鈦及鈦合金牌號(hào)用漢語(yǔ)拼音字母“T”加表示金屬或合金組織類型的字母以及順序號(hào)表示。表示金屬或合金組織類型的字母有A、B、C，分別表示α型，β型和α+β型的鈦合金。例如，TA1表示一號(hào)α型純鈦；TB2表示二號(hào)β型鈦合金；TC4表示四號(hào)（α+β）型鈦合金。
工業(yè)純鈦是指用工業(yè)生產(chǎn)的純鈦。工業(yè)純鈦中均含有微量的碳、氫、氮、氧、鐵、硅等雜質(zhì)。少量的雜質(zhì)可以使鈦的強(qiáng)度、硬度顯著增加，而使塑性、韌性明顯地下降。目前有TA1、TA2、TA3三個(gè)牌號(hào)。由于工業(yè)純鈦塑性韌性好、耐腐蝕、焊接性好和容易加工成形，在很多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。例如，在航空、化工、造船等工業(yè)部門用于制造在350℃以下工作、受力不大的各種耐蝕零件等。
其中，α型鈦合金中主要的合金元素是α穩(wěn)定化元素鋁，有的還加入了錫、硼、鋅、銅等元素。這類合金抗氧化性和焊接性能好，組織穩(wěn)定，但塑性、沖擊性能差。其中應(yīng)用最廣的是TA7，其工作溫度可達(dá)到450℃。
β型鈦合金中主要的合金元素是鉬、釩、鉻等β穩(wěn)定化元素。它強(qiáng)度高，冷成形性好，焊接性尚可，通過(guò)淬火和時(shí)效可以進(jìn)一步強(qiáng)化，主要用于制作250℃以下長(zhǎng)時(shí)間工作或350℃以下短時(shí)間工作的、要求成形性好的結(jié)構(gòu)件或緊固件。
α+β型鈦合金的退火組織為α+β兩相組織。這類合金中都含有α穩(wěn)定化元素鋁和不同種類、數(shù)量的β穩(wěn)定化元素如鐵、鉬、錳、鉻、釩等，分別使α鈦和β鈦固溶強(qiáng)化，在退火狀態(tài)下可以得到比α型鈦合金高的強(qiáng)度。這類合金具有良好的鍛壓、焊接和切削加工性能，在150～500℃溫度下有較好的耐熱性。TC1、TC4合金還具有良好的低溫韌性、抗海水應(yīng)力腐蝕及抗熱鹽應(yīng)力腐蝕的能力。
一、鈦合金焊接特點(diǎn)bjh
在鈦及鈦合金中，工業(yè)純鈦和α型鈦合金具有良好的焊接性；在α+β型鈦合金中，弱β穩(wěn)定化合金焊接性比較好，而強(qiáng)β穩(wěn)定化合金的焊接性比較差；在β型鈦合金中，穩(wěn)定β合金焊接性比較好，而亞穩(wěn)定β合金焊接性尚可。鈦及鈦合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生以下問(wèn)題。
（1）焊接接頭脆化問(wèn)題。當(dāng)母材中氧、氮、氫、碳等間隙元素含量較高或焊接時(shí)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)保護(hù)不良時(shí)，焊接接頭的塑性顯著降低。另外，當(dāng)焊接熱輸入控制不當(dāng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生焊接接頭塑性降低的現(xiàn)象。
（2）焊接接頭裂紋問(wèn)題。由于鈦及鈦合金中硫、磷、碳等雜質(zhì)很少，只要正確選用焊接材料，焊縫產(chǎn)生熱裂紋的傾向很小。但當(dāng)焊接保護(hù)不良或α+β型合金中β穩(wěn)定化元素較多（例如TC10）時(shí)，焊接接頭會(huì)出現(xiàn)低塑性脆化裂紋，這種裂紋焊后立即出現(xiàn)。另外，焊接鈦及鈦合金時(shí)，有時(shí)還會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生延遲裂紋，這種裂紋可以延遲幾小時(shí)、幾天甚至幾個(gè)月出現(xiàn)，具有很大的潛在危險(xiǎn)性。
（3）焊縫氣孔問(wèn)題。氣孔是焊接鈦及鈦合金最常見(jiàn)的一種焊接缺陷。氣孔通常在焊縫中部和熔合線附近出現(xiàn)。焊接熱輸入較大時(shí)，氣孔一般產(chǎn)生在熔合線附近。
