工業(yè)純鈦的鎢極氬弧焊焊接及焊接注意事項(xiàng)

閆 峰

（朝陽市聯(lián)誠機(jī)電安裝有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鈦分為工業(yè)純鈦與化學(xué)純鈦，化學(xué)純鈦的化學(xué)穩(wěn)定性很好，但強(qiáng)度很低。由于高純度的鈦強(qiáng)度較低它作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用意義不大，故在工業(yè)中很少用，目前在工業(yè)中廣泛使用的是工業(yè)純鈦和鈦合金，TA2是工業(yè)的一種與化學(xué)純鈦不同之處是，它含有較多的氧、氮、碳及多種其他雜質(zhì)元素（如鐵、硅等）它實(shí)質(zhì)上是一種低合金含量的鈦合金。與化學(xué)純鈦相比，由于含量有較多的雜質(zhì)元素使其強(qiáng)度大大提高，它的力學(xué)性能與化學(xué)性與不銹鋼相似(但是和鈦合金相比，強(qiáng)度仍然較低)。

工業(yè)純鈦的特點(diǎn)是強(qiáng)度不高，但塑性好，易于加工成型，沖壓、焊接、可切割加工性能良好，在大氣、海水、濕氯氣及氧化，中性，弱還原性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，抗氧化性優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼，但耐熱性較差，使用溫度不高，在工業(yè)結(jié)構(gòu)中，常用的純鈦是TA2因其耐蝕性能和綜合力學(xué)能適中，而在工業(yè)結(jié)構(gòu)中廣泛使用。實(shí)際上多用于350攝氏度以下的工作條件，根據(jù)鈦合金退火狀態(tài)的室溫組織，可將鈦合金分為三種類型：α型鈦合金，（α+β）型鈦合金及β型鈦合金，α型鈦合金中，應(yīng)用較多的是TA1系列和TA2系列（JB4745鈦制壓力容器）β型鈦合金在我國的應(yīng)用量較少，適用范圍有待進(jìn)一步擴(kuò)大。工業(yè)純鈦TA1.TA2系列主要用作，船舶用耐海水腐蝕管道，閥門，泵，海水淡化系統(tǒng)零部件，化工上的熱交換器，泵體蒸餾塔，冷卻器攪拌器等，在醫(yī)藥，石化等機(jī)械廣泛使用中和我們的生活息息相關(guān)，以TA2為例，TA2的鈦含量、氧含量為0.008%，氫含量為0.0009%，氮含量為 0.0062%時(shí)，具有很好的低溫韌性和高的低溫強(qiáng)度可用作-259攝氏度以下的低溫結(jié)構(gòu)材料，TA2在室溫的抗拉強(qiáng)度不低于480MPA。

