钛合金焊接通用知识.doc

钛及钛合金
1 物理化学性能
良好的耐腐蚀性能〔常温外表形成致密氧化膜〕，优于不锈钢10倍，在复原性介质中稍差，经氮化处理后增强；比强度大。
工业用量最大的是TC4，其次是工业纯钛与TA7。
纯钛抗拉强度350-700Mpa，伸长率20-30%，冷弯角80-130，具有良好的低温性能，线膨胀系数与热导率小，利于焊接。
钛合金中合金元素分类
相
α稳定元素
β
中性元素

置换式
置换式
Sn Zr Hf

Al(<6%或10%)
V Cr Co Cu Fe Mn Ni W Mo Pa Ta

间隙式
间隙式

O(<0.2%)
N(<0.05)
C(<0.1)
H(<0.015%)

说明
Α稳定元素，提高α相的稳定性，扩大α相区范围，提高同素异构体转变温度。
有实用价值的只有Al，起到强化α钛的作用，是最重要的合金元素，超过10%时会形成Ti3Al化合物而变脆；
O N C3元素间隙固溶与钛，使其晶格畸变，变形抗力增加，强度、硬度与耐磨性增加，但塑性会严重降低，要限制其含量，牌号差异在于间隙元素，特别是O含量不同。
提高β相稳定性，扩大β相区范围，降低同素异构转变温度，大量β稳定元素参加，可使β相一致稳定到室温以下。
此外，还影响钛合金相变速度，
V Mo与β无限固溶，与α有限固溶；
Cr Cu Fe Mn能缓慢的与钛发生共析反响生成化合物；
Cu Fe Si能与钛发生共析反响生成脆性化合物，应限制其含量。
H在共析转变温度325℃以上时，溶解度随温度降低而急剧下降，常温时仅为0.00009%〔质量分数〕过剩的H以片状或针状TiH2析出。缓慢冷却时，TiH2沉淀在α相及晶界上，引起缺口敏感性增加，低速变形条件下α钛氢脆敏感性更大，而β钛比α钛溶解氢能力大得多，固α+β钛合金氢脆敏感性小。
对同素异构转变温度影响不大，他们在钛中都有很大的溶解度，对钛起强化作用。
工业纯钛在化学工业得到广泛应用，w(Pd)0.2%的钛-0.2Pd合金抗间隙腐蚀能力比工业纯钛好。
TA7〔美国称ELI级〕具有良好的超低温性能，ONH等间隙元素含量很低，可用于液氢、液氦贮箱与其他超低温构件。
钛合金分为α、β、α+β相，牌号分别为TA、TB、TC。
α型钛合金不能热处理强化，可进展退火消除剩余应力；
α+β型钛合金可热处理强化，代表合金TC4，淬火-时效处理比退火状态抗拉强度提高180Mpa，综合性能良好，广泛应用于航空航天工业，缺点是淬透性较差，不超过25mm，为此开展了高淬透性与强度略高的TC10。
TB2钛合金是近年研制的高强钛合金，属于亚稳β合金，强度高、冷成形性好、焊接性尚可。Ti-33Mo属于稳定β合金，耐腐蚀非常好。
常用钛及钛合金室温力学性能见表13-3
2 钛及钛合金的焊接性
2.1 间隙元素玷污引起脆化
钛是一种活性金属，常温下与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性与耐腐蚀性。
540℃以上生成的氧化膜不致密，300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，在空气中容易进展。必须对其焊缝及热影响区进展保护，焊接过程中，要求对其400以上区域进展保护。
O与N间隙固溶于钛，变形抗力增加，强度与硬度增加，塑性与韧性下降。
H含量增加，焊缝金属冲击韧度急剧降低，而塑性下降较少，氢化物引起脆性。
C间隙固溶于α型钛合金中，强度提高，塑性下降，超过溶解度时生成硬而脆的TiC，呈网状分布，易于引起裂纹，焊前应注意清理工件及焊丝上的油污。
2.2 焊接相变引起的性能变化
由于钛熔点高，比热及热到系数小，冷却速度慢，焊接热影响区在高温下停留时间长，使高温β晶粒极易过热粗化，接头塑性降低。
2.2.1 α型钛合金
工业纯钛，TA7与耐蚀合金Ti-0.2Pd。
合金焊缝与热影响区是锯齿状α与针状α组织。焊接性能良好，接头强度系数接近100%，塑性稍差，原因为：焊缝为铸造组织，比轧制状态塑性低；粗晶；焊接时假设加快冷却，易产生针状α组织，对接头塑性不利，冷速以10-200℃/s较好，太慢过热，太快易产生针状α组织。
2.2.2 α+β型钛合金
TC1、TC4、TC10三种，室温平衡组织为α+β。
