Ti的交流TIG焊接工艺

Ti/Al的交流TIG焊接工艺

作者：胡经洪

南京宝色钛业有限公司（211100）

摘要：根据Ti金属与Al金属具有一定的互溶性原理，采用交流TIG焊接方法进行Ti/Al材料的焊接，焊接接头强度高、性能稳定，在工业生产中具有较高的应用价值。

关键词：交流TiG Ti/Al金属焊接工艺

ALTERNATING CURRENT TIG WELDING P ROCEDURE O F Ti/Al

Nanjing Baose Titanium Ind ustry Co.,Ltd Hu Jinghong

Abstra ct On the basis o f the interso lub ility o f titanium and a luminum meta l, the weld ing between tita nium and a luminum me ta l has been a chie ved by a lterna ting current TIG weld ing p ro cess. The tens ile s trength o f the welded jo int is highe r a nd the p rope rties of the jo intweld a re s tab le. The pro ced ure can be used in p ra ctice.

Ke y words: a lterna ting current TIG weld ing, Ti/Al meta l, weld ing pro cedure

0 前言

Ti金属与Al金属复合构件作为一种新型材料结构在航天航空领域及化工电解工业得到日益广泛的应用，寻求Ti金属与Al金属既简单又高质量接头的焊接方法及工艺，具有非常重要的意义。Ti金属与Al金属的熔点、导热系数、线膨胀系数等性能相差悬殊（表1），若两种金属间的焊接方法及工艺选择不当时，是不能获得满意的焊接接头。焊接时当达到Ti的熔点时，Al与其他合金元素则烧损蒸发，使焊缝化学成分不均匀，强度降低；Ti是活性金属，在300℃开始强烈氧化，温度越高和高温停留时间越长，氧化越严重，生成TiO2等氧化物，在焊缝内形成中间脆性层，使焊缝塑性、韧性下降，焊接性能下降；Al也非常容易氧化，与氧作用生成致密的氧化膜（Al2O3），其熔点为2 050℃，阻碍两种母材金属的结合。本文采用交流TIG焊接方法进行Ti/Al材料的焊接，获得了高质量的焊接接头。

1 试验材料

考虑航天航空领域和化工电解工业应用材料的普遍性，采用的试验材料钛金属有TC4、TA2，铝金属材料有3A21、1060，其化学成分分别见表2、表3。

2 试验焊接方法及工艺

2.1 试验焊接方法的选择

选择交流TIG焊接方法进行试验，是因为Ti与Al在高温下极易氧化，且各自氧化后产生的氧化物将严重影响焊接接头质量。为了获得高质量的焊接接头，在焊接时需采用惰性气体保护好高温熔池区。另外，铝金属表面常温下则生成一层致密的高熔点氧化膜，焊接时要利用“阴极雾化”作用去除。

2.2 试验接头形式的选择

选用4 mm板的对接接头（图1）、8 mm板的对接接头（图2）形式进行试验。

2.3 焊接设备

试验选用的焊接设备为美国进口的Miller351型的交、直流方波两用焊机，工艺性能较好。

2.4 焊前准备

钛金属与铝金属焊接时，要求焊前严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污。清除质量将直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。

（1）钛金属焊接区表面的清理一般先采用纤维砂轮抛光去除氧化膜，随后用丙酮清洗干净。一般不得直接用砂轮打磨和钢丝刷子刷焊接区表面，否则易产生焊接气孔和因铁污染而引起焊接裂纹。

（2）铝金属的清理常采用化学清洗和机械清理两种方法。化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件；在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮等易挥发性的有机溶剂擦拭表面以除油污，随后用细丝的不锈钢丝刷子刷，要刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或砂纸打磨，因为砂粒留在金属表面，焊接时会产生夹渣等缺陷。

（3）清理后的工件要保护好，避免再次污染。另外，清理好的工件需在4 h内焊接，否则应重新清理。

2.5 焊接填充材料

异种金属的焊接，焊接填充材料的选择非常重要。填充材料选择合适，焊接工艺就可以简单，接头质量又能满足要求。考虑到在高温或常温下，Al在Ti中的溶解度相对比较大，试验选用的焊接填充材料为与铝工件材质相匹配的铝焊丝。

2.6 焊接参数

焊接参数使用不当，Ti与Al熔敷金属会形成一些不利的化合物（TiAl和TiAl₃），影响焊接接头质量。通过试验，选用以下参数进行焊接，接头质量比较理想。

（1）4 mm板的对接和搭接试验，焊接电流140~160 A，焊接速度16~18 cm/min，焊丝直径2 mm，钨极直径4 mm，氩气流量10~15 L/ min，对接接头焊二层，层间温度<100℃，搭接接头焊一层。

（2）8 mm板对接试验，焊接电流200~220 A，焊接速度16~18 cm/min，焊丝直径3 mm，钨极直径5 mm，氩气流量12~16 L/min，正、背面各焊二层，层间温度<100℃。

（3）16 mm板角接试验，焊接电流260~280 A，焊接速度16~18 cm/min，焊丝直径5 mm，钨极直径6 mm，氩气流量12~16 L/min，正、背面各焊二层，层间温度<100℃。

由于铝金属导热系数大，且避免产生不利焊接质量的钛铝金属化合物，施焊时焊枪钨极略偏向铝金属侧；为防止钛金属表面高温氧化，焊接时正面及背面均采用氩气拖罩，以保护钛金属高温区。

3 检验项目与结果

3.1 无损探伤检验

焊接试板接头均做了表面渗透检查，未发现裂纹、气孔等缺陷；8 mm和4 mm板对接试验接头做了X射线无损探伤检测，内部未发现严重缺陷，只有少量几个微小气孔（直径在0.4 mm以下）。

3.2 力学性能试验

8 mm和4 mm厚的钛金属与3A21、1060对接试板做了拉伸试样试验，抗拉强度和断口位置见表4。

对接和搭接接头弯曲试验弯曲角度180°，弯轴直径3~4倍试样厚度，焊接接头未出现任何破坏现象。

3.3 角焊缝宏观检验

图3和图4分别为TA2+1060和TC4+3A21的角焊缝宏观检验试样，从检验端面可以看出，钛金属侧熔深不大，但与熔敷金属达到原子间结合。端面也没有其它裂纹、气孔等缺陷。

4 结论

(1)交流TiG方法焊接Ti/Al，既简单方便，又经济可行，焊接质量能满足要求。

(2)笔者以此工艺在生产上解决了电解行业钛阳极板与铝导电筋的焊接问题，效果良好。