1 二鈦及鈦合金的焊接性

在常溫下，鈦及鈦合金的是比較穩(wěn)定的，但是實(shí)驗(yàn)證明，鈦材在高溫下對(duì)氧，氮，氫和碳等有很強(qiáng)的親和力，在焊接過程中，液態(tài)熔滴和熔池金屬具有強(qiáng)烈吸收氫氧氮的作用，而且在固態(tài)下，這些氣體已與其發(fā)生作用，隨著溫度的升高，鈦及鈦合金的吸收氫氧氮的能力也隨之明顯上升，大約在250攝氏度左右開始吸收氫，在300攝氏度以上快速吸氫，氫是氣體雜質(zhì)中對(duì)鈦的機(jī)械性能影響比較嚴(yán)重的因素，焊縫中氫含量對(duì)焊縫沖擊性能影響最為顯著主要原因隨著焊縫含氫量增加，焊縫中析出的片狀或針狀 TIH2增加，TIH2強(qiáng)度很低，片狀或針狀的TIH2的作用例為缺口，沖擊性能顯著降低，焊縫含氫量變化對(duì)強(qiáng)度的提高及塑性的降低的作用不很明顯，在此時(shí)焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的鈦及鈦合金的焊接顏色為金黃色。在540攝氏度以上生成不致密氧化膜。600攝氏度以上快速吸氧，氧在鈦的α相和β相中都有較高的溶解度，并能形成間隙深相，使用全鈦的晶傷中嚴(yán)重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強(qiáng)度，使塑性顯著降低。為了保證焊接接頭的性能，除了在焊接過程中嚴(yán)防焊縫及焊接熱影響區(qū)發(fā)生氧化外，同時(shí)還應(yīng)限制基本金屬及焊絲中的含氧量，此時(shí)的焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的表面顏色為藍(lán)色或紫色。700攝氏度以上快速吸氮，鈦在700攝氏度以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生作用，形成TIN而且氮與鈦形成間隙固溶體時(shí)所引起的晶格歪挪程度比適量的氧引起的后果更嚴(yán)重，因此氮對(duì)提高工業(yè)純鈦焊縫的抗拉強(qiáng)度，硬度降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。此時(shí)焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的表面顏色為灰色或暗灰色?？諝庵泻写罅康难鹾偷伈牡暮附颖仨氃跉鍤獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，在鈦材的焊接中不能使用普通的氬氣，如焊接碳素鋼，低合金鋼或不銹鋼的99.9%的氬氣，因?yàn)樵诤?9.9%的氬氣中有0.1%的其他氣體雜質(zhì)，它們主要是氧氮?dú)涞?，在焊接電弧的高溫作用下可以和鈦及鈦合金的金屬結(jié)合，從而降低鈦材的機(jī)械性能和抗腐蝕性能。所以鈦材的焊接中要使用高純度氬氣 99.99%以減少因氬氣純度低而降低鈦材機(jī)械性能和抗腐蝕性能并符合GB/T4842的規(guī)定也可以用氦氣。

碳的影響，碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質(zhì)，試驗(yàn)表明當(dāng)碳含量為 0.13%時(shí)碳因?yàn)樯钤讦菱佒?，焊縫強(qiáng)度極限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用強(qiáng)烈，但是當(dāng)進(jìn)一步提高焊縫含碳量時(shí)，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀 TIC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋，因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不大于0,1%焊縫含碳量不超過母材含碳量。其他雜質(zhì)元素的沾污也會(huì)引起脆化現(xiàn)象。

鈦材是一種活性元素，特別是在焊接高溫下容易吸收氮、氫、氧，從而使焊縫的硬度、強(qiáng)度增加，塑性韌性減低，引起脆化，碳也會(huì)與鈦形成硬而脆的 TIC，易引起裂紋。鈦材的焊接應(yīng)在空氣潔凈，無塵無煙的環(huán)境下進(jìn)行，因鈦和鋼等許多金屬不能熔焊，鈦在熔焊中嚴(yán)禁混入鋼鐵和其它金屬，同時(shí)也要注意空氣中鐵離子含量，避免鐵離子污染，在鈦材的打磨和清理中應(yīng)采用不銹鋼絲刷和碳化硅砂輪，用丙酮或酒精進(jìn)行焊前清理。

在多年的生產(chǎn)加工中體會(huì)到焊接時(shí)由于鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小，熔點(diǎn)較高，高溫停留時(shí)間長冷卻速度慢，焊接時(shí)容易出現(xiàn)熱量集中，高溫停留時(shí)間長，而導(dǎo)致熔合區(qū)晶粒粗大，降低接頭綜合性能，若采用加速冷卻又易產(chǎn)生針狀α組織，也會(huì)使塑性降低。

