钛及其合金焊接缺陷的产生及防止

钛及其合金焊接缺陷的产生及防止缪林久（广东火电焊接工程公司，广东广州５１０７３０）【摘要】文章在概述了钛及钛合金基本性能的基础上，着重就钛合金焊接问题进行了探讨，特别对钛合金焊接缺陷的产生进行了分析，并结合实践提出了相应的防范措施。

【关键词】钛；钛合金；焊接；防范措施【中图分类号】ＴＧ４０１【文献标识码】Ａ【文章编号】１００８－１１５１（２００６）０３－００５８－０２大众科技ＤＡＺＨＯＮＧＫＥＪＩ２００６年第３期（总第８９期）Ｎｏ．３，２００６（ＣｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙＮｏ．８９）一、导言被授予“２１世纪金属”的钛及钛合金，由于其具有高的比强度、优良的耐热、耐蚀性及断裂韧性等优点，在航空、航天、石化、医疗及地质等领域受到极大青睐，还越来越广泛地被应用于民用领域，如汽车、电力、休闲等行业。

随着钛及其合金的普遍使用，其焊接性能越来越为使用者所重视。

为此，本文着重就钛合金的焊接问题进行相关技术交流与探讨。

二、钛及其合金的基本性能１．金属钛的基本性能钛是银白色稀有金属，比重轻，强度高，耐腐蚀，对人体无害，有漂亮的金属质感。

工业纯钛溶点为１６６８℃，有两种同素异构体。

在８８２．５℃以下呈密集六方晶格为α钛；在８８２．５℃以上呈体心立方晶格为β钛。

工业纯钛可分为ＴＡ１、ＴＡ２、ＴＡ３三种牌号，焊接性能良好。

工业纯钛容易加工成型，但加工后会产生冷作硬化现象。

２．钛合金的基本性能在工业纯钛中加入合金元素便成为钛合金，其强度、塑性、抗氧化性等性能显著提高。

按室温组织可分为三类：α钛合金，如ＴＡ４、ＴＡ５；β钛合金，如ＴＢ２；α＋β型合金，如ＴＣ４。

α钛合金组织稳定，焊接性能优良，但加工性能差，不能进行热处理强化。

主要合金元素是铝（ＡＩ），它能提高在结晶温度和扩大氢在钛中的溶解度，从而减少形成氢脆的敏感性，但过多铝则会出现Ｔｉ３ＡＩ而引起脆性。

β钛合金室温和高温性能都不理想，焊接性能差，易形成冷裂纹，故在焊接结构中应用甚少。

α＋β型合金的基体是α相，兼有α和β钛合金的优点，有良好的热加工性能，可以进行热处理强化，但焊后接头塑性低，有形成冷裂纹倾向。

三、钛及其合金焊接主要缺陷及其成因分析１．钛及其合金焊接主要缺陷钛及其合金焊接时的主要问题是易产生气孔和裂纹这两种缺陷。

气孔是钛及其合金焊接时最常见的缺陷之一，气孔不仅造成应力集中而且会使整个焊接接头塑性及疲劳，寿命降低。

冷裂纹是钛及其合金焊接时另一种常见的缺陷。

对接接头的冷裂纹一般处于焊缝横断面上。

２．导致钛及其合金焊接主要缺陷的成因在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。

但试验表明，在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。

随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在２５０℃左右开始吸收氢，从４００℃开始吸收氧，从６００℃开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，这是导致钛及钛合金焊接缺陷的重要因素。

各种气体及杂质污染对钛及钛合金焊接性能的影响具体可见表１：表１各种气体及杂质污染对钛及钛合金焊接性能的影响情况表由于钛及钛合金的上述焊接性能，以致在其焊接实际中容易产生气孔和裂纹这两种缺陷。

一般认为氢气是引起气孔的主要原因。

焊缝金属在冷却过程中，氢的溶解度会发生变化，如焊接区周围气氛中氢的分压较高时，焊缝金属中的氢不易扩散逸出而集聚在一起形成气孔。

当钛焊缝中的碳大于０．１％、氧大于０．１３３％时，由氧与碳反应生成的ＣＯ气体也可产生气孔。

施工实践中发现，随着焊接电流增大或焊速增大，气孔有增加倾向。

由于钛的化学活性强，在４００℃以上高温下极易由表面吸收氧、氮、氢、碳等，由于溶解度的变化引起β相过饱和析出并由焊接过程中体积膨胀引起较大的内应力作用而导致冷裂纹。

另外，钛的纵向弹性模量比不锈钢的小，在同样的焊接应力作用下，钛及其合金的变形量比不锈钢的大，且校形困难。

四、钛及钛合金焊接缺陷的防范措施笔者根据多年来的钛及其合金实际焊接经验，认为预防钛及其合金焊接时产生气孔和裂纹可采用以下措施：【收稿日期】２００５－１２－１８【作者简介】缪林久（１９６４－），男，广东清远人，广东火电焊接工程公司工程师，研究方向：焊接材料及工艺。

５８－－（上接第５７页）图元框中选择“连接轴”，随后点选推力油缸连接的直线箭头。

再换选“轮廓”，改选项为“速度”。

模取常数：Ａ＝２０，相当于推力油缸滑动杆以２０（ｍｍ／ｓ）的速度伸出。

（六）定义机构分析通过对机构的各种动态分析，可迅速得到相关的信息，以改进设计和完善构件。

通过施加不同的要素，可以对机构的多种工况进行研究分析。

点击菜单Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ→Ａｎａｌｙｓｅｓ命令，弹出Ａｎａｌｙｓｅｓ（分析）对话框，选择不同的分析类型。

