(xiàn)出金黃色，需要在此溫度時進(jìn)行保護(hù)，樣件的力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求，說明參數(shù)可靠，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 工業(yè)純鈦；TA2；焊接；溫度；顏色；實(shí)驗(yàn)

1.引言

工業(yè)純鈦基于其良好的化學(xué)性能與物理性能，在多個惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。目前鈦制設(shè)備已經(jīng)在石油化工、海洋工程等領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。工業(yè)純鈦焊接要求較高，稍有外界因素污染干擾，就可能會導(dǎo)致焊接質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。在鈦設(shè)備制造中，焊接工藝是一項(xiàng)重要的工藝控制過程，采取合理的工藝參數(shù)將會對焊縫的質(zhì)量起到重要的保證作用。本文通過對工業(yè)純鈦TA2的焊接實(shí)驗(yàn)來對焊接工藝進(jìn)行分析。

2.TA2的物理特性與化學(xué)特性

純鈦的力學(xué)性能與其純度有著直接的關(guān)系，間隙雜質(zhì)含量增加，強(qiáng)度雖升高，但塑性將會大幅度降低。工業(yè)純鈦的切削加工難度較大，是因?yàn)樗哪Σ料禂?shù)較大，導(dǎo)熱性低，熱量集中于刀尖上，刀尖很快熔化。在常溫下，鈦的塑性要比其他的六方結(jié)構(gòu)金屬高很多。[1]純鈦的強(qiáng)度隨著溫度的升高而不斷降低，當(dāng)加熱到250℃時抗拉強(qiáng)度將會減少到原來的一半。它的疲勞性能與鋼類似，具有較為明顯的物理疲勞極限，純鈦的反復(fù)彎曲疲勞極限為0.6-0.8Rm，其耐熱性比鐵要低一些，鈦可以進(jìn)行一些鍛造、軋制、擠壓等各壓力狀態(tài)下的加工，加熱鋼材用的設(shè)備可以用鈦材，要求爐內(nèi)有弱氧化性，不可使用氫氣加熱。鈦的化學(xué)性能高，溫度升高時，容易粘附刀具，造成粘結(jié)磨損。

3.TA2的焊接特點(diǎn)

在較高的溫度下，鈦與氫、碳等都有著較強(qiáng)的親和力，氫在250℃的鈦中溶解度可以達(dá)到33%以上。一旦氫在鈦中溶解，將會造成氣孔的現(xiàn)象，同時將會形成氫化鈦，沿滑移面析出，增加了金屬中的含氧量，使韌性急劇下降，有可能會造成裂紋的產(chǎn)生。間隙雜質(zhì)在特殊的條件下也會引起焊縫的斷裂。高溫下的鈦與碳將會生成碳化鈦，導(dǎo)致焊縫塑性下降，造成一定的裂縫問題，如果保護(hù)不當(dāng)，也將會吸收進(jìn)雜質(zhì)。為了確保鈦的焊接質(zhì)量可靠，在材料準(zhǔn)備時要控制好雜質(zhì)成分，及時清除污染物，在焊接過程中做好保護(hù)。[2]

目前，鎢極氬弧焊是鈦與鈦合金焊接最常用的焊接方法，也是連接薄板與打底焊最好的焊接方法之一，通過對焊接工藝參數(shù)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)良好的焊縫質(zhì)量，但這種焊接方法效率較低，在焊縫中容易產(chǎn)生氣孔問題或其他的焊接缺陷。鎢極保護(hù)焊的脈沖頻率對于鈦合金的晶粒尺寸與形態(tài)都有著一定的影響。等離子弧焊的焊接規(guī)范窄，其焊接穩(wěn)定性與重復(fù)性差，在應(yīng)用進(jìn)程中受到了一定的影響。在進(jìn)行等離子弧焊時需要利用先進(jìn)的控制技術(shù)，不斷提高自動化與控制精確化程度。另外焊接鈦材還有真空電子束焊、激光焊、擴(kuò)散焊與釬焊等，選用什么樣的焊接方法，要根據(jù)實(shí)際情況而定。

4.焊接工藝實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次焊接實(shí)驗(yàn)選擇母材為4mm厚的TA2板，焊絲采用直徑為φ2.4mm的ERTA2，氬氣的純度為99.99%。選用鎢極氬弧焊，焊接設(shè)備為時代WS-400型氬弧焊機(jī)。在實(shí)驗(yàn)中采用V形坡口。在焊接前，對工件的坡口表面進(jìn)行機(jī)械清理、酸洗，再用清水沖洗干凈，最后使用丙酮對工件及焊絲進(jìn)行擦洗。[3]

