工業(yè)純鈦TA2焊接保護(hù)原因分析

王 娜，高 磊，于霄航，紀(jì) 強(qiáng)，

（1. 撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司, 遼寧 撫順 113122； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；3. 中國(guó)有色（沈陽(yáng)）冶金機(jī)械有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110141）

工業(yè)純鈦TA2焊接保護(hù)原因分析

王 娜1，高 磊2，于霄航3，紀(jì) 強(qiáng)1，

（1. 撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司, 遼寧 撫順 113122； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；3. 中國(guó)有色（沈陽(yáng)）冶金機(jī)械有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110141）

工業(yè)純鈦具有較高的化學(xué)活性，焊接過(guò)程中對(duì)加熱溫度比較敏感，很容易吸收氫、氧、氮等雜質(zhì)元素而影響材料的性能。通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行250、400、600、800、1 000 ℃加熱，根據(jù)TA2的表面顏色變化、組織變化及硬度變化來(lái)分析其保護(hù)原因及其保護(hù)必要性，從而確定保護(hù)范圍，為焊接做好必要的準(zhǔn)備。

TA2；保護(hù)原因；保護(hù)范圍

鈦是一種新型的有色金屬，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，例如密度小、耐蝕性好、比強(qiáng)度高、無(wú)毒性等，因此廣泛應(yīng)用于航海航空、石油化工、醫(yī)療、冶金、造船等領(lǐng)域，被譽(yù)為“海洋金屬”、“太空金屬”和“現(xiàn)代金屬”[1]。

在鈦材的加工過(guò)程中，焊接技術(shù)是最困難的，焊接過(guò)程中保護(hù)的好壞是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，對(duì)于鈦焊接保護(hù)原因的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 加熱溫度對(duì)TA2的表面顏色影響

鈦及鈦合金對(duì)溫度比較敏感，受熱過(guò)程表面會(huì)發(fā)生不同的顏色變化，而顏色的變化是判斷其焊接過(guò)程中保護(hù)好壞的關(guān)鍵，將工業(yè)純鈦TA2加熱至250、400、600、800、1 000 ℃，不同溫度的表面顏色變化如表1所示。

表1 不同溫度下TA2的顏色Table 1 The color of TA2 at different temperature

從表1中可以看出，隨著溫度的升高，TA2的表面顏色發(fā)生了一系列變化，由銀白色轉(zhuǎn)變?yōu)榻瘘S色、藍(lán)色、灰色、淡黃色。

TA2不同溫度下的x射線衍射分析圖如圖1所示，400 ℃以下主要成分為T(mén)i，600 ℃時(shí)氧化產(chǎn)物為T(mén)i6O，800 ℃時(shí)除Ti6O外，還出現(xiàn)了新的氧化物TiO2，1 000 ℃時(shí)為T(mén)i6O和TiO2，但Ti6O在減少，TiO2增加，根據(jù)x射線衍射分析，不同溫度下的顏色變化主要是由于吸收氧而引起的，這也說(shuō)明了氧化程度隨溫度的升高而加劇。在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)加熱至1 000 ℃時(shí)，會(huì)有淡黃色氧化皮脫落，基體表面呈多孔性，這時(shí)氧將通過(guò)薄膜中的小孔繼續(xù)氧化基體金屬，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致TA2的耐蝕性的降低，由于TA2隨著溫度升高時(shí)，致密的表面氧化膜破裂脫落而造成的[2]。同時(shí)隨著溫度的升高氧化膜在不斷的增厚，如果氧化產(chǎn)物殘留在焊縫中，會(huì)形成夾雜等缺陷，影響焊接接頭的性能，因此從顏色變化上看，TA2焊接時(shí)，400 ℃以上的區(qū)域都要進(jìn)行保護(hù)。

2 加熱溫度對(duì)TA2的組織影響

材料的顯微組織決定性能，工業(yè)純鈦TA2在焊接過(guò)程受熱循環(huán)的影響，組織會(huì)發(fā)生不斷的變化，進(jìn)而影響材料的性能，TA2在250、400、600、800℃、1 000 ℃下的金相組織如圖2所示。

圖1 不同溫度下TA2的X射線衍射分析圖Fig.1 XRD of TA2 at different temperature

圖2 TA2在不同溫度下的金相組織Fig.2 The microstructure of TA2 at different temperature

從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，晶粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，在250 ℃時(shí)，晶粒變化不大，在400℃時(shí)，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，尤其是在1 000 ℃時(shí)，晶粒由等軸狀的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮钠瑢訝罱M織，晶粒呈柱狀從邊界向內(nèi)長(zhǎng)大，每一組相互平行的柱狀組織交錯(cuò)排列[3]。不同溫度下TA2的組織中并未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似金屬夾雜物、金屬間化合物等其他組織出現(xiàn)，但在焊接過(guò)程中，由于焊材的熔入、焊接熱循環(huán)的復(fù)雜影響，焊接接頭的組織極易受到影響，因此焊接過(guò)程中充氬保護(hù)或真空保護(hù)是必不可少的。從晶粒的長(zhǎng)大趨勢(shì)上看，雖然不能為保護(hù)提供有力的證據(jù)，但為焊接參數(shù)的選擇奠定了基礎(chǔ)，由于鈦的熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率低，相變溫度區(qū)間較大，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，晶粒極易長(zhǎng)大，而且在相變溫度以下冷卻速度也較大，極易形成針狀馬氏體，從而影響焊接接頭的性能，因此，焊接過(guò)程中要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，即選擇小的熱輸入，快的焊接速度，降低由于晶粒粗大而引起的接頭性能的惡化[4,5]。

