鈦及鈦合金由于密度小、強(qiáng)度高、耐熱耐腐蝕性能優(yōu)異而廣泛地應(yīng)用于航空航天、石油化工、造船等部門。目前高性能的飛機(jī)、坦克正在采用鈦合金部件，而且在石油化工部門中鈦合金部件使用的范圍也正在逐漸擴(kuò)大。而鈦合金在飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)和石油化工部門上的應(yīng)用，不可避免需要使用焊接手段進(jìn)行連接，這對(duì)擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍具有重要的意義。本文主要介紹鈦合金焊接過程中需要注意的一些問題，以期引起同行的注意。

一、鈦合金的焊接性

大多數(shù)鈦合金可以使用氧乙炔焊的方法進(jìn)行焊接，并且所有的鈦合金均可以使用固態(tài)焊接方法進(jìn)行焊接( 如TI G、MIG 、等離子弧焊、激光和電子束焊接) 。事實(shí)上，鈦合金焊接接頭發(fā)生裂紋的傾向性要比黑色金屬( 如鐵合金、鎳合金) 小得多。盡管鈦合金具有如此良好的性質(zhì)和其他一些優(yōu)異的焊接特性，一些工程師們?nèi)匀徽J(rèn)為鈦合金的焊接是相當(dāng)困難的，主要在于鈦合金焊接對(duì)于氣體保護(hù)的要求特別高，一般只有非常專業(yè)的人員才能保證氣體保護(hù)符合要求。實(shí)際上，許多焊接手段均可以用來焊接鈦合金。由于在焊接過程中引入的空氣的N2 、O2 和含碳物質(zhì)使得鈦合金的熔化焊接頭變脆，因此待焊區(qū)一定要清理干凈并使用惰性氣體保護(hù)。焊接材料基本上也是根據(jù)被焊材料的特性進(jìn)行選取的。鈦合金的焊接性一般根據(jù)焊接接頭的延展性和強(qiáng)度來評(píng)價(jià)。常見鈦合金的焊接性如表所示。

二、鈦合金中的氣孔

鈦合金焊接接頭中氣孔的產(chǎn)生主要受焊接前的清潔程度和焊接接頭的準(zhǔn)備以及焊接時(shí)間長(zhǎng)短的影響，同時(shí)還有其他一些因素。盡管表面不清潔導(dǎo)致的吸氫是弧焊接頭氣孔產(chǎn)生的主要原因，但其他因素如氧氣、氮?dú)?、二氧化碳以及用作保護(hù)的惰性氣體均有可能導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。

同鋁的氧化物一樣，鈦的氧化物具有吸濕性，很容易從環(huán)境大氣中吸收濕氣。鈦合金部件同含水( 或含水汽) 的接頭進(jìn)行焊接時(shí)就會(huì)有氣態(tài)的氫溶解到接頭中，隨后在凝固時(shí)形成小孔。減少鈦合金焊接接頭中氣孔的措施主要有：

( 1) 鈦合金部件和焊料要干燥。
( 2) 準(zhǔn)備好的焊料建議在48h 內(nèi)使用完。
( 3) 待焊鈦合金部件的部位與焊料進(jìn)行去油脂與清洗，然后進(jìn)行酸洗。
( 4) 使用高純氬氣或氦氣進(jìn)行保護(hù)。

三、氣體保護(hù)

常溫下，鈦及其合金是比較穩(wěn)定的，但隨著溫度的上升，鈦及其合金吸收氫氣、氧氣和氮?dú)獾哪芰χ饾u上升。鈦從250 ℃開始吸氫，從400 ℃開始吸氧，從600 ℃開始吸氮。由于鈦合金同O2、N2 、H2 的親和力高，接頭中含有這些氣體時(shí)會(huì)使接頭變脆，降低鈦合金焊接接頭的沖擊性能、塑性和韌性。鈦合金中含有氫時(shí)會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生延遲裂紋。而當(dāng)焊縫中含氧、氮量較高時(shí)，焊縫或熱影響區(qū)在較大的焊接應(yīng)力作用下也會(huì)出現(xiàn)裂紋，該裂紋也屬于延遲裂紋。因此惰性氣體( 或真空室) 保護(hù)是非常必要的。由于使用真空室成本較高，所以一般使用惰性氣體保護(hù)的方法。保護(hù)氣體主要有氦氣和氬氣，由于氦氣價(jià)格高于氬氣，一般來說，對(duì)不是特殊要求的鈦合金的焊接接頭和熱影響區(qū)，使用高純氬氣進(jìn)行保護(hù)就可以防止氧化。

