關鍵詞：鈦合金；焊接性；焊接工藝
鈦及鈦合金是二十世紀四十年代末開始發展起來的一種優良的工業金屬材料，其主要特點是密度小、比強度高、耐腐蝕、耐高溫以及良好的低溫性能，并且具有某些特殊的物理、化學特性，如超導、記憶、儲氫等特殊功能，因此在宇航、航空、化工、石油、冶金、電力、醫療等領域得到了廣泛的應用。
我公司承接的美國某化工項目中涉及到大量的鈦及鈦合金管道的焊接，該項目采用美國ASTM標準，主要包括ASTM B861GR2，GR7和GR12等級別的材料。其中ASTM B861GR2位純鈦管材，ASTM B861GR7為添加了0.12%到0.25%的鈀元素的鈦管，ASTM B861GR12為含鉬0.3%，含鎳0.8%的鈦合金。由于我國鈦資源豐富，儲量居世界首位，因此所有鈦材都從國內采購，按美國ASME IX標準進行焊接工藝評定和焊接。由于這是我公司首次焊接上述鈦及鈦合金管道，沒有現成的工藝可用，因此必須從分析鈦及鈦合金的物理化學性質及其焊接性開始，制定正確完善的焊接工藝，預判其焊接過程中可能出現的缺陷問題并提前制定預防方案，方能保證該項目的順利進行。
1.鈦及其合金的物理化學性質
鈦的主要物理性能為： 密度4.5g/cm3， 熔點1688℃，比熱容522J/（kg?K），熱導率16J/（m?s?K）。鈦有兩種結構：882℃以下為密排六方晶格結構，稱為α鈦；882℃以上為體心立方晶格結構，稱為β鈦。鈦和常用的奧氏體不銹鋼ASTM A312 TP304L的主要物理性能對比如下：
從上表可以看出，鈦的比強度接近不銹鋼的3倍，這讓鈦材在某些要求強度高、重量輕的領域（如宇航）相對于不銹鋼有不可替代的優勢。
鈦的化學性質活潑，對氧有極高的親和力。在有氧環境中鈦表面易生成致密而附著力強、惰性大的氧化膜，即使氧化膜受到機械破壞，只要在氧化性介質中，其自愈性強，又可再生成氧化膜，這是鈦在許多酸、堿及介質中耐腐蝕性優異的原因。鈦在高溫下與氧、氮、氫反應速度較快，從250℃開始吸氫，300℃以上快速吸氫；從400℃開始吸氧，600℃以上快速吸氧；從600℃開始吸氮，700℃以上快速吸氮。
2.鈦及鈦合金的焊接性分析
由上述鈦的物理化學性質可知，鈦的熔點高于不銹鋼，比熱容大于不銹鋼，化學活性大于不銹鋼，因此鈦材的焊接相較不銹鋼來說有更高的要求。
鈦及其合金在高溫下對氧、氮、氫和碳等具有極大的親和力，液態的熔池和熔滴金屬如得不到有效保護，則更容易受到空氣等雜質的玷污，脆化程度更嚴重，給焊接帶來困難。同時，鈦合金導熱性差，電阻系數大，焊接時產生的熱量多，熱容大，不容易散失，熔化焊時需要用惰性氣體或在真空狀態進行保護。
O，N，H，C等常作為雜質元素出現在鈦合金中，這些元素本身以及它們的化合物的出現將會嚴重影響鈦的力學和耐蝕性能。氫是影響鈦性能的有害元素之一，它會導致鈦的塑性與韌性降低，發生氫脆。在冷卻時，焊縫中的氫來不及逸出會產生氣孔，故一般要求鈦材中氫的含量<0.15%。鈦在高溫下（600℃以上）還易與氧、氮化合，使得焊接接頭的塑性韌性下降，引起氣孔和裂紋。鈦還極易與碳反應生成脆性的碳化物，降低塑性并影響焊接工藝可靠性。為了避免上述問題帶來的危害，焊接過程中必須妥善保護那些受焊接熱源影響而溫度高于250℃的區域。
