鈦及鈦合金的焊接

李興宇，李 芳，2，牟 剛，2，華學(xué)明，2，王 敏，2，孔 諒，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海200240；2.先進(jìn)船舶與深?？碧絽f(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

鈦及鈦合金的焊接

李興宇1，李 芳1，2，牟 剛1，2，華學(xué)明1，2，王 敏1，2，孔 諒1，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海200240；2.先進(jìn)船舶與深海勘探協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

鈦及鈦合金因其優(yōu)異的綜合性能和獨(dú)特功能被廣泛應(yīng)用于航空航天和海洋工程等重要領(lǐng)域，而不同類型的鈦及鈦合金的性能各不相同。介紹鈦及鈦合金的分類及其焊接特性，分別描述工業(yè)純鈦、α型鈦合金、α+β型鈦合金、近β和β型鈦合金的分類方法、添加元素及基本特性，綜述不同類型的鈦及鈦合金的國(guó)內(nèi)外焊接研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)關(guān)注各種鈦及鈦合金的焊接方法、焊后組織和性能，歸納總結(jié)各種鈦及鈦合金的主要焊接方法為TIG焊、激光焊和電子束焊。

鈦；鈦合金；激光焊；電子束焊；鎢極氬弧焊

0 前言

鈦及鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異的綜合性能，以及形狀記憶、生物相容等獨(dú)特功能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、石油化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。由于鈦合金多應(yīng)用于重要、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件中，而焊接技術(shù)在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、高效、減少材料消耗等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，因此需要大力發(fā)展鈦合金的焊接技術(shù)[4]。

1 鈦及鈦合金的分類及焊接性

鈦是同素異構(gòu)體，在882℃以下為HCP結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；882℃以上呈BBC結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。工業(yè)純鈦中主要含有氧、鐵、碳、硅等雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)元素多起到固溶強(qiáng)化作用。工業(yè)純鈦具有中等的強(qiáng)度、良好的塑韌性和優(yōu)秀的耐腐蝕性能[5-7]。

以鈦為基加入其他元素組成鈦合金，主要分為α型、近α型、α+β型、近β型和β型鈦合金。α型鈦合金中加入了α穩(wěn)定元素Al，具有韌性好、抗氧化能力強(qiáng)、焊接性優(yōu)良等特點(diǎn)；近α型鈦合金中加入了少量β穩(wěn)定元素，抗蠕變性能和耐熱性較好；近β型鈦合金中β穩(wěn)定元素略高于臨界濃度，具有高強(qiáng)度和良好的塑韌性；β型鈦合金[8]中含有大量Mo、V等β穩(wěn)定元素，加工性能好，但高溫性能和焊接性較差；α+β型鈦合金兼顧有α型和β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，為目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金。

鈦及鈦合金的特性如下[9-10]：

（1）鈦的熔點(diǎn)高（純鈦熔點(diǎn)1 720℃）、導(dǎo)熱性差，焊接過(guò)程中極易過(guò)熱而導(dǎo)致組織粗化，焊接時(shí)需要控制熱輸入量，防止晶粒粗化。

（2）接頭易脆化。鈦在高溫下活性強(qiáng)，極易被空氣、油污、水分等污染導(dǎo)致接頭的塑性和韌性降低，造成接頭脆化。因此焊接時(shí)需對(duì)熔池和溫度較高部位進(jìn)行有效保護(hù)。

（3）冷裂紋傾向大。當(dāng)接頭中氫、氧、氮等元素含量較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接頭變脆，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力作用下易開(kāi)裂。

