钛及其合金的焊接工艺
出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《焊工简明实用手册》第625页（4692字）
钛及其合金的焊接工艺中，应用最多的是钨极氩弧焊，近年来等离子弧焊接、电阻点焊和缝焊、钎焊和扩散焊亦得到应用。厚大工件焊接时可采用熔化极氩弧焊、真空电子束焊、无氧熔剂埋弧焊和电渣焊。
1．钨极氩弧焊
钨极氩弧焊分为敞开式焊接和箱内焊接，它们又各自分为手工焊和自动焊。
敞开式焊接即普通氩弧焊，它靠喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当的氩或氩氮混合气，将焊接高温区与空气隔开。结构复杂的焊件由于难以实现良好的保护，宜于在箱内焊接。推荐的焊接参数见表7．11－1和表7．11－2。
表7．11－1 自动钨极氩弧焊焊接参数
表7．11－2 手工钨极氩弧焊焊接参数
管材对焊焊接时，小直径(＜100mm)采用整体通氩气排除空气的方法，中等直径(100～500mm)可采用隔板式保护方法，无法装入隔板的结构可采用易溶材料制作的隔板，焊后冲洗去除。管子直径超过500mm时，为节省氩气，可采用跟踪式保护，其结构与拖罩类似。钛管的充氩清洗和焊接参数见表7．11－3和表7．11－4。
表7．11－3 不同直径的钛管焊前充氩清洗的时间
注：氩气流量为10L／min。
表7．11－4 钛管钨极氩弧焊的焊接工艺参数
注：第一层均不加焊丝。
为减少焊接接头过热和粗晶，提高接头塑性，减少焊接变形和降低装配精度要求，可采用脉冲焊。脉冲频率一般为2～5Hz。用此工艺，板厚0．5mm时变形可减少30%，2．0mm时可减少15%左右。具体焊接参数见表7．11－5。
表7．11－5 钛及钛合金的自动脉冲钨极氩弧焊的焊接工艺参数
2．熔化极氩弧焊
熔化极氩弧焊相比钨极氩弧焊有较大的热功率，用于中厚度产品的焊接，可以减少焊接层数，提高焊接速度和生产率，降低成本，另外气孔也比钨极氩弧焊少。此法的主要缺点是飞溅问题，它影响焊缝成型和焊接保护。由于熔化极氩弧焊接时填丝较多，故焊接坡口较大，厚15～25mm一般选用90°单面V形坡口，或不开坡口、留1～2mm间隙两面各焊一道。钨极氩弧焊的拖罩可用于熔化极焊接，只是由于焊速较高、高温区较长，拖罩要适当加长，并用流水冷却。自动熔化极氩弧焊的焊接参数见表7．11－6。
表7．11－6 钛及钛合金自动熔化极氩弧焊的焊接工艺参数
3．等离子弧焊接
与钨极氩弧焊相比，等离子弧焊接具有能量集中、单面焊双面成型、弧长变化对熔透程度影响小、无钨夹杂、气孔少和接头性能好等优点，非常适于钛及钛合金的焊接。液态钛表面张力大、密度小，有利于采用小孔法进行等离子弧焊。小孔法的优点是可以防止气孔产生。厚约10mm的钛或钛合金采用小孔法可一道焊成。等离子弧焊时易产生咬边缺陷，可采用加填充焊丝或加焊一道装饰焊缝的方法消除。等离子弧焊接典型规范如表7．11－7所示。
表7．11－7 钛材等离子弧焊接典型规范
注：直流正接。
TC4合金钨极氩弧焊和等离子弧焊接头性能如表7．11－8所示，氩弧焊用TC3作填丝，等离子弧焊不填丝，焊接接头去掉加强高。拉伸试样均断于过热区。从表7．11－11可知，两种焊接方法接头强度系数皆可达到93%，接头塑性等离子弧焊可达到母材的70%左右，比氩弧焊(约50%)好。
表7．11－8 TC4合金焊接接头力学性能
4．真空电子束焊
真空电子束焊非常适用于钛及其合金的焊接。具有焊接冶金质量好，焊缝窄，深宽比大，焊接角变形小，焊缝及热影响区晶粒细，接头性能好，焊缝和热影响区不会被空气沾污，焊接厚件时效率高等优点。其缺点是焊缝向母材过渡不平滑，容易出现气孔和结构尺寸受真空室限制等。为防止气孔，焊前要认真清理，多用酸洗和机械加工。为改善焊缝向母材的过渡可焊两道，第一道为高功率密度的深熔焊，第二道为低功率密度的修饰焊，这可大幅度提高接头疲劳性能。电子束摆动可改善焊缝成型、细化晶粒和减少气孔，接头性能也随之提高。有时背面加垫板，用以预防未焊透或成型不良带来的不利影响。典型的钛及其合金真空电子束焊规范如表7．11－9所示。
表7．11－9 钛及钛合金电子束焊规范参数
5．钛及钛合金的点焊