四、焊后檢查

對(duì)鈦合金焊接部位進(jìn)行目視檢查，主要是為了評(píng)估氣體保護(hù)的好壞。當(dāng)表面呈銀白色時(shí)，表示氣體保護(hù)非常好；而當(dāng)表面為淺黃色或深黃色，表示鈦合金受到輕微污染，但仍然還是可以接受的；表面為深藍(lán)色，表示污染比較嚴(yán)重，但由于使用工況的不同，有的可以使用；表面為淺藍(lán)色，污染嚴(yán)重，幾乎不可能使用；表面為灰藍(lán)色或灰色時(shí)，污染非常嚴(yán)重，不可使用；同樣表面為白色時(shí)，污染非常嚴(yán)重，不可用。

五、著色檢測(cè)的辦法

硬度測(cè)試和渦流檢測(cè)可以用來檢測(cè)接頭是否含雜質(zhì)，因?yàn)楹须s質(zhì)時(shí)接頭性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，主要表現(xiàn)在含有雜質(zhì)時(shí)接頭的硬度和電阻率會(huì)顯著變高。便攜式手持硬度測(cè)試儀可以原位進(jìn)行測(cè)試焊接件的硬度。這一技術(shù)的應(yīng)用可以方便的檢測(cè)出焊接質(zhì)量的好壞。一般情況下，鈦合金出現(xiàn)焊接裂紋的情況比較少。然而，有時(shí)也會(huì)在焊縫或因含雜質(zhì)而產(chǎn)生裂紋。此時(shí)，缺陷可以通過著色檢查來發(fā)現(xiàn)，同時(shí)此方法對(duì)疏松也有一定的效果。必須注意的是，在繼續(xù)進(jìn)行焊接前一定要將著色液清洗干凈。

六、缺陷的修復(fù)

1. 微小缺陷的局部修復(fù)

鈦合金接頭上的微小缺陷( 如疏松) 的修復(fù)是非常容易的。采用鉆孔或打磨的方法將受影響的區(qū)域清理干凈，然后進(jìn)行填補(bǔ)。需要注意的是一定要確保焊補(bǔ)金屬已經(jīng)完全填充了修補(bǔ)區(qū)。

2. 線性顯示的修復(fù)

如果X 光底片顯示疏松已經(jīng)呈線性顯示，則可以采用表面重熔的辦法進(jìn)行修復(fù)。該表面重熔時(shí)所采用的能量應(yīng)當(dāng)比先前焊接時(shí)所采用的能量要大，以確保將潛在的疏松均熔化透。如果該方法不奏效，或者該缺陷本身就非常嚴(yán)重，則只好將整個(gè)焊接區(qū)清理干凈，然后重新焊接。這一缺陷的修補(bǔ)費(fèi)力而且會(huì)增加成本，在操作時(shí)一定要注意保證質(zhì)量。

3. 變形

由于焊接時(shí)局部熱輸入較大，而且鈦合金導(dǎo)熱性差，從而在焊接處附近產(chǎn)生非線性應(yīng)力。開始時(shí)熔池由于金屬被加熱而形成，從而在熔池附近產(chǎn)生應(yīng)力集中。然而，由于金屬的基體大，而熔池和熱影響區(qū)相對(duì)區(qū)域要小，從而應(yīng)力在接頭和熱影響區(qū)附近累積。如果由于熱膨脹產(chǎn)生的力超過了基體金屬的壓應(yīng)力，則局部塑性變形就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的永久變形。變形的類型和程度主要受材料的性質(zhì)、受約束的程度、接頭的設(shè)計(jì)、添料方式和焊接過程所影響。

4. 基體材料性質(zhì)

影響變形的基體材料性質(zhì)主要有熱膨脹系數(shù)(系數(shù)越大，變形越容易) 、單位體積的熱容( 熱容越小越容易變形) 等。由于變形是張應(yīng)力和材料壓受力相互作用的結(jié)果，因此熱膨脹系數(shù)對(duì)變形程度具有至關(guān)重要的影響。簡(jiǎn)單的計(jì)算和實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)鈦合金變形的程度位于鋼和不銹鋼之間( 即變形程度稍高于鋼而稍低于奧氏體不銹鋼) 。

5. 抑制夾具

如果零件在焊接時(shí)不進(jìn)行夾持，則它的變形會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力得到釋放。因此各種用來防止移動(dòng)和變形的夾持方法在焊接時(shí)得到應(yīng)用。但需要指出的是，夾持越緊，則在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力越大。所以為了減少變形，首先要使用剛性夾具并在夾具上進(jìn)行冷卻，從而限制變形；焊接工藝上要采取對(duì)稱性的焊接操作和合理的焊接順序，因?yàn)槭褂昧藙傂詩A具雖然使變形得到抑制，但夾具去掉后還會(huì)產(chǎn)生新的變形；焊接夾具的壓力一定要均勻，否則也會(huì)產(chǎn)生變形。

七、結(jié)語

目前鈦合金的焊接雖然并不廣泛，但只要注意以上問題還是能夠很好實(shí)現(xiàn)鈦合金的焊接。以上只是我們?cè)谛迯?fù)鈦合金部件時(shí)不斷摸索總結(jié)出來的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際工作中還有可能發(fā)現(xiàn)更多的問題，在此只是拋磚引玉。