（4）氣孔率大。鈦在高溫下吸氫、吸氧、吸氮，與這些元素發(fā)生反應(yīng)極易產(chǎn)生氣孔。

（5）焊接變形大。鈦的彈性模量較小，焊接殘余變形大，因此焊接時(shí)應(yīng)將工件壓緊。

2 鈦及鈦合金的焊接研究現(xiàn)狀

2.1 工業(yè)純鈦

工業(yè)純鈦強(qiáng)度中等、塑性優(yōu)良、耐腐蝕性能優(yōu)異，其焊接的相關(guān)研究主要集中在TIG焊和激光焊。

S.M.Carvalho、劉芝俠等人分別研究了純鈦的激光焊接。S.M.Carvalho[11]對(duì)壁厚0.5 mm的TA2管采用激光功率200 W、焊接速度2 m/min和激光功率250 W、焊接速度3 m/min兩種參數(shù)焊接，焊縫兩側(cè)柱狀晶向中心生長(zhǎng)，焊縫中心為等軸晶并存在孿晶，晶粒內(nèi)部為交錯(cuò)排列的針狀馬氏體；熱影響區(qū)的晶粒沿?zé)崃鞣较蚵晕⒈焕L(zhǎng)；焊縫硬度高于母材，接頭拉伸強(qiáng)度也高于母材。激光功率200 W，焊接速度2 m/min的接頭疲勞強(qiáng)度值最高，接近母材。劉芝俠[12]對(duì)3 mm厚TA2板材進(jìn)行激光焊接，激光功率3 kW，焊接速度3 m/min，焊縫組織為針狀α'、沿晶界析出的α相和鋸齒狀α相，接頭相對(duì)母材抗拉強(qiáng)度有所提高，塑性下降。

A.Karpagaraj、劉治宇、郭靖等人分別研究了純鈦的TIG焊接。A.Karpagaraj[13]和劉治宇[14]的研究均顯示熱影響區(qū)和焊縫晶粒明顯比母材粗大，焊縫組織為沿著β晶界向不同方向生長(zhǎng)的層片狀α晶和相對(duì)細(xì)小的針狀α'相；拉伸實(shí)驗(yàn)均斷裂于母材，接頭強(qiáng)度超過(guò)母材強(qiáng)度，延伸率無(wú)明顯下降，拉伸性能良好；焊縫硬度值最高，熱影響區(qū)次之，這是因?yàn)榧?xì)片狀α相越多，硬度值越高。劉治宇[14]對(duì)5mm厚TA2板TIG焊的研究得出，最佳工藝參數(shù)為焊接電流170 A、焊接速度2 mm/s。A.Karpagaraj[13]采用的保護(hù)方式為：一級(jí)保護(hù)為常規(guī)焊槍中通氣以保護(hù)熔池；二級(jí)保護(hù)為在焊槍后面安裝隨焊前行的拖罩，以保護(hù)仍處于高溫的焊道，同時(shí)背面通保護(hù)氣以保護(hù)焊縫背面。郭靖[15]對(duì)壁厚5 mm的TA2管材進(jìn)行雙層TIG焊，對(duì)接頭進(jìn)行電極電位腐蝕實(shí)驗(yàn)和電偶電位腐蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明母材、熱影響區(qū)和焊縫的點(diǎn)蝕電位都很高，說(shuō)明接頭的耐蝕性很好，其中熱影響區(qū)耐蝕性最優(yōu)，母材次之。

綜合以上研究結(jié)果可知，工業(yè)純鈦焊接后的焊縫組織為鋸齒狀α和針狀α'相，接頭強(qiáng)度基本上達(dá)到或超過(guò)母材強(qiáng)度，但塑性可能下降。

2.2 α型鈦合金

國(guó)內(nèi)對(duì)于α型鈦合金的焊接主要采取等離子弧焊和鎢極氬弧焊，國(guó)外則鮮有此類文獻(xiàn)。

廖志謙[16]采用等離子弧焊（焊接電流255 A，焊接速度140 mm/min）實(shí)現(xiàn)了12 mm厚TA5板的無(wú)坡口單面焊雙面成形。焊縫組織為殘余β相和針狀馬氏體α＇，且β晶界明顯。接頭的拉伸強(qiáng)度與母材相當(dāng)，斷裂位置為母材；焊縫和熱影響區(qū)硬度均高于母材，但塑性降低，沖擊韌性也下降。

羅偉中[17-18]、魏曉棠[19]均研究了 TA7鈦合金TIG焊接。焊縫組織為針狀α＇相，熱輸入增大會(huì)形成粗大魏氏組織，降低接頭塑性。

α型鈦合金焊縫組織為α相，但不同牌號(hào)合金、不同焊接方法所得到的α形態(tài)不同，而所得接頭的塑韌性普遍下降。

2.3 近α型鈦合金

國(guó)內(nèi)外對(duì)于近α型鈦合金均有研究，且主要集中在激光焊和電子束焊。

B.K.Damkroger等人[20]發(fā)現(xiàn)近α型鈦合金電子束焊接焊縫組織主要為針狀、板條狀或集束狀α。TEM結(jié)果發(fā)現(xiàn)在焊縫區(qū)原生的β晶粒內(nèi)部，平行排列的初生板條狀α相將晶粒劃分成許多小區(qū)域；次生α＇相則在這些區(qū)域內(nèi)呈不同尺寸交錯(cuò)排列。

