钛合金焊接的常见缺陷及其预防思考

梁明阳，彭小洋，于多，韩世伟

（重庆铁马工业集团有限公司，重庆 400050）

基于钛合金的种类划分，本文主要围绕单一α相的钛合金（TA2）进行研究。结合实际调研可以发现，钛合金（TA2）焊接缺陷主要源于气体等杂质污染，以及碳、硫、磷带来的影响，为保证钛合金焊接质量，焊接缺陷的针对性预防必须引起重视。

1 钛合金焊接的常见缺陷分析

1.1 焊接缺陷机理分析

在250℃左右，钛合金开始吸收氢，钛合金吸收氧会从400℃开始，吸收氮会从700℃开始，由于大量的氮和氧存在于空气中，钛合金焊接很容易受到氧气和氮气的影响，如采用氩弧焊枪进行钛合金焊接，焊接过程中形成的氩气气体保护层仅能够保证焊接熔池，处于高温状态的已凝固部位附近区域焊缝很容易受到空气的影响，无保护作用下的高温焊缝及附近区域将大量吸收空气中的氧气和氮气，由此逐步加重的氧化程度也将影响钛合金焊缝颜色，因此，钛合金焊接质量可以通过焊缝颜色直接展示。无氧化情况下，钛合金焊缝呈银白色；轻微氧化（TiO）情况下，钛合金焊缝呈金黄色；氧化稍微严重（Ti2O3）情况下，钛合金焊缝呈蓝色；氧化严重（TiO2）情况下，钛合金焊缝呈灰色。

1.2 气体等杂质污染

深入分析钛合金焊接可以发现，焊接缺陷与气体等杂质污染联系紧密，焊接接头质量很容易受到影响。钛及钛合金在常温下极为稳定，但在钛合金焊接过程中，由于液态熔滴和熔池金属对氢、氧、氮的吸收作用极为强烈，且固态下钛及钛合金会与这些气体发生反应，这就使得焊接过程中不断升高的温度会导致钛及钛合金吸收气体的能力不断提高，从250℃、400℃、700℃开始，钛及钛合金将分别开始吸收氢、氧、氮，在钛及钛合金吸收这些气体后，焊接结构将出现脆化问题，焊接缺陷也会随之产生。

（1）氢的影响。围绕氢的影响进行分析可以发现，钛合金焊接中，钛及钛合金很容易因氢这一气体杂质出现机械性能问题，焊缝冲击性能受到的焊缝含氢量变化影响极为显著，随着焊缝含氢量的增加，焊缝中会析出更多的针状或片状TiH2，受强度较低的TiH2影响，钛及钛合金的冲击性能自然会随之下降。氢会在钛合金焊接过程中，由高温熔池向热影响区与低温焊缝区扩散，不断增加的氢含量也会导致热影响区出现脆性增加问题。同时，氢化物的膨胀和析出还会产生较大的组织应力，向该区高应力部位聚集或扩散的氢原子将导致裂纹出现。钛合金焊接还很容易出现气孔缺陷，这一缺陷同样源于氢的影响，钛合金焊接后的疲劳强度会因焊接接头的气孔出现显著下降。

（2）氧的影响。分析氧的影响可以发现，随氩气中含氧量的增加，钛合金焊缝中的含氧量会随之直线上升，而受到不断上升的焊缝含氧量影响，钛合金焊缝的抗拉强度和硬度将不断增加，但同时会出现塑性的显著下降。为保证钛合金焊接接头性能，钛合金焊接的焊接热影响区及焊缝氧化必须得到针对性控制。

（3）氮的影响。分析氮的影响可以发现，钛及钛合金会在700℃以上高温下发生反应，脆硬的氮化钛也会随之形成，而在形成间隙固溶体时，钛与氮会引起一定程度的晶格变形，相较于等量的氧，这一变形对钛合金焊接性能的影响更为深远，钛及钛合金的硬度和强度会由此提升，韧性和塑性则会大幅下降，如存在0.13%以上的焊缝含氮量，钛合金焊缝将因过脆而出现裂纹，影响正常使用。

