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摘 要：钛合金材料不但具有比强度大、韧性及焊接性能好等优点，同时还有着优良的耐腐蚀性。但是由于钛材的化学性质比较活泼，因此在实施钛合金焊接时严格控制焊接工艺显得尤为重要。本论文通过对钛合金特点及焊接性的分析研究，以TA10钛合金为例，针对钛合金焊接中易产生氧化、裂纹、气孔等焊接缺陷，制定合理的焊接工艺， 获得我们满意的焊接质量。
关键词：TA10钛合金 焊接性 气体保护 拖罩 焊缝颜色
一、前言
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，金属钛作为工程材料虽然只有50多年的历史，但由于钛及其合金相对密度轻、强度高、耐腐蚀，在航天、航海、汽车、石化、建筑等诸多领域已显示出非常广阔的应用前景。
在我国，80%的钛产品应用于民用工业。当前，钛及钛合金应用最广泛并且已见成效的主要是石油化工行业，其次是医药、电力、体育、医疗器械、装饰、建筑等行业。应用范围包括各类储运容器、反应釜、过滤器、分离器、换热器、塔器、搅拌器及各种管、泵、阀、板、件等。
在我工区今年负责的催化剂厂的大检修中二套微球装置的反应釜的焊缝补焊也涉及到了钛合金的焊接，所以为了指导实际生产对钛合金的焊接进行探讨显得尤为重要。
因此，本次论文选择了钛合金的焊接作为题目，通过对钛合金焊接的探讨，得到钛合金焊接的正确工艺流程；焊接时应注意的问题以及一些钛合金焊接工艺参数从而为我公司在将来钛及钛合金的焊接方面提供一定的参考依据。
二、钛合金的分类及性能
在实际焊接作业中要保证钛及钛合金焊件高的焊接质量就必须在焊接前事先了解钛及钛合金的分类、牌号及性能，然后根据不同牌号的钛材选择与之相适应的焊丝。并在焊接过程中根据不同类型的钛材采取相应的一些保证焊接质量的措施。
工业纯钛的强度不高，在其中加入合金元素后便可以得到钛合金， 其强度、 塑性、 抗氧化等性能显著提高，并使钛合金的相变温度和结晶组织发生相应的变化钛合金根据其退火组织可分为三大类：α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。其牌号分别以T加A、B、C和顺序数字表示。 TA4～TA10表示α钛合金， TB2～TB4表示β钛合金，TC1～TC12表示α+β钛合金。
α钛合金主要是通过加入α稳定元素Al和中性元素Sn、Zr等进行固溶强化而形成的。铝是α钛合金中的主要合金元素， 铝熔入钛中形成α固溶体， 从而提高再结晶温度。
β型钛合金在我国的应用量较少，其使用范围有待进一步扩大。β钛合金退火组织完全由β相构成。但其室温和高温的性能差， 脆性大， 焊接性能较差，容易形成冷裂纹，在焊接结构中应用较少。
α+β钛合金由α相和β相两相组织构成的。α+β钛合金中含有α稳定元素Al，同时为了进一步强化合金，添加了Sn、Zr等中性元素和β稳定元素，其中β稳定元素的加入量通常不超过6%。氢对α+β钛合金的危害较α钛合金小。由于α+β钛合金力学性能可以在较宽的范围内变化，从而可以使其适应不同的用途。
三、钛合金的焊接性分析
钛合金和碳钢及不锈钢有很大的区别，其具有特定的物理、化学性质，要了解钛合金的焊接工艺，提高其焊接质量就必须深入了解钛合金的焊接性。因此，下面将对钛合金的焊接性进行详细的分析为今后指导钛合金的焊接提供一定的理论依据。
1.焊缝中的气孔问题
钛合金焊接时，气孔是经常碰到的问题，其主要产生在熔合线附近。氢是形成气孔的根本原因，在焊接时由于钛吸收氢的能力很强而随着温度的下降氢的溶解度下降所以溶解于液体钛中的氢往往来不及逸出而在钛中形成气泡。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。
防止产生气孔的工艺措施主要有以下几方面：
1.1保护氩气要纯，纯度应不低于99.99%，以防止在焊接时熔池吸收氩气以外的杂质气体。
1.2焊前仔细清除焊丝、 母材表面上的氧化膜等有机物质；严格限制原材料中氢、 氧、 氮等杂质气体的含量；焊前对焊丝进行真空去氢处理来改善焊丝的含氢量和表面状态。
1.3对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。
1.4正确选择焊接工艺参数，延长熔池停留时间以便于气泡逸出，可有效地减少气孔。