劉昌奎[21]對(duì)比TA15合金TIG焊和電子束焊接接頭發(fā)現(xiàn)，TIG焊焊縫為粗大柱狀晶，晶內(nèi)有較多粗大針狀α＇無(wú)規(guī)則排列，呈魏氏組織狀；而電子束焊縫為較均勻等軸晶，大量細(xì)針狀α＇和少量片狀α＇形成于晶粒內(nèi)部，其魏氏組織特征沒(méi)有TIG焊縫明顯。這是因?yàn)門IG焊熱輸入大，針狀α＇可充分長(zhǎng)大。TIG和電子束焊接頭抗拉強(qiáng)度與母材基本相當(dāng)，塑性明顯降低（TIG降低嚴(yán)重）。

黃松[22]采用激光功率2 kW、焊接速度1.2 m/min對(duì)2.5 mm厚TA15鈦合金進(jìn)行焊接。發(fā)現(xiàn)焊縫為粗大柱狀晶，晶內(nèi)為大量馬氏體針；熱影響區(qū)靠近熔合線處為粗大等軸晶，并且晶內(nèi)存在α＇馬氏體針，晶界上還存在初生α相，離焊縫較遠(yuǎn)處僅部分晶粒發(fā)生馬氏體相變，而遠(yuǎn)離熔合線處未發(fā)生馬氏體相變，這與A.Chamanfar[23]的研究相吻合。

近α型鈦合金的焊縫組織通常為針狀馬氏體α＇，形成羽毛狀魏氏組織或網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)通常有晶粒尺寸的突變。

2.4 α+β型鈦合金

α+β雙相合金是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金，其中對(duì)TC4合金的研究最多，且主要集中在激光焊、電子束焊和TIG焊。

Nikolai Kashaev等人[24]研究了2.5 mm厚TC4板的激光填絲焊。激光功率2.6～3 kW，焊接速度1.8～3.12 m/min，送絲速度分別為1 m/min和1.5 m/min。所有全熔透焊縫均為沙漏狀，與Lisiecki等人[25]的研究結(jié)果吻合。焊縫組織為針狀馬氏體α＇，且焊縫上部晶界上存在二次相αm，這是由于焊縫上部熱輸入大，冷卻速度相對(duì)較慢。由于針狀馬氏體的存在，焊縫及臨近焊縫的熱影響區(qū)硬度值明顯高于母材；接頭的拉伸強(qiáng)度與母材相當(dāng)，但塑性有所降低。

J.Ahn等人[26]研究了焊接參數(shù)對(duì)TC4激光焊焊縫組織的影響。發(fā)現(xiàn)低熱輸入可獲得更細(xì)小的焊縫晶粒和更細(xì)小的針狀馬氏體α＇，而高熱輸入時(shí)晶粒易粗化，且晶界上會(huì)出現(xiàn)二次α相。

T.S.Balasubramanian等人[27]對(duì)比了TC4激光焊、電子束焊和TIG焊接頭的性能，發(fā)現(xiàn)電子束焊接頭強(qiáng)度最高。推斷其原因是電子束焊接頭組織中的鋸齒狀α相和規(guī)則的層片狀α相為接頭強(qiáng)度提供了保證。

B.Mehdi等人[28]研究了TC4合金脈沖TIG焊。發(fā)現(xiàn)脈沖頻率增加有利于細(xì)化初生β晶粒，并且會(huì)在組織中保留更多的殘余β相，從而降低接頭硬度。

程?hào)|海[29]對(duì)0.8 mm厚TC4鈦合金激光焊接給出工藝參數(shù)窗口為激光功率1～1.3 kW，焊接速度1.5～3 m/min，所得焊縫力學(xué)性能良好，拉伸試樣均斷于母材。焊縫組織為粗大柱狀晶內(nèi)部針狀馬氏體α＇交織而成的網(wǎng)籃狀組織；熱影響區(qū)既有原生α和 β相，也含有部分針狀α＇相，且越靠近焊縫，晶粒越粗大，α＇相更多。這一研究結(jié)果與徐潔潔[30]和張啟良[31]的研究相吻合。

吳巍[32]研究了TC4鈦合金TIG焊接接頭的宏觀金相，主要分為焊縫區(qū)、粗晶區(qū)、過(guò)渡區(qū)和母材。焊縫和粗晶區(qū)晶粒粗化嚴(yán)重，從過(guò)渡區(qū)到粗晶區(qū)之間晶粒尺寸突然變大。