对不涉及力、质量、惯性的机构运动分析时，可使用运动学分析类型。

在“电动机”选项卡中：根据需要添加所需的电动机并为其设定起止时间。

在“外部负荷”选项卡中：为机构指定所需的外部负荷，可切换“启用重力、启用所有摩擦”选项。

（七）执行动力学仿真分析定义完成后，点击“运行”按钮，系统就会根据运动模型和运动环境对机构进行分析，通过分析反馈信息，完善运动模型，变化运动环境，最终使结果趋向满意。

（八）定义分析测量特征加伍德举升机构设计主要仿真分析的对象为：三角臂总成与车箱底板铰接座、拉杆前端销孔、联轴节销轴之间的位移、速度、加速度与净负荷。

点击菜单Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ→测量，弹出“测量结果”对话框，选定位移、速度与加速度、净负荷等测量对象，输入相关零件欲求点的相应分量或直接选定某一轴确定后，即可获得仿真测量定义物理量的相关图显，如图２所示。

返回测量结果集。

在结果集中单击“分析定义名”，在测量选项的名称后可显示测量分析的数值。

再单击“测量名称”和“测量”钮，系统弹出“图形工具”框，显示特指测量对象的动态曲线图。

通过上述仿真分析测量，获得机构零件各模块运动学、动力学过程各计算要素的精确参数。

图２车厢某点速度的仿真测量定义三、结论通过对加伍德举升机构运动仿真的具体实践，实现了运动学、动力学分析及装配干涉、运动协调性的验证。

揭示了运动仿真的特点、方法、对象和主要应用范围，论证了仿真运动分析对机构设计的指导作用。

特别是仿真测量分析，对获得机构运动位置、速度、运动副之间相互关系及机构零件载荷情况的综合数据有着创造性的重要意义。

使设计者能够直接在计算机上修改模型参数，达到机构优化的目的。

【参考文献】［１］黄圣杰，等．Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ．２００１高级开发实例［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２．［２］王雄，谢金元．自卸车倾卸机构设计的研究［Ｊ］．汽车技术，１９９２，（１０）．１．做好焊前准备。

焊件和焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响，因此必须严格清理。

铁板及钛焊丝可采用机械清理及化学清理两种方法。

（１）机械清理：对焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可用打磨机、细砂纸、硬质合金刮刀或不锈钢丝刷擦拭，但最好是用硬质合金刮刀刮削钛板，去除氧化膜。

（２）化学清理：焊前可先对试件及焊丝进行酸洗，酸洗液可用ＨＦ５％＋ＨＮＯ３３５％的水熔液。

酸洗后用净水冲洗，烘干后立即施焊。

或者用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭钛板坡口及其两侧（各５０ｍｍ内）、焊丝表面、工夹具与钛板接触的部分。

清洗待焊件表面并在２小时内焊接。

正确选择焊接设备。

根据焊接技术要求与技术规范，具体选择好相应的焊接设备。

例如，进行钛及钛合金金钨板氩弧焊，则应选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源，且延迟递气时间不少于１５秒，避免焊遭受到氧化、污染。

２．正确选择焊接材料。

氩气纯度应不低于９９．９９％，露点在－４０℃以下，杂质总的质量分数＜０．００１％。

重要构件背面应冲氩气保护，当氩气瓶中的压力降至０．９８１ＭＰａ时，应停止使用，以防止影响焊接接头质量。

原则上应选择与基本金属成分相同的钛丝，焊丝以真空退火状态供应。

有时为了提高焊缝金属塑性，也可选用强度比基本金属稍低的焊丝。

３．把握好焊接坡口。

原则上应尽量减少焊接层数和焊接金属。

随着焊接层数的增多，焊缝累计吸气置增加，以至影响焊接接头性能，又由于钛及钛合金焊接时焊接熔池尺寸较大，因此试件开单Ｖ型７０°～８０°坡口，且不作摆动。

焊丝末端不得移出气体保护范围，喷嘴直径可适当加大以扩大保护区域。

４．注意观察焊缝金属表面。

焊缝区金属颜色与氩气保护效果如表２。

表２焊缝区金属颜色与氩气保护效果表５．注意选择保护气体流量。

气体流量的选择以达到良好的保护效果为准，过大的流量不易形成稳定的层流，并增大焊缝的冷却速度，使焊缝表面层出现较多的α相，以至引起微裂纹。

拖罩中的氩气流量不足时，焊缝呈现出不同的氧化色泽；而流量过大时，将对主喷嘴的气流产生干扰作用。

焊缝背面的氩气流量也不能太大，否则会影响到正面第一层焊缝的气体保护效果。

总之，要控制好气体的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。

６．正确选择焊接工艺参数。

增加深池停留时间使用时防止气泡逸出，可有效地减少气孔。

同时，采用小电流、高焊速的焊接规范，焊接层数越少越好。

五、质量检验１．外观检查符合ＧＢ／Ｔ１３１４９－９１。

２．射线深伤符合ＪＢ４７３０－９４。

３．力学性能试验符合ＧＢ／Ｔ１３１４９－９１。

【参考文献】［１］郑建发．钛金属焊接技术研究［Ｊ］．广东化工，２００５，（９）．［２］余洪．金属钛及其合金［Ｊ］．汽车工艺与材料，２００４，（１２）．５９－－。