【摘 要】 由于钛及钛合金具有强度高、无磁性、耐蚀性优异，以及加工、成型、焊接性良好而倍受设计者的青睐，又因与先进的复合材料在热学、电化学方面的相容性、优良的低温韧性和高温机械性能，一直是航空、宇肮工业上应用的重要结构材料。焊接作为钛及钛合金加工中的重要手段，有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面独特的优势，因此钛及钛合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视。
【关键词】 焊接 钛 氩弧焊
1 钛及钛合金的焊接性分析
1.1 焊接接头的脆化
钛及钛合金很容易受到气体等杂质的污染而产生脆化，造成钛及钛合金焊接接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等。在常温下，如果受到不同程度的影响，尤其是在表面氧化膜的作用下，钛能够保持相对高的温度，形成一定的稳定性和耐腐蚀性，并且，钛在高温条件下，容易形成熔融状态，对气体也有很大的化学活性，特别在温度达到540摄氏度以上的情况下，钛表面就会生成氧化膜，并且相对松散，在温度不断上升的情况下，很容易被空气、水分、油脂等构成污染，使钛与氧、氮、氢的反应速度加快，降低焊接接头的塑性和韧性。无保护的钛在300℃以上吸氢，600℃以上吸氧，700℃以上吸氮。
（1）热裂纹：由于钛及钛合金中含硫、磷、碳等杂质较少，很少有低熔点共晶在晶界处生成，而且其结晶温度区间很窄，焊缝凝固时收缩量小，因此，热裂纹敏感性低。但当母材和焊丝质量不合格，特别是当焊丝有裂纹、夹层等缺陷时，会在夹层和裂纹处积聚大量有害杂质而使焊缝产生热裂纹。
（2）冷裂纹和延迟裂纹倾向：当焊缝中含氧、氢、氮量较多时，焊缝和热影响区的性能变脆，在较大的焊接应力作用下容易出现冷裂纹。在焊接钛合金时，热影响区有时也会出现延迟裂纹，这种裂纹可以延迟到几个小时、几天甚至几个月后发生。氢是引起延迟裂纹形成的主要原因，这是由于熔池中的氢和母材金属低温区中的氢向热影响区扩散，引起氢在热影响区的含量增加并析出TiH2，使热影响区脆性增大。此外，氢化物析出时的体积膨胀会引起较大的组织应力，再加上氢原子的扩散与聚集，最终使得接头形成裂纹。
1.3 焊缝气孔
在常见的焊缝气孔中，钛以及钛元素的合金焊接是一种常见的缺陷。O2、N2、H2、CO2、H2O这些都是引起焊接气孔形成的主要原因。此外，形成钛合金焊缝形成气孔的影响因素也很多，包括有焊接区的氛围构成等等，以及焊丝、焊件、焊接条件、坡口形式等，但是，其中，氢是构成钛以及钛合金焊接形成气孔的主要影响气体。
1.4 焊接变形
钛的弹性模量比不锈钢小，在同样的焊接应力条件下，钛及钛合金的焊接变形是不锈钢的1倍，因此焊接时应该采用垫板和压板将待焊工件压紧，以减小焊接变形。此外，垫板和压板还可以传导焊接区的热量，缩短焊接区的高温停留时间，减小焊缝的氧化。
2 试验准备
2.1 试验材料
2.2 试板坡口型式
坡口的尺寸要考虑尽量减少焊接层数和填充金属量。因为焊接层数增多，焊缝的累积吸气量就会增加，对接头的塑性影响较大。
2.3 焊前清理
在焊接处理的技术运用之前，对于钛以及钛合金的焊接接头要注意质量的控制，并充分考虑焊件以及焊丝的清理工作，对于处理不彻底的现象，就会带来焊件以及焊丝表面形成一股吸气层，并全面造成焊接接头的裂缝和气孔，不利于焊接技术的全面提高，因此，在具体的应用过程中，焊接之前应做好各项前提的准备工作，采取细致化的清洗，适当情况下，可以采用机械清洗或者化学药剂清洗的模式。
2.4 定位焊
为减少焊件的变形，焊前可在接头坡口间进行定位焊，一般定位焊的间距为100～150mm，其长度约10～15mm。定位焊所用的填充焊丝、焊接工艺参数及气体保护条件等于正式焊接时相同，在每一定位焊停弧时，应延时关闭氩气。
3 TA2的焊接工艺
3.1 气体保护 由于钛及钛合金对空气中的氧、氮、氢等气体具有很强的亲和力，因此，必须在焊接区采取良好的氩气保护措施，以确保焊接熔池及温度超过350℃的热影响区的正反面与空气隔绝。
钛的导热系数小、焊接熔池尺寸大，焊缝的保护效果除了和氩气纯度、流量、喷嘴与焊，喷嘴的孔径也应相应增大，以扩大保护区的面积。
对已脱离喷嘴保护区，但仍在350以上的焊缝热影响区表面，仍需继续保护。通常采用通有氩气流的拖罩。拖罩的长度为100～180mm，宽度30～40mm，具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等条件确定，但要使温度处于350℃以上的焊缝及热影响区金属得到充分的保护。拖罩外壳的四角应圆滑过渡，要尽量减少死角，同时拖罩应与焊件表面保持一定距离，焊用拖罩通常与焊炬连接为一体，并与焊炬同时移动。
3.2 焊接工艺参数的选择
钛及钛合金焊接工艺参数的选择，既要防止焊缝在电弧作用下出现晶粒粗化的倾向，又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。纯钛及所有的钛合金焊接，都有晶粒长大的倾向，而晶粒长大难以用热处理方法加以调整。所以焊接应采用较小的焊接线能量。如果线能量过大，则焊缝容易被污染而形成缺陷（如表1）。
通过采用钨极氩弧焊的技术运用，主要是采用具有恒流特性的直流弧氩电源，在使用直流正接的方式，从而获取熔深或者相对较窄的熔宽，尤其是注意不同层次的运用技巧，第一层一般情况下不能使用焊丝，在第二层的基础上使用焊丝，同时还要充分注意已经加热的焊丝要处于一定的保护作用之下，在进行冷却处理之后，在进行下一轮的焊接，从而减少过热现象的发生。
3.3 焊后热处理
在焊后处理的基础上技术上，由于钛以及钛合金的接头在焊接完结之后，还会存在不同程度的残余应力，这种应力有一定的整体效应力，如果处理不及时，就会形成一种冷冽缝，并全面增大接头与预应力腐蚀之间的敏感性，整体降低接头的疲劳强度，因此，在进行焊接的实施后，要采取相应的应力消除模式，并进行相应的预应力处理，消除应力带来的各种困扰，并进行表面的清除，整个过程要在惰性气体的运用环境中实行（如表2）。
4 结语
（1）钛及钛合金焊接的气体保护问题是影响焊接接头质量的首要因素。
（2）钛及钛合金焊接时应尽量采用小的热输入，降低线能量。
（3）TA2手工钨极氩弧焊时，应严格控制氢的来源，防止冷裂纹的产生，同时应注意防止气孔的产生。
（4）只要严格按照焊接工艺要求施焊，并采取有效的气体保护措施，即可获得高质量的焊接接头。
参考文献：
[2]韩忠.材料科学与工程，2000年第4期.
[3]王焕琴.钛及钛合金焊接接头的组织、性能和断裂特性.焊接，2001年第11期.
