韩建旭
东安科技开发公司 黑龙江省哈尔滨市 150060 ，
摘要：钛合金在焊接时非常容易被空气的氧、氮等杂质所污染，严重影响钛合金的综合性能。本文根据钛合金的金属特性，分析钛合金的焊接性，结合钨极氩弧焊焊接工艺论述合理的焊接工艺和提高焊接质量的及的控制措施。
关键词：钛合金；氩弧焊；工艺；措施
引言：钛合金具备很高的耐腐蚀性和良好的机械性能，常用于航空和化工行业，在航空航天领域的优势尤为突出。目前主要用于火箭、导弹和高速飞机的一些结构件，可制造飞机的机、机翼、蒙皮和起落架等承力构件。目前采用的焊接方法有：钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等，异形工件焊接应用最广的是钨极氩弧焊。钨极氩弧焊常用于钛合金薄板焊接。
1、钛合金的焊接特性
钛合金极易氧化，钛合金在常温状态下，由于表面有一层致密的氧化膜而比较稳定。但在高温状态下能与很多的活性气体发生剧烈反应。当温度为250℃时开始吸氢、400℃ 时开始吸氧、600℃时开始吸氮，并随温度升高，钛吸收活性气体能力逐渐增强。空气中含有大量氮和氧，所以钛合金在焊接时，焊缝金属非常容易受到杂质污染，使其力学性能受到严重破坏。钛合金吸收的气体原子以间隙或置换形式固溶在晶格中，改变了材料原始晶格排列，并易于形成晶间化合物，严重恶化材料的综合性能网。
2、钛合金的焊接工艺
2.1、焊接前制备
2.1.1、焊前清理
钛合金焊接接头的质量在很大程度上取决于焊件和焊丝的表面质量，焊前必须进行严格清理，当清理不彻底时会在焊件和焊丝表面形成吸气层，并导致焊接接头形成裂纹和气孔，对焊接接头的力学性能带来很大影响，采用等离子、高压水、激光等方法切割下料。焊缝边缘15~20mm范围内应进行酸洗（5%HF+30~35%HNO）处理，酸洗后用洁净水冲洗，烘干，钛合金试件清理后，表面呈银白色，应放置在密闭、干燥、清洁的环境，如果不具备酸洗条件，可采用硬质合金黄色刮削钛板，去除氧化膜。
2.1.2、焊接环境及材料
钛材在焊接过程中易与空气中的氧、氮发生反应, 所以应在洁净的工作环境中进行, 这就要求焊接现场要有保护性的挡风屏风或防尘帐篷等临时措施。在焊接前还应把焊丝用丙酮清洗干净, 以免铁离子污染。焊接使用的氩气纯度不低于99.99%，杂质总的质量分数小于0.001%。氩气瓶压力降至0.98Mpa时停止使用，防止氩气保护效果不好对焊缝质量产生影响。
2.2、焊接参数
氩弧焊应选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源。钛合金焊丝的选择原则上与母材化学成分相同，但为提高焊缝的金属塑性，可选用强度略低于母材的焊丝。焊丝直径和焊接参数根据工件的厚度进行调整，钛合金接工艺参数见表1。为减少焊接变形可采用钢性固定方法。坡口定位焊接间距100~150mm，长度为10~15mm，点焊工艺和正式施焊工艺一致。保证焊缝能够很好的在氩气中保护采用提前送气，滞后停气的方法。
表1 钛合金接工艺参数
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3、焊接质量控制
3.1、加强工件清理
钛合金工件的焊接前一定进行深度的清洁，清洁的程度是影响钛合金焊接头质量的重要因素之一。金相观察表明，试件表面在清理前存在约10μ的氧化层，该氧化层存在大量裂纹和孔隙，孔隙及其吸附物在焊接过程中容易导入氧、氢、氮等有害元素或气体，所以必须进行清理去除。同时，焊前试件还要清理油污、灰尘、锈迹及机械加工的冷却液，保证试件清洁，防止杂质对焊接接头的污染。清理好的坡口应在24小时内施焊，否则需重新清理。
3.2、无损检测
为保证合格焊缝出厂，对接焊缝要进行100 %RT，不能采用射线探伤的焊缝应进行100 %PT检测。PT检测后要后要对焊缝清理，达到焊缝表面的要求状态。无损检测发现缺陷时，对缺陷进行判定，分析缺陷的产生原因和返修方案，杜绝盲目返修而造成影响焊接质量的情况。
3.3、外观判断质量
钛合金焊接每一层焊道都要通过颜色来判断焊缝被污染的程度，焊缝颜色以其污染程度从轻至重变化依次为淡黄色、深黄色、蓝色、灰色，直至污染最严重灰白色的，保护良好的为银白色。钛合金焊缝区域污染源主要有两个方面：一是工件表面的湿气、水份、油渍和周围大气环境导致的吸氧、吸氢；二是焊接保护不良引起的氧化、氮化和氢化。所以在钛合金焊接过程中要做好工件清理和气体保护措施。当然，不可以仅仅根据焊缝面层的颜色来判断焊缝的污染程度。实验表明，过渡层出现颜色为蓝色或灰色，面层颜色为银白色，且无损检测都没有缺陷,焊接质量是合格的，当硬度试验时（见图1）,面层硬度是合格的,而在焊接部位内部硬度已经变的很大，脆性增强，延伸率降低，焊接过程中不监测颜色的变化焊缝就会存在隐患。
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图1 焊接部位各点的硬度值
3.4气体保护措施
钛及钛合金焊接时，不仅要保护焊缝区和熔池区，并且对加热温度超过400℃的热影响区和焊缝背面也要进行保护，一般背面有专人用拖罩跟随熔池进行保护，所以只要背面空间够大，保护就不成问题，不过有时候为适应不同结构形式，拖罩的形状要仔细选择，必要时专门制作。如果背面空间较小可以考虑整个工件充氩保护，焊前应提前l0～15 S送气，断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到350℃ 以下时方可移开焊枪。避免焊接接头遭受到氧化、污染。
3.5、缺陷产生原因
在钛材焊接过程中容易出现气泡、夹渣、裂纹等缺陷，裂纹的产生主要是由于金属特性的改变，与焊接环境、电流电压有很大关系。气泡和夹渣的产生有很多原因,下面从直接和间接两个方面进行分析；直接原因：首先是焊接过程中氧、氮及氢等不纯气体侵入焊接部位;其次焊丝的表面粗糙部分附着不纯气体、混杂灰尘和油污、焊丝本身固溶不纯气体以及表面的氧化层未完全去除造成的；第三，焊接母材本身的污染。这些都会造成焊接部位气泡的产生。间接原因：首先是焊接条件的原因,如焊接电流过低、过高,焊接速度过快；其次加工过程中坡口角度狭窄等原因。
4、总结
钛合金的应用日益广泛，其焊接接头质量控制工艺需要深入的探讨。钛合金钨极氩弧焊时，焊前应严格清理，控制氢的来源和去除氧化膜；焊接时加强保护，尽量采用小的热输入，防止焊缝晶粒粗大和氧化。钛合金焊接时只要严格按照焊接工艺要求施焊，并采取有效的气体保护措施，即可获合格的焊接接头，所以，不断的优化焊接工艺，积累经验，制定合理的焊接工艺和控制措施才能获得焊接接头质量满意的钛合金焊接试件。
参考文献
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