鈦及鈦合金的焊接時(shí)，焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的幾率極小，這是因?yàn)殁伡扳伜辖鹬械腟,P,C等雜質(zhì)含量很少，有S,P 形成的低熔點(diǎn)共晶不易出現(xiàn)在晶界上，產(chǎn)生有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄，鈦及鈦合金凝固時(shí)收縮量小，焊縫金屬不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，只有在焊絲或母材質(zhì)量有問題時(shí)才可能產(chǎn)生裂紋，由氫引起的冷裂紋才是鈦及鈦合金焊接時(shí)應(yīng)注意和防止的，冷裂紋其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時(shí)甚至更長時(shí)間稱為延遲裂紋。這種裂紋與焊接過程中氫原子的擴(kuò)散有關(guān)，鈦及鈦合金發(fā)生在焊縫區(qū)，裂紋走向沿晶或穿晶，焊接過程中氫由高溫熔池向較低溫的熱影響區(qū)擴(kuò)散，氫含量的提高使該區(qū)析出 TIH2量增加，增大熱影響區(qū)脆性，實(shí)驗(yàn)證明接頭含氫量越高則裂紋的裂紋的敏感性越大，另外由于氫化物析出時(shí)體積膨脹引起較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子向該區(qū)的高應(yīng)力部位擴(kuò)散及聚集，以致形成裂紋。防止產(chǎn)生延遲裂紋的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源，氫的主要來源是焊接材料中的水分，焊件坡口處的油污及環(huán)境。

鈦及鈦合金焊接時(shí)，焊接氣孔是經(jīng)常碰到的問題，形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結(jié)果，焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強(qiáng)度。防止產(chǎn)生氣孔的主要方法有：（1）徹底清除焊件表面，焊絲表面的氧化皮，油污等有機(jī)物的存在。（2）要保證施焊，即保護(hù)氬氣的純度，氬氣的純度應(yīng)不低于 99.99%（3）保證施焊過程中氬氣對(duì)焊縫的，焊接區(qū)及熱影響區(qū)良好的氣體保護(hù)效果。（4）正確選擇焊接工藝參數(shù)增加深池停留時(shí)間，使氫原子氣泡逸出，可以有效的減少氣孔的產(chǎn)生。

鈦及鈦合金的焊接場地應(yīng)為獨(dú)立區(qū)域。若在鐵材作業(yè)車間內(nèi)，應(yīng)分割成一個(gè)獨(dú)立的，封閉的鈦材焊接間，在鈦材的焊接環(huán)境下要注意以下情況應(yīng)禁止應(yīng)禁止施焊當(dāng)風(fēng)速大于1.5m/s，相對(duì)濕度＞80%以上兩種情況是指以電弧為中心的一米范圍內(nèi)，當(dāng)焊件溫度低于5攝氏度時(shí)，可以對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱寬度應(yīng)為始焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15攝氏度以上，而在有雨雪時(shí)（室外作業(yè)時(shí)）注意防雨雪措施。

2 鈦材的焊絲與焊接設(shè)備

焊絲（包括填充絲）應(yīng)使正常焊接工藝下的焊縫焊后狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度不低于母材退火狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)下限值，焊縫焊后狀態(tài)的塑性和耐蝕性能不低于退火狀態(tài)的母材或母材相當(dāng)，所以焊絲的氮、氧、碳?xì)?、鐵等雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值應(yīng)低于母材雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值，國內(nèi)有些制造廠從母材鈦板上裁條作為焊絲，這樣使得鈦焊縫塑性和韌性比母材低得多，到使鈦設(shè)備的焊縫開裂成了鈦制設(shè)備的主要失效形式，鈦制設(shè)備的機(jī)械性能降低（拉神、彎曲）。焊絲應(yīng)保持清潔干燥，施焊前應(yīng)去除端部以被氧化的部分，焊絲表面如果有氧化應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗。鎢極氬弧焊時(shí)推薦采用鈰鎢電極也可采用其他鎢極。焊接前應(yīng)對(duì)焊接坡口及其兩側(cè)各25mm，范圍內(nèi)進(jìn)行表面清理，去除油污、氧化物、水分、有機(jī)雜質(zhì)等，施焊前用丙酮或乙醇清洗脫脂。如清洗后4h未焊，焊前應(yīng)重新清洗。