另外，Fe的存在會嚴重影響鈦的耐腐蝕性能和綜合力學性能。鐵元素的分布不均勻現象會導致富Fe相區與貧Fe相區的出現，并且由此建立起自發電池，產生電偶腐蝕行為；此外，Fe會加速H的吸收，易產生氫致裂紋，造成氫脆破壞。因此，在焊接鈦合金時要重視Fe的污染帶來的影響。
鈦的彈性模量較低，焊后很容易產生較大的焊接變形；鈦的冷變形回彈能力強，容易給矯形帶來困難。因此，在制訂焊接工藝時，必須考慮到如何預防焊接變形。
為了避免出現常見的焊接缺陷，同時保證焊縫的力學性能和耐腐蝕性，在焊接鈦及其合金時，必須制訂合理的焊接工藝，以確保焊接質量。目前常用的焊接鈦及鈦合金的工藝有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊、激光束焊、釬焊等。鎢極氬弧焊是焊接鈦合金最常用的焊接方法，主要用于厚度在10mm以下的鈦及鈦合金的焊接。手工鎢極氬弧焊適應性較廣，焊接質量可靠，但對于厚板焊接效率較低、勞動強度較大。熔化極氬弧焊比鎢極氬弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，但焊接過程中對工藝參數和焊接環境要求較高，否則容易產生氣孔。等離子弧焊接的厚度范圍比較寬，從薄板到厚板都可以采用，但焊接時應注意噴嘴的損傷。真空電子束焊也越來越多的用于鈦的焊接，由于在真空環境下，因此它能獲得高質量的焊接接頭，但同時由于需要在真空室中焊接，對工件的尺寸有所限制。與電子束、等離子束焊接相比，激光焊接具有熔池凈化效應，能純凈焊縫金屬，焊縫的機械性能等于或優于母材。對于某些微型、精密的零件也可以使用釬焊的方法來獲得。
幾種焊接方法的比較
3.焊接工藝
根據上述鈦及鈦合金焊接性的分析，以及結合本項目的特點，決定采用鎢極氬弧焊工藝來執行本項目的焊接。使用鎢極氬弧焊焊接鈦及鈦合金時，要獲得高質量的焊接接頭，必須注意一下事項：
3.1施工場地
鈦及鈦合金管道焊接應在專門獨立的加工車間內進行，焊接作業處應有擋風防潮措施，一般焊接作業時風速應小于3m/s，相對濕度應小于80%。作業場所應保持清潔，不能有粉塵污染，特別是附近不能有碳鋼的切割、打磨作業。用于鈦及鈦合金管道加工的工具、設備應專門用于鈦及鈦合金加工，不得與碳鋼混用。
3.2工件和焊絲的清理 未經清理的工件和焊絲表面往往含有油污、潮氣、金屬粉塵等等污染物，這些污染物本身或在焊接的高溫作用下會產生影響鈦及鈦合金焊接質量的各種有害元素，如氧、氫、氮、碳、鐵等等，因此在焊前必須對工件及焊絲進行認真清理。管道的切割或開孔應用機械方法進行，切割的機具應專門用于鈦材的加工，不得與用于碳鋼的機具混用，以免造成鐵素體污染。如果使用火焰或等離子方法進行切割，則切割邊緣必須進行打磨直至氧化層完全去除，露出金屬光澤為止。鈦管焊接前應用無硫的丙酮溶劑對坡口及其內外兩側進行脫脂處理，然后再焊口兩側各50mm的區域內，用細銅刷仔細地把氧化膜去除掉，直到呈銀白色為止。清理完成后1小時內必須馬上進行焊接，以免管口重新氧化和污染。
3.3保護氣
由于鈦的化學性質十分活潑，特別是在熔化焊接時，熔池內熔融狀態的鈦極易與氧、氮、氫、碳以及其它雜質元素發生反應，從而形成焊接缺陷，因此焊接鈦及鈦合金時保護氣的選擇和使用對焊接質量有非常重要的影響。用于鎢極氬弧焊的氬氣為一級氬氣，其純度在99.99%以上，雜質的總質量分數不超過0.02%，露點低于-50℃，空氣相對濕度不超過5%，水分含量不大于0.001mg/L。氬氣流量的選擇以得到良好的焊縫表面色澤為標準。鈦會與氧接觸，在表面形成一層氧化膜，并且該氧化膜的顏色會隨著自身形成時的溫度不同而出現差異。JB/T 4745-2002中規定焊后焊縫及熱影響區表面出現銀白色氧化膜，則表明氣體保護效果最佳；當顏色為金黃色時，保護效果也可以接受，其它顏色則為不合格。
