鈦合金焊接研究淺析

摘要：鈦合金已廣泛應(yīng)用于航空、造船、化工、石油等領(lǐng)域。本文主要通過鈦合金材料焊接性的分析，以及不同焊接工藝條件下鈦合金焊接組織與性能的變化，反應(yīng)鈦合金焊接研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：鈦合金；焊接性；組織性能

鈦合金的突出優(yōu)點是密度小、強度高、耐高溫、和耐腐蝕，具有較好的韌性。隨著科技的發(fā)展，先進的焊接結(jié)構(gòu)要求降低材料消耗，減輕結(jié)構(gòu)重量，具有以上優(yōu)點的鈦合金有著廣闊的應(yīng)用前景。則鈦合金的焊接性和對于各種焊接方法的適應(yīng)性就成為了鈦合金焊接研究的一個重點內(nèi)容。

1.鈦合金焊接性分析

焊接性是指同質(zhì)材料或異質(zhì)材料在制造工藝條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預(yù)期使用要求的能力。包括兩個含義：其一是結(jié)合性能；其二是使用性能。

鈦合金焊接性主要取決于氧、氮、氫等雜質(zhì)含量、合金元素含量和焊接熱循環(huán)。鈦在常溫下能與氧反應(yīng)生成致密的氧化膜而保持高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。但在焊接熱循環(huán)作用下，鈦與氧、氮、氫反應(yīng)形成間隙固溶體化合物，使焊接接頭塑性和韌性降低，引起焊接點脆化。O、N等雜質(zhì)雖然不能改變晶體結(jié)構(gòu)，但常處在晶格的間隙位置，阻礙位錯移動，顯著提高鈦的硬度和強度。如果焊縫中含氫量過多，會析出細(xì)片狀或針狀的TiH引起應(yīng)力集中，使焊縫沖擊韌度顯著降低。

2.鈦合金焊接方法及研究現(xiàn)狀

針對鈦合金的焊接性特點，可用于鈦合金的焊接方法有熔化焊接、固相焊接及釬焊。鎢極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等熔化焊接方式在鈦合金的焊接中應(yīng)用廣泛。

2.1 TIG焊

TIG焊是鈦合金焊接中應(yīng)用最廣泛的一種方法。焊接過程中鎢極不熔化，由焊槍的噴嘴送進氬氣作為保護氣體，還可根據(jù)需要添加填充金屬。但是鎢極氬弧焊焊速較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大，焊縫中會產(chǎn)生氣孔以及夾鎢等缺陷，易出現(xiàn)因氣體保護不良而影響焊縫質(zhì)量的問題，因而不適合焊接薄板鈦合金。

2.2 MIG焊

MIG焊熔深大，主要用于焊接鈦合金厚板， 可以減少焊接工序，提高焊接速度，降低生產(chǎn)成本，也可減少焊縫氣孔。但MIG焊采用的是直流反接，熔滴為細(xì)顆粒過渡，薄板焊接時通常采用短路過渡，而厚板焊接時則采用噴射過渡，填充金屬受污染的可能性較大。因此，對于保護的要求比TIG焊更嚴(yán)格，氣體純度和焊絲表面清潔度的要求也更高，焊前必須徹底清理，在焊接過程中還要嚴(yán)格控制。

2.3 真空電子束焊

真空電子束焊焊接鈦合金時焊接接頭中易產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力，隨著焊接件厚度的增大而增加。降低殘余應(yīng)力的主要方法是焊接后對焊件進行完全真空退火。

2.4 激光焊

激光焊容易實現(xiàn)焊縫寬度小、變形少的高精度焊接，可在大氣中作業(yè)。鄒世坤等采用YAG、CO激光焊接BT20、TC4鈦合金板材，接頭抗拉強度、抗剪強度等性能與母材相當(dāng)，接頭的疲勞性能和彎曲角低于母材，真空熱處理后高周疲勞壽命接近母材，但彎曲角只有母材的1/2。因此，在鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)避免將焊縫置于最大彎矩位置。