钛及钛合金是一种优良的金属材料，点焊结构中主要用α型钛合金(TA7等)和α+β型钛合金(TC4等)，由于其热物理性能与奥氏体不锈钢近似，故点焊焊接性良好，点焊时亦不需要保护气体。
点焊技术要点：
①一般可不进行表面清理，当表面氧化膜较厚时可进行化学清理：硝酸45%、氢氟酸20%、水35%混合液，或氢氟酸20%、硫酸30%、水50%混合液中(室温)侵蚀2～3min，然后用流动冷水冲洗干净。
②电极应选用CrZrCu、BeCoCu、NiSiCrCu合金，球面形工作端面，内部水冷和必要时附加外部水冷。
③采用硬规范并配以较低的电极压力，以避免产生凸肩、深压痕等外部缺陷。
④点焊时冷却速度高，会产生针状马氏体(α’相)组织，使硬度提高韧性下降。因此对α型钛合金建议采用焊后退火处理；对α+β型钛合金可采用带回火双脉冲点焊工艺。
⑤焊接参数参见表7．11－10。
表7．11－10 钛合金的点焊焊接参数
6．钛及钛合金的钎焊
钛和钛合金对氧的亲和力很大，加热过程中会吸收氢、氮，使合金脆化，延性下降。为防止加热区的氧化、氢化、氮化和脆化，钛及钛合金钎焊必须在真空或惰性气体保护下进行，而且对钎料、钎剂的选用必须与钛及钛合金的热处理温度相匹配，并尽量减少钛与钎料中的金属形成脆性化合物。
钛及钛合金可以用镉基和锌基钎料(如HL501、HL502等)进行软钎焊，也可用锡铅钎料，由于它们的接头抗疲劳强度低(约30～50MPa)，故很少采用。
钛及其合金多用硬钎料钎焊。主要有银基、银基与钛锆基和铝基钎料，其中银基钎料可靠性较好。
纯银可作钎料。银与钛形成的化合物TiAg不很脆，但熔点偏高，强度也不够，且接头抗蚀性低。银基钎料中银铝钎料性能较好，银中加入铝可降低熔化温度，钛与铝形成的化合物也不很脆，例如，用Ag－5Al－0．5Mn钎料，在900～925℃的钎焊温度下钎焊，具有很好的润湿性，加入0．5%左右ω(Mn)，可显着提高耐蚀性。此外，含锂(Li)的银基钎料适用于惰性气氛中钎焊；用Ag－9Pd－9Ca钎料钎焊时，其流动性很好。
钛与钛锆基钎料，如Ti－48Zr－4Be和Ti－15Cu－15Ni钎料，具有较好的耐热及耐蚀性能，在食盐、硝酸及硫酸中耐蚀性尤为优良。
但在钎焊时钎料中的合金元素会浸蚀和扩散到母材中去，形成脆性的扩散区，因此，不利于薄壁结构钎焊。铝基钎料如Al1．2%Mn等，其钎焊温度较低，钎焊时不会发生钛及钛合金的β相变。在真空或氢气中钎焊润湿性好，与母材无明显溶蚀和扩散，界面形成化合物倾向小，接头强度虽不高，但塑性较好。
表7．11－11为典型的钛及钛合金钎焊用钎料。
表7．11－11 典型钛及钛合金钎焊用钎料
钛及钛合金一般是使用惰性气体(氮或氦)或真空的感应钎焊和炉中钎焊。真空钎焊要求真空度为1．33×10－2Pa或更高。在钎焊温度范围为760～927℃时，为防止钛变色，保护气氛的露点必须是－54℃或更低。
钛表面厚的氧化物应用机械方法去除，或在熔化盐浴槽中去除；薄的氧化膜可用含20%～40%硝酸加2%氢氟酸溶液中清除。当表面有油污时，应使用非氯化物的溶剂，如丙酮、酒精等。
为了获得延性和强度更好的钛合金接头，可以采用扩散焊和扩散钎焊。与熔焊相比，扩散焊和扩散钎焊，焊缝受大气污染最小，焊件几乎没有变形，可以采用不产生晶粒长大和相变的温度进行焊接，因而不会影响焊件的力学性能，其接头性能有时比熔焊好。焊缝的耐腐蚀性能与母材相当。
扩散焊可以在不同成分的钛合金之间焊接，又可以在钛及钛合金与其他金属之间焊接。但扩散焊和扩散钎焊对待焊表面的清洁度要求更高，因用这两种焊接方法时，并不产生熔化和金属流动；也不能清除残留在接头中的杂质。待焊表面还必须平整光滑，这样才可以不需很大的压力便能获得紧密而均匀的接触。
扩散钎焊是在钛或钛合金的连接面上插入或镀上中间层，中间层的材料有铜、镍或Ti－Zr和Cu合金等。利用它们与钛形成液相共晶而进行的焊接。其方法是将一薄层Cu、Ag、Ni或Co放在接头之间固定好，加热到钎焊温度，依靠钛和这些金属的接触反应形成共晶体，然后再保温一段时间，使这些化合物向母材扩散，从而使接头具有接近母材的性能。钛及钛合金是在惰性气氛保护下或在真空中进行扩散焊的，表7．11－12为扩散焊的工艺参数。
表7．11－12 钛及钛合金扩散焊接工艺参数