為了得到良好的氬氣保護效果，一般應使用管道氣；若使用氣瓶氣，若發現氬氣瓶的壓力降至1MPa時就應停止使用。選用精確的氬氣流量計以控制氣流量，送氣軟管選用塑料管，不宜用橡膠管輸送氬氣。
由于鈦及鈦合金在較低溫度（250℃）時就開始吸氫，因此對于剛剛焊接完成脫離焊炬氬氣保護的高溫部分也要進行保護，特別是在焊接鈦及鈦合金管道時，為了得到更好的焊接質量，一般應使用環縫氣體保護拖罩來進行保護。拖罩的長度一般為150-180mm，寬度在40-50mm，具體尺寸可根據管徑、壁厚及具體工藝參數確定。保護罩的材質應當選用奧氏體不銹鋼或鋁、銅等，四角應圓滑過渡，不留死角。
鈦焊縫及熱影響區表面顏色的規定如下表所示：
3.4焊絲
填充焊絲的成分一般應與母材金屬成分相同。常用的牌號有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TC3等。為提高焊縫金屬的塑性，可選用強度比母材金屬稍低的焊絲。如焊接TA7及TC4等鈦合金時，為提高焊縫塑性，可選用純鈦焊絲，此時接頭的效率低于100%。焊絲中的雜質含量應比母材金屬的低的多，僅為一半左右，如氧≤0.12%，氮≤0.03%、氫≤0.006%、碳≤0.04%。
焊絲均以真空退火狀態供貨，其表面不得有燒皮、裂紋、氧化色、金屬或非金屬夾雜等缺陷存在。同時注意焊絲在焊前必須進行徹底的清理，否則焊絲表面的油污等污染物可能成為焊縫金屬的污染源。當采用無標準牌號的焊絲時，可以從基體金屬裁切出狹條作焊絲，狹條寬度和厚度相同。
3.5坡口的加工與組對
為減少焊縫的累積吸氣量，在選擇坡口形式及尺寸時，應盡量減少焊接層數和填充金屬量，以防止接頭塑性的下降。搭接接頭由于其背面保護困難，接頭受力條件差，因而盡可能不采用，一般也不采用永久性墊板對接。對于母材厚度小于2.5mm的I形坡口對接接頭，可以不添加填充焊絲進行焊接。對于厚度更大的母材，則需要開坡口并添加填充金屬。一般應盡量采用平焊。采用機械方法加工的坡口，由于接頭內部可能留有空氣，因而對于接頭組對的要求必須比焊接其它金屬高。
由于鈦的一些特殊物理性能，如表面張力系數大、熔融態時黏度小，使得焊前必須對焊件進行仔細的組對。點固焊是減少焊件變形的措施之一，點固焊所用的焊絲、焊接工藝參數及保護氣體等條件與正式焊接時相同，在每一點固焊點停弧時，應延時關閉氬氣。同時組對時應嚴禁使用鐵器敲擊劃傷待焊工件表面。
3.6焊接工藝參數的選擇
鈦及鈦合金焊接工藝參數的選擇，既要防止焊縫在電弧作用下出現晶粒粗化的傾向，又要避免焊后冷卻過程中形成脆硬組織。純鈦及所有的鈦合金焊接，都有晶粒長大的傾向，其中尤以β鈦合金最為顯著，而晶粒長大難以用熱處理方法加以調整。所以焊接應采用較小的焊接線能量，最好是使溫度剛好高于形成焊縫所需要的最低溫度。如果線能量過大，則焊縫容易被污染而形成缺陷。
根據美國ASME IX標準制定的焊接工藝參數如下：
4.常見焊接缺陷及預防措施