由于鈦及鈦合金與氧、氮、氫的親和力大，化學(xué)活性強(qiáng)，因此，普通的焊條電弧焊、氣焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊均不適用于鈦及鈦合金焊接。目前，焊接鈦及鈦合金最常用的焊接方法是鎢極氬弧焊，其次是熔化極氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊等。
二、鈦合金焊接方法與操作技巧
鎢極氬弧焊是焊接鈦及鈦合金應(yīng)用最多的一種焊接方法，尤其是手工鎢極氬弧焊被廣泛使用。這種方法主要用于10mm以下的鈦板焊接。大于10mm的鈦板可采用熔化極氬弧焊焊接。
1.坡口形式
坡口形式可參見(jiàn)表4-20，當(dāng)板厚為0.5～2.5mm時(shí)，開(kāi)Ⅰ形坡口，采用不加填充焊絲的雙面焊或單面焊；當(dāng)板厚為3～9mm時(shí)，一般開(kāi)V形坡口；當(dāng)板厚≥10mm時(shí)，采用對(duì)稱的雙V形坡口。生產(chǎn)中，在焊接坡口正面底層時(shí)，不加鈦焊絲，只用焊槍熔焊一道，以后各層均應(yīng)添加焊絲。
表4-20 鈦及鈦合金焊接坡口
2.焊前清理
焊前對(duì)鈦及鈦合金焊件和焊絲進(jìn)行清理是一項(xiàng)必須進(jìn)行的工作。如果沒(méi)有清理或清理質(zhì)量不高，往往在焊件和焊絲表面上生成一層灰白色的吸氣層，導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生裂紋、氣孔，并降低接頭的性能。清理工作有機(jī)械清理和化學(xué)清理兩種方法。
（1）機(jī)械清理。當(dāng)焊接質(zhì)量要求不高時(shí)，可以采用切削加工、噴丸、噴砂或不銹鋼絲刷清除焊件上的污物和氧化物等。
（2）化學(xué)清理。將焊件及焊絲在酸液中沖洗，直至呈銀白色光澤為止。酸洗液的配方和工藝為：①鹽酸250mg/L、氟化鈉50g/L，在室溫酸洗15～20min；②體積分?jǐn)?shù)為20%的氫氟酸，體積分?jǐn)?shù)為30%的硫酸，在25～30℃的酸溶液中沖洗5～10min。酸洗后，在流動(dòng)的清水中洗凈、晾干。
（3）臨焊前，再將焊件坡口及其兩側(cè)50mm以內(nèi)、焊絲表面用丙酮或乙醇或四氯化碳等熔劑進(jìn)行擦拭。
3.焊接材料
焊絲一般采用與母材同質(zhì)材料。為改善接頭的塑性，可以用比母材合金化程度稍低的焊絲，例如，焊接TC4鈦合金時(shí)可以用TC3焊絲。但厚板的α+β型鈦合金或β型鈦合金多層焊時(shí)不能使用α型鈦合金焊絲。此外，為改善焊縫的塑性，焊絲中的間隙元素氧、氮等含量應(yīng)比母材低一半左右。氬氣應(yīng)達(dá)到一級(jí)純度（體積分?jǐn)?shù)為99.99%），雜質(zhì)總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.02%，相對(duì)濕度＜5%，水分＜0.001mL/L。
4.保護(hù)措施
由于鈦及鈦合金不僅液態(tài)時(shí)能吸收氧、氮、氫等氣體雜質(zhì)，而且當(dāng)達(dá)到一定溫度的固態(tài)時(shí)也能吸收氧、氮、氫等氣體雜質(zhì)，因此，焊接時(shí)不僅需要保護(hù)熔池和焊縫不受空氣沾污，而且需要對(duì)加熱溫度超過(guò)350℃的熱影響區(qū)和焊縫背面進(jìn)行保護(hù)，氬氣的保護(hù)效果可以根據(jù)表4-21從焊縫及熱影響區(qū)表面的顏色來(lái)判斷。一般應(yīng)保證焊接接頭焊后為銀白色。
表4-21 氬氣的保護(hù)效果要求
通常采用在焊槍上加氣體保護(hù)拖罩的背面加氣體保護(hù)墊板的方法來(lái)加強(qiáng)保護(hù)。鈦及鈦合金管道焊接常用的保護(hù)方法如圖4-24所示。
圖4-24 鈦及鈦合金管道焊接時(shí)的局部保護(hù)措施
1—焊槍；2—充氬罩；3—不銹鋼管道；4—擋板
5.鎢極氬弧焊