2.5 等離子弧焊

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法，在焊接鈦及鈦合金時，為了避免產(chǎn)生鈦的氫化物，使用無氫的純氬氣或氬與氦的混合氣。

2.6 其他焊接方法

鈦與大部分金屬可以形成固溶體或化合物，因此鈦合金的釬焊性很好。為獲得高質(zhì)量的接頭，必須控制界面層脆性相生成的種類、數(shù)量、形態(tài)及分布。釬焊溫度和釬焊時間是影響鈦合金釬焊接頭組織性能演化的兩個最主要因素。Elrefaey等以Incusil-AB（Ag-27.2Cu-12.5In-1.25Ti）為釬料，對不銹鋼和鈦合金進行了真空釬焊。釬焊溫度為650～850℃。通過對釬焊接頭分析得出：隨著釬焊溫度的升高，焊接區(qū)域的厚度隨之縮小，金屬間化合物生成量也不斷增大。抗剪強度試驗表明：隨著溫度升高釬焊接頭抗剪強度先增后減，于750℃達(dá)到最高值113MPa[3]。

鈦合金具有良好的摩擦焊接性，在無特殊保護措施的條件下優(yōu)化工藝，可獲得良好的焊接接頭。欒國紅等針對TC4鈦合金進行了攪拌摩擦焊的探索性研究。結(jié)果顯示：TC4鈦合金焊接接頭的強度可達(dá)到母材強度的90%以上，但接頭的塑性相對較低，焊接方法的工藝、參數(shù)、攪拌頭均有待優(yōu)化。劉會杰等利用含W-Re的攪拌頭對TC4鈦合金進行攪拌摩擦焊接，接頭的抗拉強度達(dá)到母材的92%，接頭斷裂于攪拌區(qū)，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征，熱影響區(qū)硬度低于母材，攪拌區(qū)是接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。

目前擴散焊較多地應(yīng)用于鈦合金與不銹鋼之間的焊接。鈦合金與不銹鋼異質(zhì)接頭采用擴散焊直接焊接時，很難避免接頭應(yīng)力和脆性的金屬間化合物相的出現(xiàn)，焊接接頭會出現(xiàn)裂紋，因此大多采用中間層金屬。李鵬等分別采用常規(guī)工藝和階梯狀工藝的方法，對添加Ni+Nb復(fù)合中間層的TC4鈦合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空擴散焊進行了研究。結(jié)果表明，通過添加Ni+Nb中間層成功阻止了Fe-Ti金屬間化合物生成，接頭界面過渡區(qū)組織自不銹鋼側(cè)依次為Fe-Cr-Ni固溶體、Ni-Nb反應(yīng)層、剩余Nb及Nb-Ti固溶體。階梯狀工藝下接頭的結(jié)合質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)工藝下的接頭，在階梯狀工藝上限溫度900℃ 條件下接頭抗拉強度達(dá)到了396MPa。

隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，其焊接技術(shù)也將會起著越來越重要的作用。今后焊接技術(shù)發(fā)展的方向是：便于操作；焊接過程自動化、智能化從而提高焊接生產(chǎn)率；焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好以及節(jié)約能源，有利于環(huán)境保護等。因此，國內(nèi)鈦合金焊接研究應(yīng)根據(jù)鈦合金材料及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進一步研究各種鈦合金材料的焊接性，優(yōu)化現(xiàn)有焊接工藝，針對鈦合金開發(fā)新的焊接方法，提高鈦合金結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量。

參考文獻：

[1]趙紅凱，王春亮，任飛，劉蘭霄.欽合金焊接的研究進展，材料導(dǎo)報[J]，2007.5（21）：342-348.

[2]高福洋，廖志謙，李文亞，鈦及鈦合金焊接方法與研究現(xiàn)狀，先進焊接技術(shù)[J]， 2012.

[3]王驥騰，王娟，李亞江，鈦合金的焊接研究進展，現(xiàn)代焊接[J]，2013，8（128）：17 -21.

作者簡介：

王莉（1986-），女，助教，學(xué)士，專業(yè)：材料成型及控制。