1.5尽量缩短焊件清理后到焊接的时间间隔， 一般不要超过2h，否则要妥善保存，以防吸潮。
2.焊接接头的脆化（化学活泼性强）
钛合金很容易受到气体等杂质的污染而产生脆化，造成钛合金焊接接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等。在常温下，由于表面氧化膜的作用，钛能保持高的稳定性和耐腐蚀性。 但钛在高温下， 特别是在熔融状态时对于气体有很大的化学活泼性。 而且在540℃以上钛表面生成的氧化膜较疏松，随着温度的升高，容易被空气、水分、油脂等污染，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。在施焊的过程中，焊接温度高达5000～10000℃，钛及其合金与氧、氢、氮将快速发生反应，无保护的钛在300℃以上吸氢， 600℃以上吸氧， 700℃以上吸氮。焊接接头在凝固、 结晶过程中，焊缝热影响区的金属在正、反面得不到有效保护的情况下，很容易吸收氮、 氢。焊接时对于熔池及温度超过400℃的焊缝和热影响区（包括焊缝背面）都要加以妥善保护。在钛合金焊接时，为保护焊缝及热影响区免受空气的污染，通常采用高纯度的惰性气体。
3.焊接接头的延迟裂纹
钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上，加之有效结晶温度区间窄小，钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。鈦合金焊接时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢的扩散有关。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出 TiH2 量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。
防止延迟裂纹的措施如下：
3.1主要是减少焊接接头氢的来源。
3.2必要时，也可进行一定的热处理，以减少焊接接头的含氢量。
参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册.第2卷.材料的焊接.机械工业出版社，2001.
[2] 焊接技术手册 山西科学技术出版社，1999.
[3] 特殊及难焊材料的焊接 化学工业出版社，2003.
关键词：TA10钛合金 焊接性 气体保护 拖罩 焊缝颜色
一、前言
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，金属钛作为工程材料虽然只有50多年的历史，但由于钛及其合金相对密度轻、强度高、耐腐蚀，在航天、航海、汽车、石化、建筑等诸多领域已显示出非常广阔的应用前景。
在我国，80%的钛产品应用于民用工业。当前，钛及钛合金应用最广泛并且已见成效的主要是石油化工行业，其次是医药、电力、体育、医疗器械、装饰、建筑等行业。应用范围包括各类储运容器、反应釜、过滤器、分离器、换热器、塔器、搅拌器及各种管、泵、阀、板、件等。
在我工区今年负责的催化剂厂的大检修中二套微球装置的反应釜的焊缝补焊也涉及到了钛合金的焊接，所以为了指导实际生产对钛合金的焊接进行探讨显得尤为重要。
因此，本次论文选择了钛合金的焊接作为题目，通过对钛合金焊接的探讨，得到钛合金焊接的正确工艺流程；焊接时应注意的问题以及一些钛合金焊接工艺参数从而为我公司在将来钛及钛合金的焊接方面提供一定的参考依据。
二、钛合金的分类及性能
在实际焊接作业中要保证钛及钛合金焊件高的焊接质量就必须在焊接前事先了解钛及钛合金的分类、牌号及性能，然后根据不同牌号的钛材选择与之相适应的焊丝。并在焊接过程中根据不同类型的钛材采取相应的一些保证焊接质量的措施。
工业纯钛的强度不高，在其中加入合金元素后便可以得到钛合金， 其强度、 塑性、 抗氧化等性能显著提高，并使钛合金的相变温度和结晶组织发生相应的变化钛合金根据其退火组织可分为三大类：α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。其牌号分别以T加A、B、C和顺序数字表示。 TA4～TA10表示α钛合金， TB2～TB4表示β钛合金，TC1～TC12表示α+β钛合金。
