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1、钛及钛合金的氩弧焊钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常用的方法，常用于焊接厚度3mm以下的钛及钛合金。钨极氩弧焊可以分为敞开式焊接和箱内焊接两种类型，它们又各自分为手工焊和自动焊。敞开式焊接是在大气环境中的普通钨极氩弧焊，是利用焊枪喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩气或氩氦混合气，把焊接高温区与空气隔开，以防止空气侵入而沾污焊接区的金属。这是一种局部气体保护的焊接方法。当焊件结构复杂，难以实现拖罩或背面保护时，则应该采用箱内焊接。箱体在焊接前要先抽真空，然后充氩气或氩氦混合气，焊件在箱体内处于惰性气氛下施焊，是一种整体气体保护的焊接方法。（1）焊前准备钛及钛合金焊接接头的质量在很大程度上取决于
2、焊件和焊丝的焊前清理，当清理不彻底时，会在焊件和焊丝表面形成吸气层，并导致焊接接头形成裂纹和气孔。因此焊接前应对坡口及其附近区域进行认真的清理。清理通常采用机械清理和化学清理。1）机械清理采用剪切、冲压和切割下料的工件需要焊前对其接头边缘进行机械清理。对于焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可以用细砂布或不锈钢丝刷擦拭，或用硬质合金刮刀刮削待焊边缘去除表面氧化膜，刮深0.025mm即可。对于采用气焊切割下料的工件，机械加工切削层的厚度应不小于12mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶剂去除坡口两侧的手印、有机物质及焊丝表面的油污等。在除油时需使用厚棉布、毛刷或人造纤维刷刷洗。对于焊前经过热
3、加工或在无保护气体的情况下热处理的工件，需要进行喷丸或喷砂清理表面，然后进行化学清理。2）化学清理如果钛板热轧后已经酸洗，但由于存放较久又生成新的氧化膜时，可室温条件下将钛板浸泡在（2%4%）HF（30%40%）HNO 3H2O的溶液中1520min，然后用清水冲洗干静并烘干。对于热轧后未经酸洗的钛板，由于其氧化膜较厚，应先进行碱洗。碱洗时，将钛板浸泡在含烧碱80%；、碳酸氢钠20%的浓碱水溶液中1015min，溶液的温度保持在4050。碱洗后取出冲洗，再进行酸洗。酸洗液的配方为：每升溶液中，硝酸5560mL，盐酸340350mL，氢氟酸5mL。酸洗时间为1015min（室温下浸泡）。取出后分
4、别用热水、冷水冲洗，并用白布擦拭、晾干。经酸洗的焊件、焊丝应在4h内焊完，否则要重新酸洗。焊丝可放在温度为150200的烘箱内保存，随取随用，取焊丝应戴洁净的白手套，以免污染焊丝。对焊件应采用塑料布掩盖防止沾污，对已沾污的可用丙酮或酒精擦洗。（2）坡口的制备与装配为减少焊缝的累积及气量，在选择坡口形式及尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属量，以防止接头塑性的下降。钛及钛合金的坡口形式及尺寸见表1。搭接接头由于其背面保护困难，接头受力条件差，尽可能不采用，一般也不采用永久性垫板对接。对于母材厚度小于2.5mm的形坡口对接接头，可以不添加填充焊丝进行焊接。对于厚度更大的母材，则需要开坡口并添加填充
5、金属。一般应尽量采用平焊。采用机械方法加工的坡口，由于接头内可能留有空气，因而对接头装配要求高。在钛板的坡口加工时最好采用刨、铣等冷加工工艺，以减小热加工时出现的坡口边缘硬度增加的现象，减少机械加工时的难度。由于钛的一些特殊物理性能，如表面张力系数大、熔融态时黏度小，焊前须对焊件进行仔细的装配。点固焊的焊点间距为100150mm，长度为1015mm。点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等与正式焊接时相同，在每一点固焊点停弧时，应延时关闭氩气。装配时严禁使用铁器敲击、划伤待焊工件表面。（3）焊接材料的选择氩气适用于钛及钛合金焊接用的氩气为一级氩气，其纯度为99.99%，露点在-40以下，杂质