TC1合金退火状态下β相少，焊接性能良好，冷却速度以12-150℃/s较好；
TC4合金以α相为主，加热到β转变温度996±14℃以上快冷时β-α’， α’为钛过饱与针状马氏体，晶粒粗大的原始β相晶界清晰可见。焊接接头塑性，特别是断面收缩率较低，但断裂韧性较高，可提高20%。TC4合金可淬火状态下焊接，焊后时效。退火状态下焊接时接头强度系数可达100%，塑性约为母材的一半，焊接时适宜的冷却速度2-40℃/s，可以采用较大的热输入，不宜采用太小的热输入。
TC10合金元素含量较高，焊接性较差，12mm合金焊接时会出现热影响区裂纹。预热250℃可预防裂纹并能提高接头塑性。
2.2.3 β型钛合金
分为亚稳与稳定两种，亚稳是β相〔TB2〕参加极少量α相，焊后热处理析出α相，容易引起脆性。TB2合金抗拉强度可达1320Mpa，焊后进展520-580℃、8h时效处理，接头强度可达1180Mpa，伸长率可达7%，而经500℃、8h×620℃、0.5h时效处理，接头强度可达1080Mpa，伸长率可达13%
Ti-33Mo合金组织为稳定β相，耐腐蚀钛合金，焊接时无相变，焊接性良好。
2.3 裂纹
S、P、C等杂质很少，低熔点共晶很难在晶界出现，有效结晶温度区间窄，加之焊缝凝固时收缩量小，因此很少出现焊接热裂纹。但当焊丝有裂纹、夹层等缺陷，含有大量有害杂质时可能出现热裂纹。
保护不良或α+β型钛合金中含β稳定元素较多时会出现热应力裂纹与冷裂纹。加强焊接保护，防止有害杂质玷污与焊前预热，焊后缓冷可以减少甚至消除热应力裂纹与冷裂纹。
钛合金焊接时，热影响区可能出现延迟裂纹，这是由于焊接时熔池与低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，生成氢化钛，加上不利的应力状态引起的。应降低焊接接头氢含量，选用氢含量低的材料〔包括焊丝、母材、氩气〕，注意焊前清理，焊后进展真空去氢处理，及时消除剩余应力。
薄壁α+β型钛合金用工业纯钛做填充材料时不会出现氢化钛，厚板α+β型钛合金多层焊时，假设用工业纯钛做填充材料可能出现氢化钛并引起氢脆。
2.4 气孔
焊接热输入量大时，气孔位于熔合线附近，热输入量小时，气孔位于焊缝中部。
气孔能使疲劳强度降低一半甚至3/4。
一般情况下，氢不是气孔主要来源，焊丝与坡口外表清洁度是影响气孔最主要因素，如拉丝时外表润滑剂、磨粒、增塑剂、粗糙端面等。去掉毛刺与减少外表粗糙度可以大大减少气孔。
熔池停留时间增加使气泡浮出，周围气体扩散促使气泡长大。
3 焊接材料与工艺
3.1 焊接材料
一般填充金属与母材标称成分一样，为改善接头韧性、塑性，有时采用强度低于母材的填充材料，如用TA1TA2焊接TA7与厚度不大的TC4，用TC3焊TC4。填充金属的间隙元素含量要低于母材一半，如w(O)<0.12%,w(N)<0.03%,w(H)<0.006%, w(C)<0.04%,填充丝直径1-3。
保护气，以及纯氩99.99%，露点低于-60℃。用环氧基或乙烯基塑料软管输送保护气。增加熔深可用氦气。
3.2 焊前清理
除油：3%氢氟酸-35%硝酸水溶液，低于40℃防止增氢。或机械磨光、刮削待焊外表用无水乙醇清洗；
除氧化皮：不锈钢丝、锉刀，喷丸、蒸汽喷沙；磨削，用碳化硅砂轮。
3.3 钨极氩弧焊
喷嘴直径16-18
厚度大于1mm的焊件用托罩，宽25-60mm，长40-100mm，分布管靠近进气一侧钻有直径0.8-1mm小孔，孔距10mm，经不锈钢网或多孔板〔厚0.8-1mm，孔径1mm，距离8-10mm〕进入保护区。自动焊托罩长60-200mm。 距焊件距离10-20mm。自动焊时加冷却水。
注意保护焊缝反面。钛及合金密度小，熔池外表张力大，焊漏可能性比钢小，只要保护良好，容易获得良好的反面成形。为加强冷却，自动焊反面垫板采用纯铜板，凹槽深2mm，宽3-8mm，槽下有通气孔，孔径1.0mm，孔距10mm，通氩气。
真空充氩舱，刚性采用不锈钢制造，柔性采用薄橡胶、透明塑料制造。抽真空1.3-13Pa，充氩气或氩-氦混合气焊接。
自动氩弧焊焊接钛合金参数
母材厚度
焊丝直径
钨极直径
电流强度
电弧电压
焊接速度
送丝速度
氩气流量
正面
反面
托罩