①焊接α型鈦合金宜采用較小的輸入，工業(yè)純鈦的冷卻速度為10～200℃/s，TC1合適的冷卻速度為12～150℃/s，TC4合適的冷卻速度為2～40℃/s。噴嘴與焊件的距離一般在6～10mm的范圍內(nèi)，焊接速度控制在確保350℃以上的焊件高溫區(qū)能處在氬氣的保護(hù)之下。用高純度的氬氣進(jìn)行焊接，氬氣純度不得低于99.99%。氬氣流量以達(dá)到良好的焊縫表面色澤為準(zhǔn)。
②手工鎢極氬弧焊時(shí)，焊絲與焊件間應(yīng)盡量保持最小的夾角（10°～15°），焊絲沿熔池前端有節(jié)奏地送入熔池。不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū)。
③焊槍的移動(dòng)按左向焊法，基本不做橫向擺動(dòng)，當(dāng)需要擺動(dòng)時(shí)，頻率要低，擺幅不宜過(guò)大。偶然斷弧及焊縫收尾處要繼續(xù)通氣保護(hù)，直至接頭冷卻至350℃以下。
焊接鈦及鈦合金推薦的手工鎢極氬弧焊焊接參數(shù)見(jiàn)表4-22。
表4-22 手工鎢極氬弧焊焊接參數(shù)
續(xù)表
6.熔化極氬弧焊
①熔化極氬弧焊適于焊接厚度大于10mm的鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)。由于這種方法有較大的熱功率，可減少焊接層數(shù)，提高焊接速度，從而能提高生產(chǎn)率。另外，這種方法產(chǎn)生氣孔的傾向也較鎢極氬弧焊時(shí)小。其主要特點(diǎn)是存在飛濺問(wèn)題。
②焊前焊件和焊絲清理、焊絲選用及焊后熱處理均與鎢極氬弧焊時(shí)相同。焊件局部保護(hù)措施也與鎢極氬弧焊時(shí)相似，只是由于熔化極氬弧焊焊接速度較高、高溫區(qū)較長(zhǎng)，氣體拖罩要適當(dāng)加長(zhǎng)，并用流水冷卻。
③由于熔化極氬弧焊焊接時(shí)填絲較多，焊件坡口角度較大，厚15～25mm的焊件一般選90°單面V形坡口，或不開(kāi)坡口留1～2mm間隙正反面各焊一道。
5mm厚鈦及鈦合金焊件熔化極氬弧焊的參數(shù)見(jiàn)表4-23。較薄件適宜于用熔滴短路過(guò)渡焊接，較厚件適宜于用熔滴噴射過(guò)渡焊接。
表4-23 鈦及鈦合金熔化極氬弧焊焊接參數(shù)
三、鈦合金焊接操作實(shí)例
1.母液蒸餾塔（TA2）的手工鎢極氬弧焊
某工廠加工一臺(tái)母液蒸餾塔，所使用的材料為TA2，壁厚6mm?！澳敢赫麴s塔”直徑2800mm，高約20000mm，筒體用2000mm×6000mm×8mm板料拼焊成形，采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。
（1）焊前準(zhǔn)備。
①坡口必須采用機(jī)械加工，不允許采用氧乙炔焰切割或砂輪磨削。
②加工后的坡口在焊接邊緣兩側(cè)50mm范圍內(nèi)酸洗3～10min，酸洗液配方為10%HF，30%HNO3，其余為H2O，溫度為20℃。酸洗后用流動(dòng)清水沖洗5min，取出室內(nèi)晾干備用。
③焊前再用綢布蘸酒精（99.8%）擦抹后施焊，并檢查水、電、氣及保護(hù)氣路是否暢通。
④坡口及組對(duì)形式見(jiàn)圖4-25。
（2）焊接。
①采用直流正接，鎢極型號(hào)為WCe-20，規(guī)格為φ2.5mm。
②噴嘴直徑為12～18mm，噴嘴至試件距離為5～12mm，鎢極伸出長(zhǎng)度為6～12mm，其尖端至試件距離為1.5～2.5mm。
圖4-25 坡口及組對(duì)形式
③焊絲采用TA2，正面、背面保護(hù)氣體的純度為99.99%純氬氣。
④焊前不預(yù)熱，在室溫下焊接，層間溫度≤100℃。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表4-24。
表4-24 母液蒸餾塔（TA2）的手工鎢極氬弧焊的焊接參數(shù)
⑤定位焊。先進(jìn)行裝配，兩端定位點(diǎn)焊各5mm，間隙2～2.5mm，將試件放在通氬氣的銅墊上，如圖4-26所示。
⑥打底焊。
a．引弧應(yīng)在墊板內(nèi)充氬氣，保護(hù)罩充氬后進(jìn)行。鎢極端部離開(kāi)坡口面1.5～2.5mm，利用高頻裝置引燃電弧。