α钛合金主要是通过加入α稳定元素Al和中性元素Sn、Zr等进行固溶强化而形成的。铝是α钛合金中的主要合金元素， 铝熔入钛中形成α固溶体， 从而提高再结晶温度。
β型钛合金在我国的应用量较少，其使用范围有待进一步扩大。β钛合金退火组织完全由β相构成。但其室温和高温的性能差， 脆性大， 焊接性能较差，容易形成冷裂纹，在焊接结构中应用较少。
α+β钛合金由α相和β相两相组织构成的。α+β钛合金中含有α稳定元素Al，同时为了进一步强化合金，添加了Sn、Zr等中性元素和β稳定元素，其中β稳定元素的加入量通常不超过6%。氢对α+β钛合金的危害较α钛合金小。由于α+β钛合金力学性能可以在较宽的范围内变化，从而可以使其适应不同的用途。
三、钛合金的焊接性分析
钛合金和碳钢及不锈钢有很大的区别，其具有特定的物理、化学性质，要了解钛合金的焊接工艺，提高其焊接质量就必须深入了解钛合金的焊接性。因此，下面将对钛合金的焊接性进行详细的分析为今后指导钛合金的焊接提供一定的理论依据。
1.焊缝中的气孔问题
钛合金焊接时，气孔是经常碰到的问题，其主要产生在熔合线附近。氢是形成气孔的根本原因，在焊接时由于钛吸收氢的能力很强而随着温度的下降氢的溶解度下降所以溶解于液体钛中的氢往往来不及逸出而在钛中形成气泡。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。
防止产生气孔的工艺措施主要有以下几方面：
1.1保护氩气要纯，纯度应不低于99.99%，以防止在焊接时熔池吸收氩气以外的杂质气体。
1.2焊前仔细清除焊丝、 母材表面上的氧化膜等有机物质；严格限制原材料中氢、 氧、 氮等杂质气体的含量；焊前对焊丝进行真空去氢处理来改善焊丝的含氢量和表面状态。
1.3对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。
1.4正确选择焊接工艺参数，延长熔池停留时间以便于气泡逸出，可有效地减少气孔。
1.5尽量缩短焊件清理后到焊接的时间间隔， 一般不要超过2h，否则要妥善保存，以防吸潮。
2.焊接接头的脆化（化学活泼性强）
钛合金很容易受到气体等杂质的污染而产生脆化，造成钛合金焊接接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等。在常温下，由于表面氧化膜的作用，钛能保持高的稳定性和耐腐蚀性。 但钛在高温下， 特别是在熔融状态时对于气体有很大的化学活泼性。 而且在540℃以上钛表面生成的氧化膜较疏松，随着温度的升高，容易被空气、水分、油脂等污染，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。在施焊的过程中，焊接温度高达5000～10000℃，钛及其合金与氧、氢、氮将快速发生反应，无保护的钛在300℃以上吸氢， 600℃以上吸氧， 700℃以上吸氮。焊接接头在凝固、 结晶过程中，焊缝热影响区的金属在正、反面得不到有效保护的情况下，很容易吸收氮、 氢。焊接时对于熔池及温度超过400℃的焊缝和热影响区（包括焊缝背面）都要加以妥善保护。在钛合金焊接时，为保护焊缝及热影响区免受空气的污染，通常采用高纯度的惰性气体。
3.焊接接头的延迟裂纹
钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上，加之有效结晶温度区间窄小，钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。鈦合金焊接时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢的扩散有关。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出 TiH2 量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。
防止延迟裂纹的措施如下：
3.1主要是减少焊接接头氢的来源。
3.2必要时，也可进行一定的热处理，以减少焊接接头的含氢量。
参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册.第2卷.材料的焊接.机械工业出版社，2001.
[2] 焊接技术手册 山西科学技术出版社，1999.
[3] 特殊及难焊材料的焊接 化学工业出版社，2003.