——

20-40
8-10

——

——

45-55

8-12
2-4
10-15

——

50-65

——
2
90-120
10-12

10-15
3-6
12-18

70-80
10-14

8-12
2-4
10-15

80-100

90-120
10-15
3-6
12-18

150-190

180-250

手工氩弧焊焊焊接钛合金参数
母材厚度
焊丝直径
钨极直径
电流
电压
氩气流量
正面
反面
托罩

14-20
8-13
11-15
4-6
——

18-25

20-25

25-40

35-45

50-80
10-15
10-15

60-90

90-100

110-140
3.4 熔化极氩弧焊
热功率较大，用于中厚度产品焊接，可减少焊接层数、提高焊接速度与生产率、降低本钱，气孔比钨极氩弧焊也少，飞溅较多，影响成形与保护，短路过渡用于薄板，喷射过渡适用于厚件，焊接破口角度较大，厚15-25mm一般选用90度单面v形坡口或不开坡口，留1-2mm间隙两面各焊一道。托罩须加强。
3.5 等离子弧焊接
能量集中，单面焊双面成形、弧长变化对熔透程度影响小，无钨夹杂、气孔少与接头性能好等优点，适于钛合金焊接。小孔型一次焊透2.5-15mm钛材，熔透型3mmm以上需开坡口。
反面沟槽尺寸宽深各20-30mm，反面保护气流量也要增加。15mm以上钛材开V形或U形坡口、钝边取6-8mm，用小孔型等离子弧封底，然后再用其他方法填满坡口。
TC4(TC3焊丝)接头塑性可达70%。
等离子弧焊接典型工艺参数
厚度
喷嘴孔径
电流强度
电弧电压
焊接速度
送丝速度
焊丝直径
氩气流量L/ min
离子气
保护气
托罩
反面

5

10

2

6

10

2
1

35
18
12

12
15
2
3

150
24
23
60

4
15
20
6
6

160
30
18
68

7
20
25
15
8

172
30
18
72

7
20
25
15
10

250
25
9
46

7
20
25
15
3.6 真空电子束焊
优点：冶金质量好，焊缝窄，深宽比大，焊缝角变形小，焊缝及热影响区晶粒细，接头性能好，焊缝与热影响区保护好，焊厚件时效率高。
缺点：焊缝向母材过渡不平滑，容易出现气孔，构造尺寸受真空室限制。
焊前认真清理，多用酸洗与机械加工，采用2道焊改善外表成形，第一道高功率密度深熔焊，第二道低功率密度修饰焊，可提高接头疲劳性能。电子束摆动可改善焊缝成形、细化晶粒与减少气孔，接头性能也随之提高。有时加反面垫板，预防未焊透或成型不良。
钛材真空电子束焊工艺参数
材料厚度mm
加速电压kv
焊接束流mA
焊接速度m·min
1
13
50

2

90

20
95

5
28
170

16
30
260

25
40
350

50
45
450

3.7 激光焊
3.8 闪光焊
3.9 高频焊
3.10 摩擦焊
3.11 扩散焊
3.12 扩散钎焊
4 焊缝缺陷及补焊工艺
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