鈦是比較難焊接的金屬，極易氧化、氮化、脆化。常見的焊接缺陷主要有3種：焊接接頭中產生氣孔、焊接接頭出現裂紋、焊接接頭發生脆化。
鈦及鈦合金的焊接中易產生氣孔，細小且數量多。形成氣孔的因素很多，且很復雜。一放面有焊件、焊絲的表面吸附不純氣體、粘附灰塵、油脂或存在氧化物等直接因素，這些氣孔是焊接中熔池吸收的雜質氣體被封閉在熔融金屬中形成的。氣泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化電極或焊絲表面的氧化鈦或氮化鈦；另一方面，還有一些間接因素包括氬弧焊時焊接電流過大，焊接速度過快以及坡口角度太小等。但一般認為：氫氣是引起氣孔的主要原因。在焊縫金屬冷卻過程中，氫的溶解度會發生變化，如焊接區周圍氣氛中氫的分壓較高時，焊縫中的氫不易擴散逸出，而集聚在一起形成氣孔。為防止氣孔的產生，需要采取的措施如下：①嚴格控制基體金屬、焊絲、保護氣中氧、氮、氫等雜質氣體的含量；②焊前徹底清除工件、焊絲表面上的氧化皮及油污等有機物；③增加熔池停留時間以便氣泡逸出，可有效減少氣孔。
鈦不僅在熔融狀態下能和大部分元素發生反應，而且在300度以上就開始大量吸氫，從而降低鈦的塑性與韌性，導致氫脆。鈦在600℃以上會急劇地和氧、氮化和，生成二氧化鈦或氮化鈦，當加熱到800℃以上時，二氧化鈦即溶解于鈦中并且擴散深入到金屬鈦的內部組織中去，形成中間脆性層。鈦易與碳形成脆性的碳化物，降低鈦的塑性和焊接性。因此對焊接熔池的保護是非常重要的。
當焊縫中含氧、氫、氮等雜質元素較多時，焊縫和熱影響區的性能變脆，在較大的焊接應力作用下容易出現裂紋。這種裂紋是在較低溫度下形成的。在焊接鈦合金時，熱影響區有時也會出現延遲裂紋，這是由于熔池中的氫和母材金屬低溫區中的氫向熱影響區擴散，造成氫在熱影響區的含量增加并析出TiH2，使熱影響區脆性變大。此外，氫化物析出時的體積膨脹會引起較大的組織應力，在加上氫原子的擴散與聚集，最終使得焊接接頭形成裂紋。防止這種延遲裂紋的方法，主要是減少焊接接頭氫的來源。另外，鈦一旦沾染鐵離子就會變脆，亦是產生焊接裂紋的主要原因之一。預防措施也是減少鐵離子的來源，不要讓鈦與鐵接觸。
鈦及鈦合金焊接有時也會出現咬邊、塌陷等缺陷，這主要是因為鈦在液態狀態時流動性強造成的。因此，焊工在進行鈦材焊接前應進行有針對性的訓練，另外也要注意坡口組對和裝配的精確性。
5.結束語
通過對鈦及其合金的物理化學性能的總結，以及對其焊接性的分析，初步掌握了鈦及鈦合金管材的焊接工藝特點和要求，制定出了比較合理的鎢極氬弧焊工藝參數，同時分析了鈦及鈦合金的管道焊接的容易出現的主要缺陷，并提出了相應的預防措施，在取得項目順利實施的同時，為同類項目積累了經驗。
參考文獻：
[1]韋生，費東，田雷.鈦及鈦合金焊接工藝探討[J].焊接技術，2013：42（4）：73-75.
[2]康浩方.國內外鈦設備的焊接技術現狀[J].鈦工業進展，2003，20（5）：70-73.
[3]阮鑫.鈦材焊接缺陷分析與焊接質量控制[J].機械工程材料，2004，28（8）：52-54.
[4]高飛.鈦及鈦合金材料的焊接技術[J].石油化工建設，2006，28（4）：38-42.
[5]張小明.鈦及鈦合金的焊接[J].稀有金屬快報，2001，5：17-20.
[6]戚運蓮，洪權，劉向，趙永慶.鈦及鈦合金的焊接技術[J].鈦工業進展，2004，21（6）：25-29.