擬采用的焊接工藝參數(shù)如下表：

焊接電流

（A） 焊接電壓

（V） 焊接速度

（㎝/min） 焊絲直徑

（㎜） 層間溫度

（℃） 氬氣流量（L/min）

焊槍 拖罩 背面保護(hù)罩

90-110 12-14 10-15 2.4 ≤100 12-15 20-25 50-80

4.2焊接結(jié)果分析

由于TA2的熔點(diǎn)較高、熱導(dǎo)率低，所以需要采用較小的焊接熱輸入，從而減少焊接熱影響區(qū)。有資料顯示，在沒有經(jīng)過任何保護(hù)的情況下，TA2在200℃～300℃時不變色，在400℃時，表面將會呈現(xiàn)出金黃色，在600℃時產(chǎn)生藍(lán)色，而在800℃時將會變成深灰色。TA2的溫度不斷增高，表面顏色會隨之發(fā)生一系列的變化，焊接接頭的性能也會由于氧化物的殘留而受到影響，所以在焊接時，需要進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，以防止空氣侵入到焊接區(qū)域中。

擬采用兩組焊接工藝參數(shù)來對焊接質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證分析，工藝參數(shù)的選取按照上表所示，焊接電流選95A，焊接電壓選13V，焊接速度維持在12㎝/min。氬氣的流量有所不同，第一組在噴嘴、正面與背面分別施以10L/min、10L/min、5L/min的流量進(jìn)行施焊，而在第二組則對三個部位分別施以15L/min、20L/min、10L/min的流量進(jìn)行施焊。[4]

通過對兩個焊接試樣進(jìn)行分析，采用第一組氬氣流量保護(hù)的焊接試樣表面呈現(xiàn)出藍(lán)色，且表面氧化較為嚴(yán)重，還可以很明顯地看到試樣表面的裂紋；而采用第二組氬氣流量保護(hù)的焊接試樣的表面呈現(xiàn)出光亮銀白色，肉眼也看不到有裂紋。再用探傷設(shè)備XXH-2505進(jìn)行透照，X射線底片顯示：采用第一組氬氣流量保護(hù)的焊接試樣中出現(xiàn)很多氣孔及裂紋，按照J(rèn)B/T4730.2-2005標(biāo)準(zhǔn)，評判為Ⅳ級。而第二組焊接試樣則評判為Ⅱ級合格。分析認(rèn)為評判為Ⅳ級的焊接試樣主要是因?yàn)樵谑┖傅倪^程中，氬氣的保護(hù)流量不夠，造成空氣中氫、氮、氧侵入到焊接區(qū)域中，與鈦形成了雜質(zhì)混合物，在焊縫凝固時，氣體沒有及時的逸出，從而導(dǎo)致了焊接接頭的脆化，產(chǎn)生了的氣孔及裂紋。[5]

5.結(jié)語

通過對工業(yè)純鈦TA2的焊接實(shí)驗(yàn)，對焊接工藝過程進(jìn)行分析，在高溫焊接時，如果保護(hù)氣體流量不夠 ，將會對焊縫的質(zhì)量造成很大的影響。為了使惰性氣體能夠有效的保護(hù)焊接區(qū)域，需要提前送氣，而在焊接完成后滯后停氣，從而使鈦在焊接的過程中得到充分的保護(hù)。通過采用合理的焊接工藝參數(shù)，確定好合適的保護(hù)氣體流量，可以有效提高鈦的焊接質(zhì)量，從而得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，但是采用惰性氣體保護(hù)的焊接方法也存在一定的缺陷，即在一些特殊的焊接結(jié)構(gòu)中難以保護(hù)，比如一些大型的鈦材結(jié)構(gòu)件。相信在未來，隨著科技的不斷進(jìn)步，一定會出現(xiàn)更加先進(jìn)的焊接方法，比如細(xì)縫隙超激光焊的焊接方法，自動化與精密化控制更加先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性與質(zhì)量更高，能更好的促進(jìn)我國現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展。

6.參考文獻(xiàn)

[1]陳曉東,蔡英.工業(yè)純鈦TA2的焊接[J].現(xiàn)代焊接,2013,09:48-49.

[2]黃德明.工業(yè)純鈦TA2的氧化行為研究[J].鋼鐵釩鈦,2010,01:11-16.

[3]馬宏剛,王快社.TA2工業(yè)純鈦表面攪拌摩擦加工組織及性能[J].中國鈦業(yè),2012,02:9-13.

[4]陳勁松.工業(yè)純鈦及TC4鈦合金的深冷處理研究[D].湖南大學(xué),2011.

[5]鐵永亮,何照榮.TA2的鎢極氬弧焊單面焊雙面成形焊接工藝研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2006,04:47-49.