钛材料焊接(welding of titanium material)

通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使钛材料的工件达到原子结合的方法。是铁材料制备工艺之一。钛材料的焊接性，取决于材料本身的化学活性和物理性能。室温下，钛的表面具有薄而致密的氧化膜，性能稳定。随着温度的升高，钛的活性急剧增大，当焊接温度高于600℃时，致密的氧化膜被破坏，气体能通过疏松的氧化膜向金属内部扩散，和氢、氧、氮等元素产生剧烈化学反应，这些元素以间隙杂质存在于钛中，使其焊接接头的性能特别是塑性下降。氢气的存在也常是焊缝出现气孔和冷裂的原因。

合金元素的加入会影响钛的焊接性能。通常加入钛中的合金元素有铝、锡、锆、锰、钒、钼、铁等。α型钛合金中加入铝的含量在3％以下时，焊缝金属的显微结构没有明显的改变，随焊缝中铝含量的增加，将引起α相针叶的长大，铝含量≥5％时，焊缝具有粗针状结构。锆、锡对焊缝性能的影响和铝相似，可提高其强度，但随其含量的增加，塑性下降。在α+β型钛合金中，合金元素对焊缝的影响，视其添加元素的种类和浓度的不同而有较大的差异，一般含β稳定元素大于3％的钛合金和钒大于6％的钛合金，其焊缝延展性不好，这可通过特殊的填充金属来改变焊缝的合金含量，以改善焊缝的延性。β型钛合金中加入了较多的β稳定元素，加入量通常是使β型钛合金处于亚稳定状态，淬火后，其室温得到的是亚稳定组织，亚稳定p型钛合金的焊缝组织也是亚稳定组织，强度和弯曲性能和淬火状态的母材相似，但焊接接头经时效处理后，塑性下降。钛材料焊接性的另一特点是，加热时，β晶粒有过热和长大趋势，这和钛的物理性质有关。钛的熔点高，热容量大，导热性差，电阻系数大，焊接时加热到高温(超过600℃)的区域(温度场)尺寸，在长度方向比不锈钢大1。5倍、比铜大23倍、比铝大16倍。高温停留时间长，冷却速度慢，这就使高温晶粒极易过热和长大，致使焊接接头塑性降低。焊接热影响区组织变化最大的地区是半熔化区，紧接着是近缝区。当冷却时，这里可保留亚稳定相，其最终组织取决于温度和冷却条件。和基体交界线上存在着再结晶区，然后向基体逐渐过渡。工业纯钛和n型钛合金含有合金元素少，显微结构变化不明显，接头具有较好的塑性。但应指出，在焊接热循环作用下，受热不均、冷速差异、粗大结晶组织和焊缝缺陷以及内应力等因素，都会造成焊接接头塑性下降，强度提高。所以，通常在焊接工业纯钛和“型钛合金时，采用较小的线能量和较快的冷却速度，以减小晶粒长大程度，缩小热影响区范围。对于α+β型钛合金，在焊接热源作用下，近缝区是α相和少量亚稳定β相，在低温下还可能发生β→ω的转变，使焊缝塑性急剧下降。对于这类合金焊接时，采用较工业纯钛稍大的线能量，因为若焊接线能量过小，接头冷却过快，会使过饱和的α相变得更细小，塑性下降更严重。对于亚稳定β型钛合金，在焊接热源作用下，除近缝区晶粒长大外，晶界、亚晶界合金元素的富集，使焊缝和近缝区在化学和物理性能上产生不均匀现象，故在焊接这类合金时，应尽量采用小的线能量和最大的冷却速度。

可用于焊接钛材料的焊接方法有：惰性气体保护焊、等离子弧焊、真空电子束焊、埋弧焊、电渣焊、高频焊、电阻焊、摩擦焊和钎焊等。使用最普及的是惰性气体(主要是氩气)保护焊，也称氩弧焊。

从焊接性分析可知，为了获得良好的焊接质量，首先要根据合金的性质、结构，选择合适的焊接方法和焊接参数。对被焊接头区、焊接填料，焊前应通过机械清理或化学清理方法，彻底去除表面污物、氧化物和富集气体的金属层。焊缝中最常见的缺陷是气孔和冷裂，因此，母材和焊丝中的气体杂质，必须小于规定指标。惰性气体的纯度应在要求范围之内。若在空气中采用亚弧焊接时．由于钛在400℃以上就和空气中气体发生反应，故除保护焊接熔池外，对已凝固的、温度尚在400℃以上的焊缝区的正反面，都要采用合适的装置，进行氩气保护，保护效果以焊缝和热影响区为银白色为佳。对于结构比较复杂的焊件，如尺寸不大，可在通有氩气的焊箱中进行焊接。