1.3 碳、硫、磷的影响

（1）碳的影响。钛合金焊接接头质量会直接受到碳的影响，作为钛及钛合金中常见杂质，碳直接影响焊缝的塑性和强度，如钛合金焊缝中碳含量小于0.013%，焊缝的塑性会出现一定下降，同时，强度会有所提升，相较于氧、氮，此时，碳的作用相对较弱。如钛合金焊缝中含碳量进一步增加，网状的TiC将出现于钛合金焊缝，且TiC含量会随碳含量增加而增多，此时，钛合金焊缝的塑性将急剧下降，裂纹在焊接应力作用下也很容易出现。如钛合金焊缝存在0.55%的含碳量，焊缝塑性将完全消失，焊缝会因此变为非常脆的材料，且碳带来的脆性无法通过焊后热处理消除。基于国内技术规定可以了解到，钛合金木材需将含碳量控制在0.1%内。

（2）硫、磷的影响。对于钛合金焊接来说，裂纹的产生与钛合金中的硫、磷存在较为密切关联。在焊接过程中，低熔点共晶物会因硫、磷形成于焊缝晶界上，受快速加热、快速冷却影响，内应力也会出现于钛合金焊缝，最终引发裂纹。由于含硫、磷量相对减小，钛合金熔池凝固时存在较小的收缩量，焊接接头因此产生裂纹的倾向也相对较小。

2 钛合金焊接常见缺陷预防措施

2.1 钛合金焊接缺陷基本措施

为有效预防钛合金焊接缺陷，可从以下几方面预防措施入手：第一，采用氩弧焊进行钛合金焊接；第二，保证焊接场地的干燥、清洁，采用不锈钢材料制成的除污物用钢丝、装配平台；第三，施焊、装配等工作人员需穿着无油污、洁净的工作服，并佩带白细纱布手套进行作业，不得佩带线手套；第四，需认真清理焊丝表面及焊接区，采用工业酒精和丙酮脱脂进行清洗，保证晒干后能够露出金属光泽，焊丝和工件在清理后的4h内需完成焊接；第五，需采用99.99%以上纯度的保护气体（氩气）进行焊接作业，为增大焊接区的保护效果，需同时采用拥有较大直径的喷嘴；第六，保护焊缝表面及背面，以此规避空气的侵蚀，需重点关注管道内部及板反面气槽、保护气体拖罩氩气流量的正常供给；第七，基于实验和以往经验科学选择焊接接头型式及工艺参数，并保证焊接顺序和装配焊接方法的正确性；第八，对焊接温度变化进行针对性控制，避免温度过低导致钛合金材料对铁、碳、氢、氧、氮等气体或元素的吸收，由此合理控制焊接温度，保证熔池中气体的溶解降至最低

2.2 焊接接头型式及焊接工艺参数控制

在焊接接头型式的选择中，如采用无坡口对接，且板厚在1.5mm与2.0mm，需将间隙控制在0～0.5mm。如采用V型坡口对接，且板厚在4.0mm，间隙需控制在0.5～1.0mm。在焊接工艺参数控制中，对于1.5mm与2.0mm的管板厚壁，焊丝直径、钨极直径、电弧电压、电流强度需分别控 制 为2.0mm、2.0mm、10～15V、50～80A/70～100A，对于4.0mm的管板厚壁，焊丝直径、钨极直径、电弧电压、电流强度需分别控制为2.0mm、2.0mm、12～17V、110～120A，同时，正面、反面、保护罩的氩气流量均需要控制为13～15L/min、8～12L/min、15～50L/min。为更好地预防钛合金焊接，焊缝表面颜色检验也不容忽视，需基于焊缝表面氧化膜颜色判断焊缝的氧化效果与保护效果，如银白色的氧化膜颜色说明不存在氧化且保护效果为“好”，紫红色的氧化膜颜色说明氧化效果较轻且保护效果“较好”，灰色的氧化膜颜色说明氧化效果剧烈且保护效果“差”，由此即可更有针对性地保证钛合金焊接质量。

3 结语

综上所述，钛合金焊接会受到多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的焊接陷机理分析、气体等杂质污染、钛合金焊接缺陷基本措施、焊接接头型式及焊接工艺参数控制等内容，则直观地展示了钛合金焊接质量控制路径。为更好地保证钛合金焊接质量，还应关注保护效果不理想接头的处理，如采用不锈钢丝刷或酸洗的方式进行处理，即可保证焊缝不会出现持续氧化情况。