6、总含量0.02%，相对湿度5%，水分0.001mg/L。焊接过程中如果氩气的压力降至1MPa时应停止使用，以保证焊接接头的质量。焊丝填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同。常用的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6及TC3等。为提高焊缝金属的塑性，可选用强度比母材金属稍低的焊丝。如焊接TA7及TC4等钛合金时，为提高焊缝塑性，可选用纯钛焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量应比母材金属低，仅为一半左右，例如O0.12%、N0.03%、H0.006%、C0.04%。焊丝以真空退火状态供货，表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂等缺陷存在。焊丝在焊前须进行彻底清理，否则焊丝表面的油污等可
7、能成为焊缝金属的污染源。采用无标准牌号的焊丝时，可从基体金属上裁切出狭条作焊丝，狭条宽度和厚度相同。（4）气体保护措施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。采用钨极氩弧焊焊接钛及钛合金的保护措施及其适用范围如表2所示。焊缝的保护效果除了与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、接头形式等因素有关外，还与焊炬、喷嘴的结构形式和尺寸有关。钛的热导率小、焊接溶池尺寸大，因此，喷嘴的孔径也应相应增大，以扩大保护区的面积。常用的焊炬喷嘴及拖罩见图1。该结构可以获得具有一定挺度的气流层，保护区直径
8、达30mm左右。如果喷嘴的结构不合理时，则会出现紊流和挺度不大拨动流，两者都会使空气混入焊接区。为了改善焊缝金属的组织，提高焊缝、热影响区的性能，可采用增强焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或焊缝反面设置空冷或水冷铜压块。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。通常采用能通有氩气流的拖罩。拖罩的长度为100180mm，宽度3040mm，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。焊接长焊缝，当焊接电流大于200A时，在拖罩
9、下端帽沿处需设置冷却水管，以防拖罩过热，甚至烧坏铜丝和外壳。钛及钛合金薄板手工TIG焊用拖罩通常与焊炬连接为一体，并与焊炬同时移动。管子对接时，为加强对于管子正面后端焊缝及热影响区的保护，一般是根据管子的外径设计制造专用环形拖罩，如图2所示。钛及钛合金焊接中背面也需要加强保护。通常采用在局部密闭气腔内或整个焊件内充氩气，以及在焊缝背面加通氩气的垫板等措施。对于平板对接焊时可采用背面带有通气孔道的紫铜垫板，如图3所示。氩气从焊件背面的紫铜垫板出气孔流出（孔径 1mm，孔距1520mm），并短暂地储存在垫板的小槽内，以保护焊缝背面不受有害气体的侵害。为了加强冷却，垫板应采用紫铜，其凹槽的深度和宽度
10、要适当，否则不利于氩气的流通和储存。对于厚度为4mm以内的钛板，其焊接垫板的成形槽尺寸见表3。焊缝背面不采用垫板的，可加用手工移动的氩气拖罩。批量生产钛管时，对接焊可在氩气保护罩内焊接，管子转动焊炬不动。氩气流量的选择以达到良好的焊接表面色泽为准，过大的流量不易形成稳定的气流层，而且增大焊缝的冷却速度，容易在焊缝表面出现钛马氏体。拖罩中的氩气流量不足时，焊接接头表面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。焊缝背面的氩气流量过大也会影响正面第一层焊缝的气体保护效果。焊缝和热影响区的表面色泽是保护效果的标志，钛材在电弧作用后，表面形成一层薄的氧化膜，不同温度下所形成的氧化膜颜