3 加熱溫度度對(duì)TA2的硬度的影響

將加熱至不同溫度的試件進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，載荷為100 g，保持時(shí)間10 s，目鏡放大倍數(shù)為40倍，加熱后未經(jīng)表面處理的試樣硬度如表2所示，去除表面氧化膜的試樣硬度如表3所示。

表2 不同溫度下未去除表面氧化膜試樣硬度Table 2 The hardness of the sample with oxide film at different temperature

表3 不同溫度下去除表面氧化膜試樣的硬度Table 3 The hardness of the sample without film

從表2和3中可以看出，對(duì)于加熱后直接進(jìn)行硬度測(cè)試的試樣，隨著溫度升高，在加熱溫度≤600℃時(shí)硬度變化不大，溫度為800 ℃時(shí)硬度劇烈增加，這主要是由于在此溫度以下TA2氧化物較少，800 ℃時(shí)Ti6O和TiO2都在增加，1 000 ℃時(shí)TiO2增加，Ti6O減少，氧化物增加，硬度顯著增加。將試樣表面打磨后進(jìn)行硬度測(cè)試，硬度與室溫時(shí)TA2的硬度大小差不多。實(shí)驗(yàn)足以證明硬度的升高主要是由于TA2表面氧化程度的增加而引起的，硬度的升高將會(huì)帶來(lái)脆性的增加，給焊接接頭帶來(lái)安全隱患，因此焊接過(guò)程中一定要做好保護(hù)，防止污染焊接接頭。

4 結(jié) 論

（1）工業(yè)純鈦TA2焊接時(shí)，從400 ℃時(shí)顏色發(fā)生了明顯變化，由銀白色轉(zhuǎn)變?yōu)榻瘘S色、藍(lán)色、灰色、淡黃色，在1 000 ℃以下時(shí)主要是氧滲入。（2）晶粒從400 ℃開(kāi)始逐漸增大，但在1 000℃以下時(shí)長(zhǎng)大速率并不大，晶粒形狀變化不大，1 000 ℃時(shí)晶粒明顯長(zhǎng)大，由等軸狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮钠瑢訝?，晶粒長(zhǎng)大雖不能作為保護(hù)的有效證據(jù)，但有利于焊接參數(shù)的選擇；

（3） 隨著溫度升高，在加熱溫度≤600 ℃時(shí)TA2硬度變化不大，溫度為800 ℃時(shí)硬度劇烈增加，硬度的升高將會(huì)帶來(lái)脆性的增加，給焊接接頭帶來(lái)安全隱患；

因此，從顏色變化、硬度變化上看，TA2焊接時(shí)，溫度達(dá)到400 ℃以上的區(qū)域都要進(jìn)行保護(hù)。

［1］ 張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［2］ 李亞江，王娟，劉強(qiáng)．有色金屬焊接及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［3］ 王群驕，有色金屬熱處理技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［4］ 王娜，高磊，張瑩瑩，劉進(jìn)生．工業(yè)純鈦TA2的焊接[J]．熱加工工藝，2010，39(5)：32-133.

［5］ Qi Yunlian , Deng Ju, Hong Quan, et al. Electron beam welding, laser beam welding and gas tungsten arc welding of titanium sheet[J]．Materials Science and Engineering , 2000,A280:177-181．

Reason Analysis of Industry Pure Titanium TA2 Welding Protection

WANG Na1，GAO Lei2，YU Xiao-hang3，JI Qiang1
（1. Fushun Chemical Machinery Equipment Manufacture Co., Ltd. Liaoning Fushun 113122, China; 2. Liaoning Shihua University , Liaoning Fushun 113001，China; 3. China Nonferrous (Shenyang)Metallurgical Machinery Co., Ltd. ,Liaoning Shenyang 110141, China）

Industry pure titanium is very active in chemistry and sensitive to heat，it is inclined to absorb hydrogen, oxygen and nitrogen, which will have serious influence on material property. In this paper, the sample was heated to 250,400,600,800 and 1 000 ℃; changes of titanium’s surface color, microstructure and hardness with increasing of temperature were analyzed, and reasons and range of the protection were determined, which could lay a strong foundation for welding.

TA2 ; Reason of protection;Range of protection

TG 457

A

1671-0460（2015）01-0151-04

2014-06-29

王娜（1981-），女，遼寧蓋州人，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)材料加工專(zhuān)業(yè)，研究方向：從事壓力容器設(shè)計(jì)、制造、焊接及高效換熱器的研發(fā)。E-mail：1259146137@qq.com。