尹麗香[33]發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金電子束焊縫組織為針狀馬氏體α＇交錯(cuò)排列而成的網(wǎng)籃狀組織，且由于快速冷卻過(guò)程中來(lái)不及轉(zhuǎn)變，焊縫區(qū)針狀馬氏體晶界處還存在極少量的殘余β；熱影響區(qū)組織為均勻的針狀α＇和原始α混合物，且比焊縫組織細(xì)小。接頭的室溫性能和高溫性能均良好。

TC4雙相合金焊縫通常為網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)晶粒尺寸變化較為明顯，分為粗晶區(qū)和過(guò)渡區(qū)；并且TC4合金焊接接頭拉伸強(qiáng)度和延伸率均較高，綜合力學(xué)性能良好。

2.5 近β型和β型鈦合金

關(guān)于近β型鈦合金和β型鈦合金的焊接相關(guān)研究較少，且集中在電子束焊接。

高瑩[34]采用TB2電子束焊接鈦合金，并進(jìn)行了焊前固溶處理和焊后時(shí)效處理。焊縫中心為胞狀樹(shù)枝晶，β柱狀晶向焊縫中心生長(zhǎng)，時(shí)效后α相彌散析出。焊縫硬度最高，熱影響區(qū)次之，接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)，但塑性有所下降。卓忠玉[35]進(jìn)行TB2鈦合金TIG焊，同樣發(fā)現(xiàn)接頭塑性相對(duì)母材大幅度下降。

張翥[36]對(duì)TB10鈦合金進(jìn)行電子束焊接，以及焊前和焊后熱處理。熱處理后焊縫和母材組織主要為β柱狀晶、粗大的初生針狀α相和短小的針狀α＇相，并且焊縫中的α＇更粗大。提高固溶溫度可以提升接頭沖擊韌性，但仍低于母材。

雖然近β型和β型鈦合金的強(qiáng)度和韌性較高，但因其焊接性較差，焊接接頭性能大大低于母材。目前的研究大多集中在通過(guò)焊前和焊后熱處理來(lái)改善焊接接頭的性能。

3 結(jié)論

綜合已有文獻(xiàn)，不同類型鈦及鈦合金采取的焊接方法如表1所示。

工業(yè)純鈦焊接多采用TIG焊和激光焊。工業(yè)純鈦的焊縫組織大多為鋸齒狀α和針狀α＇相，接頭強(qiáng)度基本達(dá)到或超過(guò)母材強(qiáng)度，激光焊接頭更有利于提高接頭疲勞性能，而TIG焊接頭耐腐蝕性能更優(yōu)。

表1 不同類鈦及鈦合金的焊接方法

α型鈦合金的焊接主要采取等離子弧焊和鎢極氬弧焊。其焊縫組織均為α＇，但不同牌號(hào)的合金和焊接方法所得到的α＇形態(tài)不同，而所得接頭的塑性和韌性普遍下降。

近α型鈦合金主要采用激光焊和電子束焊。焊縫組織為針狀馬氏體α＇，并且常常形成羽毛狀魏氏組織或網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)有晶粒尺寸的突變。α＇相的存在導(dǎo)致焊縫硬度明顯高于母材。

α+β雙相合金中TC4合金的研究最多，且主要集中在激光焊、電子束焊和TIG焊。TC4雙相合金焊縫通常為網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)晶粒尺寸變化較為明顯，分為粗晶區(qū)和過(guò)渡區(qū)；TC4合金焊接接頭拉伸強(qiáng)度和延伸率均較高，綜合力學(xué)性能良好。

β型鈦合金和近β型鈦合金的焊接相關(guān)研究較少。雖然它們的強(qiáng)度和韌性較高，但因其焊接性較差，焊接接頭的性能總是大大低于母材，目前的研究大多集中在通過(guò)焊前和焊后熱處理來(lái)改善焊接接頭的性能。

[1]李梁，孫健科，孟祥軍.鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，21（5）：19－24.

[2]劉奇先，劉楊，高凱.鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2011（4）：45－48，55.

[3]Cui C，Hu B M，Zhao L，et al.Titanium alloy production technology，market prospects and industry development[J]. Materials&Design，2011，32（3）：1684-1691.

[4]戚運(yùn)蓮，洪權(quán)，劉向，等.鈦及鈦合金的焊接技術(shù)[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，21（6）：25-29.

[5]王金友.論鈦合金的分類[J].稀有金屬材料與工程，1982（1）：9-16.

[6]黃永光.我國(guó)鈦及鈦合金牌號(hào)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2008，27（4）：7-10.