11、色是不同的。一般要求焊后表面最好为银白色，其次为金黄色。工业纯钛焊缝的表面颜色与接头冷弯角的关系见表4。多层、多道焊时，不能单凭盖面层焊缝的色泽来评价焊接接头的保护效果。因为若底层焊缝已被杂质污染，而焊盖面层时保护效果良好，结果仍会由于底层的污染而明显降低接头的塑性。（5）焊接工艺参数的选择钛及钛合金焊接有晶粒长大倾向，尤以 钛合金最为显著，而晶粒长大难以用热处理方法加以调整。所以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。焊接应采用较小的焊接线能量，使温度刚好高于形成焊缝所需要的最低温度。如果线能量过大，则焊缝容易被污染而形成
12、缺陷。表5、表6是钛及钛合金手工和自动TIG焊的工艺参数，主要适用于对接长焊缝及环焊缝。表7是钛管手工TIG焊的工艺参数。钨极氩弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊电源，并采用直流正接，以获得较大的熔深和较窄的熔宽。在多层焊时，第一层一般不加焊丝，从第二层再加焊丝。已加热的焊丝应处于气体的保护之下。多层焊时，应保持层间温度尽可能低，等到前一层冷却至室温后再焊下一道焊缝，以防止过热。对于厚度在0.12.0mm的纯钛及钛合金板材、对焊接热循环敏感的钛合金以及薄壁钛管全位置焊接时，宜采用脉冲氩弧焊。该方法可成功地控制钛焊缝的成形，减少焊接接头过热和粗晶倾向，提高焊接接头的塑性。而且焊缝易于实现单面焊双
13、面成形，获得质量高、变形量小的焊接接头。表8是厚度0.82.0mm钛板脉冲自动TIG焊的工艺参数。其中脉冲电流对焊缝的熔深起着主要作用，基值电流的作用是保持电弧稳定的燃烧，待下一次脉冲作用时不需要重新引弧。当钛及钛合金板很厚时，采用熔化极氩弧焊（MIG）可以减少焊接层数，提高焊接速度和生产率，降低成本，也可减少焊缝气孔。但MIG焊采用的是细颗粒过度，填充金属受污染的可能性大，因此对保护要求较TIG焊更严格。此外，MIG焊的飞溅较大，影响焊缝成形和保护效果。薄板焊接时通常采用短路过渡，厚板焊接时则采用喷射过渡。MIG焊时填丝较多，这就要求焊接坡口角度较大，厚度1525mm的板材，可选用90 单面
14、V形坡口。钨极氩弧焊的拖罩可用于熔化极焊接，但由于MIG焊焊速高、高温区长，拖罩应加长，并采用流水冷却。MIG焊时焊材的选择与TIG焊相同，但是对气体纯度和焊丝表面清洁度的要求更高，焊前须对焊丝进行彻底的清理。表9是TC4钛合金自动MIG焊的工艺参数。（6）焊后热处理钛及钛合金的接头在焊接后存在着很大的残余应力。如果不消除，将会引起冷裂纹，增大应力腐蚀开裂的敏感性，降低接头的疲劳强度，因此焊后必须进行消除应力处理。按合金的化学成分、原始状态和结构使用要求，有焊后退火处理和淬火-时效处理。1）退火退火的目的是消除应力、稳定组织、改善力学性能。退火工艺分为完全退火和不完全退火两类。 和钛合金（TB
15、2除外）一般只作退火热处理。由于完全退火的加热温度较高，为避免焊件表面被空气污染，必须在氩气或真空中进行。不完全退火由于加热度较低，可在空气中进行，空气对焊缝及焊件表面的轻微污染，可用酸洗方法去除。退火后的冷却速度对 和钛合金不敏感，对 +钛合金十分敏感。对于这种合金，须以规定的速度冷却到一定温度，然后分阶段冷却或直接空冷，而且开始空冷的温度不应低于使用温度。2）淬火-时效处理淬火-时效处理的目的是提高焊后接头的强度。但由于高温加热氧化严重，淬火时发生的变形难于矫正，而且焊件较大时不易进行淬火处理，因此一般很少采用，仅对结构简单、体积不大的压力容器适用。消除应力处理前，焊件表面须进行彻底的清理，然后在惰性气氛中进行热处理。几种钛及钛合金焊后热处理的工艺参数见表10。