3 焊接要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

在手工鎢極氬弧焊時(shí)（以平板對(duì)接為例）我們所使用的焊接電流種類為直流正接，它的熔深深，熔寬窄的特點(diǎn)，在兩極熱量比例中，工件70%而鎢極30%的熱量，因沒有陰極清理作用所以我們要在焊接前認(rèn)真做好焊前的每一項(xiàng)工作。平焊是最容易焊接的焊接位置，首先要進(jìn)行定位焊，在鈦焊的定位焊時(shí)（定位焊的長度30～50mm）焊接完成后焊槍和焊絲不要離開焊件，焊件在焊槍的滯后停氣時(shí)有1～2min的送氣時(shí)間可對(duì)定位焊的焊縫進(jìn)行隔離空氣和對(duì)高溫金屬的冷卻，在定位焊完成后進(jìn)行封底焊接，焊接時(shí)應(yīng)減少焊槍角度，使電弧熱量集中在焊絲上，采取較小的焊接電流，加快焊接速度和送絲速度，避免焊縫下凹和燒穿，在焊接過程中密切注意焊接工藝參數(shù)的變化及相關(guān)系數(shù)，隨時(shí)調(diào)整焊接速度和焊槍角度，保證背面焊縫成形良好，在焊接的同時(shí)也要注意焊槍后面的惰性氣體保護(hù)拖罩，和焊件背面的惰性氣體保護(hù)拖罩，保護(hù)拖罩可用1.5mm的銅板做成長120mm寬80mm高50mm的長方κα體見圖1。

圖1 保護(hù)拖罩

圖中φ6為1.5mm厚的銅管，在銅管上鉆8個(gè)等距的φ1的孔用來能夠勻速出氣。

在正面焊接時(shí)，正面保護(hù)焊時(shí)保護(hù)拖罩離焊槍的距離以8～12mm為益，過遠(yuǎn)焊縫的保護(hù)的保護(hù)效果不好，容易產(chǎn)生紫色或灰色，降低焊縫金屬的抵抗腐蝕的能力，過進(jìn)不利于焊槍的操作，而產(chǎn)生焊接缺陷。在焊接同時(shí)也要注意焊縫的背面保護(hù)，為能使焊縫背面保護(hù)的更好背面的保護(hù)拖罩比正面的保護(hù)的保護(hù)拖罩長30～40mm，保護(hù)罩的前端在焊接電弧前 10～20mm從而使整個(gè)焊縫在焊接過程中全部在氬弧的保護(hù)下，已得到性能優(yōu)良的焊縫的焊縫組織。平焊時(shí)焊槍與填絲及焊件的位置見圖2。

在圖中焊槍與拖罩正面平行，焊槍與工件成 70～80度角，焊絲與工件成20～30度夾角。

圖2 焊槍與填絲及焊件的位置

焊接時(shí)，首先要檢查圓弧坑的焊縫質(zhì)量，如果保護(hù)效果好，無氧化等缺陷時(shí)，可直接接頭。如果有缺陷，要處理完缺陷，方能進(jìn)行焊接。接頭方法是在弧坑右側(cè)15～20mm側(cè)引弧，慢慢向左移，等弧坑開始熔化，并形成熔池和熔孔后，進(jìn)行送絲焊接，收弧時(shí)要注意焊槍與工件的夾角，加大焊絲容化量填滿弧坑，打底焊完成以后，要進(jìn)行填充焊，填充焊接時(shí)注意事項(xiàng)同打底焊焊槍的橫向擺動(dòng)幅度比打底時(shí)稍大，在坡口兩側(cè)稍加停留，保護(hù)坡口兩側(cè)熔合好，焊道均勻填充焊時(shí)不要熔化坡口的上棱邊，焊道比工件表面低 1～1.5mm左右。最后蓋面焊，要進(jìn)一步加大焊槍擺動(dòng)幅度，保證熔池兩側(cè)超過坡口棱邊0.5～1.5mm左右。根據(jù)焊縫的余高決定填充速度和焊接速度。焊接完成后在不改變焊縫區(qū)和熱影響原始狀態(tài)的表面顏色進(jìn)行檢驗(yàn)表1（注2）。

表1 鈦焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的規(guī)定