[7]高飛.鈦及鈦合金材料的焊接技術(shù)[J].石油化工建設(shè)，2006，28（4）：38-42.

[8]SiemersC，ZahraB，Leemet T，et al.Developmentof Advanced Beta-Titanium Alloys[J].Development of Gas Turbine Materials，2009（1）：417-418.

[9]韋生，費(fèi)東，田雷，等.鈦及鈦合金焊接工藝探討[J].焊接技術(shù)，2013，42（4）：73-75.

[10]Harwig D D，F(xiàn)ountain C，Ittiwattana W，et al.Oxygen EquivalentEffectsontheMechanicalPropertiesofTitanium Welds[J].Welding Research，2000（11）：305-316.

[11]CarvalhoSM，BaptistaCARP，Lima M S F.FatigueinLaser welded titanium tubes intended for use in aircraft pneumaticsystems[J].International Journal of Fatigue，2016（90）：47-56.

[12]劉芝俠，王宗斌.工業(yè)純鈦激光焊性能及組織分析[J].焊接技術(shù)，2004，33（3）：24-25.

[13]Karpagaraj.Some studies on mechanical properties and microstructural characterization of automated TIG welding of thin commercially puretitanium sheets[J].Materials Science&Engineering A，2015（640）：180-189.

[14]劉治宇.外加橫向交流磁場(chǎng)對(duì)鈦合金焊接接頭組織性能影響[D].遼寧：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2016.

[15]郭靖.TA2鈦管鎢極氬弧焊焊接工藝及可靠性研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[16]廖志謙，王忠平.鈦合金厚板的等離子焊接[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2005，20（4）：27-28.

[17]羅偉中.α型鈦合金焊接接頭的脆化[J].兵器材料科學(xué)與工程，1987（7）：22-28.

[18]羅偉中.鈦合金氬弧焊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析[J].焊接技術(shù)，1995（2）：2-5.

[19]魏曉棠.鈦合金的鎢極氬弧焊[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2008，25（6）：38-41.

[20]Damkroger B K，Edwards G R，Rath B B.Investigation of subsolidus weld craking in alpha-beta titanium alloys. Welding Journal，1989，68（7）：290-302.

[21]劉昌奎，劉華.TA15鈦合金焊接接頭性能與斷裂行為研究[J].失效分析與預(yù)防，2006，1（2）：45-48.

[22]黃松.TA15鈦合金激光焊接溫度場(chǎng)的測(cè)量與焊縫特征研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[23]ChamanfarA，Pasang T，VenturaA，et al. Mechanical properties and microstructure of laser welded Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti6242）titaniumalloy[J]. Materials Science &Engineering A，2016（663）：213-224.

[24]Kashaev N，Ventzke V，F(xiàn)omichev V，et al.Effect of Nd:YAG laser beam welding on weld morphology and mechanical properties ofTi-6Al-4V buttjointsandT-joints[J].Optics& Lasers in Engineering，2016（86）：172-180.

[25]Lisiecki A.Welding of titanium alloy by different types of lasers[J].ArchivesofMaterialsScience&Engineering，2012，58（2）：209-218.

[26]AhnJ，Chen L，DaviesCM，et al.Parametric optimisation and microstructural analysis on high power Yb-fibre laser weldingof Ti－6Al－4V[J].Optics&Lasers in

Page 107

Welding of titanium and titanium alloys

LI Xingyu1，LI Fang1，2，MU Gang1，2，HUA Xueming1，2，WANG Min1，2，KONG Liang1，2
（1.Shanghai Key Laboratory of Material Laser Processing and Modification（Shanghai Jiaotong University），Shanghai 200240，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China）

Titanium and titanium alloys have been widely used in many fields such as aerospace and ocean engineering because of their excellent comprehensive properties and unique functions.The classification and welding characteristics of titanium and titanium alloys are introduced.The classification methods，addition elements and basic properties of pure titanium，α titanium alloy，α+β titanium alloy near β and β titanium alloy are studied.And focus on the welding methods and microstructure and properties of titanium and titanium alloy，it is concluded that the main welding methods of titanium and titanium alloys are TIG welding,laser welding and electron beam welding.

titanium；titanium alloys；laser welding；electron beam welding；TIG

TG409

C

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于U G的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：1-6.

2016-11-28；

：2017-04-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0301200）

李興宇（1995—），男，漢族，江蘇連云港人，在讀碩士，主要從事鈦合金激光焊接的研究。