b．采用連續(xù)送絲法，當(dāng)電弧將焊接熔池前方熔出φ3～5mm孔洞時(shí)，在熔洞部位開(kāi)始送絲，送絲節(jié)奏要快，動(dòng)作敏捷不宜中斷，焊絲端部不能抽離保護(hù)區(qū)，保護(hù)罩隨著跟進(jìn)。
c．焊槍及工件的夾角見(jiàn)圖4-26。
d．控制好保護(hù)氣流是焊接關(guān)鍵，所以在焊接時(shí)除控制熔洞保持不變外，焊槍運(yùn)動(dòng)要穩(wěn)，焊絲不能攪動(dòng)，打底層不宜太厚，一般在2mm左右。熔洞大小，取決于焊接電流，送絲速度，而當(dāng)電流不變時(shí)，就控制送絲速度，當(dāng)熔洞小時(shí)，暫緩送絲，但焊絲不能離開(kāi)電弧保護(hù)區(qū)，以免氧化。
圖4-26 定位焊示意圖
1—焊絲；2—焊槍；3—保護(hù)罩；4—焊件；5—通氬氣的銅墊
e．在焊接過(guò)程中，盡量避免停弧，一旦停弧，重新引弧后必須打開(kāi)熔洞后才能填絲前進(jìn)。
f．為防止收弧后的縮孔或因此而引起的火口裂紋等，在收弧時(shí)，應(yīng)快速送進(jìn)2～3滴焊絲，然后利用衰減電流直至斷弧，但焊槍不能離開(kāi)弧坑，應(yīng)停留30～50s后移開(kāi)。
⑦填充及蓋面焊接。
a．清理打底層表面，控制層間溫度。
b．焊接參數(shù)變化見(jiàn)表4-24，焊槍、焊絲與工件的相對(duì)位置與打底焊相同。
c．焊槍不能橫向擺動(dòng)，仍是平穩(wěn)的由右向左運(yùn)動(dòng)，控制焊縫邊緣的熔化范圍為1mm左右，控制加強(qiáng)高為0.5～1mm。
焊后對(duì)焊縫進(jìn)行表面檢驗(yàn)，85%呈銀白色，其余呈金黃色，并對(duì)焊縫進(jìn)行X射線探傷，達(dá)到JB4730—1994的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。
2.鈦加熱器（TA2）的手工TIG焊
35m3的鈦加熱器是生產(chǎn)硫酸銨的主要設(shè)備之一。加熱器為管板式結(jié)構(gòu)，高度為1000mm，內(nèi)徑為1200mm，管板直徑為1340mm，管板厚度為22mm，外套板厚度為4mm。加熱器內(nèi)部安裝有384根φ33mm×2mm的列管。其材質(zhì)為TA2。該加熱器采用手工鎢極氬弧焊焊接。
（1）管板的拼焊。
①管板由5塊板拼焊成圓形的管板，如圖4-27所示。
②坡口形式如圖4-28所示。
圖4-27 管板的拼焊
圖4-28 坡口形式
③焊接時(shí)，正面采用氣體拖罩進(jìn)行保護(hù)，背面采取通氬保護(hù)。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4-25。
④管板焊后置于600℃的油爐中加熱，保溫1h。當(dāng)管板冷卻到常溫后在輥床上予以矯正。
表4-25 管板拼焊的工藝參數(shù)
（2）外套板的拼焊。
①外套板采用I形坡口的雙面對(duì)接焊進(jìn)行拼焊。焊接時(shí)，如管板拼焊時(shí)一樣對(duì)焊接接頭兩面進(jìn)行保護(hù)。
②焊接參數(shù)見(jiàn)表4-26。
表4-26 外套板拼焊的工藝參數(shù)
（3）管子與管板的焊接。
①加熱器外套和列管與管板焊接時(shí)的氣體保護(hù)是采取在加熱器內(nèi)部全部充氬的方法。充氬量可用充氬壓力和流量的大小來(lái)衡量，還可用明火靠近焊接區(qū)的辦法進(jìn)行補(bǔ)充檢查。當(dāng)火焰立即熄滅，同時(shí)又聽(tīng)不到噴射氣流的咝咝響聲時(shí)，確認(rèn)氣體保護(hù)效果良好。
②焊接參數(shù)見(jiàn)表4-27。
表4-27 管子與管板焊接的工藝參數(shù)
③加熱器焊后進(jìn)行整體退火處理，加熱溫度為550℃，保溫150min。出爐后用砂輪將表面上的暗藍(lán)色的氧化膜除去。
該加熱器投入使用后已正常運(yùn)行數(shù)年，焊縫和母材金屬表面仍保持安裝時(shí)的金屬光澤。
