钛合金焊接研究浅析

　　摘要：钛合金已广泛应用于航空、造船、化工、石油等领域。本文主要通过钛合金材料焊接性的分析，以及不同焊接工艺条件下钛合金焊接组织与性能的变化，反应钛合金焊接研究现状。
　　关键词：钛合金；焊接性；组织性能
　　钛合金的突出优点是密度小、强度高、耐高温、和耐腐蚀，具有较好的韧性。随着科技的发展，先进的焊接结构要求降低材料消耗，减轻结构重量，具有以上优点的钛合金有着广阔的应用前景。则钛合金的焊接性和对于各种焊接方法的适应性就成为了钛合金焊接研究的一个重点内容。
　　1.钛合金焊接性分析
　　焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。包括两个含义：其一是结合性能；其二是使用性能。
　　钛合金焊接性主要取决于氧、氮、氢等杂质含量、合金元素含量和焊接热循环。钛在常温下能与氧反应生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。但在焊接热循环作用下，钛与氧、氮、氢反应形成间隙固溶体化合物，使焊接接头塑性和韧性降低，引起焊接点脆化。O、N等杂质虽然不能改变晶体结构，但常处在晶格的间隙位置，阻碍位错移动，显著提高钛的硬度和强度。如果焊缝中含氢量过多，会析出细片状或针状的TiH引起应力集中，使焊缝冲击韧度显著降低。
　　2.钛合金焊接方法及研究现状
　　针对钛合金的焊接性特点，可用于钛合金的焊接方法有熔化焊接、固相焊接及钎焊。钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方式在钛合金的焊接中应用广泛。
　　2.1 TIG焊
　　TIG焊是钛合金焊接中应用最广泛的一种方法。焊接过程中钨极不熔化，由焊枪的喷嘴送进氩气作为保护气体，还可根据需要添加填充金属。但是钨极氩弧焊焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大，焊缝中会产生气孔以及夹钨等缺陷，易出现因气体保护不良而影响焊缝质量的问题，因而不适合焊接薄板钛合金。
　　2.2 MIG焊
　　MIG焊熔深大，主要用于焊接钛合金厚板， 可以减少焊接工序，提高焊接速度，降低生产成本，也可减少焊缝气孔。但MIG焊采用的是直流反接，熔滴为细颗粒过渡，薄板焊接时通常采用短路过渡，而厚板焊接时则采用喷射过渡，填充金属受污染的可能性较大。因此，对于保护的要求比TIG焊更严格，气体纯度和焊丝表面清洁度的要求也更高，焊前必须彻底清理，在焊接过程中还要严格控制。
　　2.3 真空电子束焊
　　真空电子束焊焊接钛合金时焊接接头中易产生大的残余应力，随着焊接件厚度的增大而增加。降低残余应力的主要方法是焊接后对焊件进行完全真空退火。
　　2.4 激光焊
　　激光焊容易实现焊缝宽度小、变形少的高精度焊接，可在大气中作业。邹世坤等采用YAG、CO激光焊接BT20、TC4钛合金板材，接头抗拉强度、抗剪强度等性能与母材相当，接头的疲劳性能和弯曲角低于母材，真空热处理后高周疲劳寿命接近母材，但弯曲角只有母材的1/2。因此，在钛合金结构设计时应避免将焊缝置于最大弯矩位置。
　　2.5 等离子弧焊
　　等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法，在焊接钛及钛合金时，为了避免产生钛的氢化物，使用无氢的纯氩气或氩与氦的混合气。
　　2.6 其他焊接方法
　　钛与大部分金属可以形成固溶体或化合物，因此钛合金的钎焊性很好。为获得高质量的接头，必须控制界面层脆性相生成的种类、数量、形态及分布。钎焊温度和钎焊时间是影响钛合金钎焊接头组织性能演化的两个最主要因素。Elrefaey等以Incusil-AB（Ag-27.2Cu-12.5In-1.25Ti）为钎料，对不锈钢和钛合金进行了真空钎焊。钎焊温度为650～850℃。通过对钎焊接头分析得出：随着钎焊温度的升高，焊接区域的厚度随之缩小，金属间化合物生成量也不断增大。抗剪强度试验表明：随着温度升高钎焊接头抗剪强度先增后减，于750℃达到最高值113MPa[3]。
　　钛合金具有良好的摩擦焊接性，在无特殊保护措施的条件下优化工艺，可获得良好的焊接接头。栾国红等针对TC4钛合金进行了搅拌摩擦焊的探索性研究。结果显示：TC4钛合金焊接接头的强度可达到母材强度的90%以上，但接头的塑性相对较低，焊接方法的工艺、参数、搅拌头均有待优化。刘会杰等利用含W-Re的搅拌头对TC4钛合金进行搅拌摩擦焊接，接头的抗拉强度达到母材的92%，接头断裂于搅拌区，表现出明显的韧性断裂特征，热影响区硬度低于母材，搅拌区是接头的最薄弱环节。
　　目前扩散焊较多地应用于钛合金与不锈钢之间的焊接。钛合金与不锈钢异质接头采用扩散焊直接焊接时，很难避免接头应力和脆性的金属间化合物相的出现，焊接接头会出现裂纹，因此大多采用中间层金属。李鹏等分别采用常规工艺和阶梯状工艺的方法，对添加Ni+Nb复合中间层的TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢真空扩散焊进行了研究。结果表明，通过添加Ni+Nb中间层成功阻止了Fe-Ti金属间化合物生成，接头界面过渡区组织自不锈钢侧依次为Fe-Cr-Ni固溶体、Ni-Nb反应层、剩余Nb及Nb-Ti固溶体。阶梯状工艺下接头的结合质量明显优于常规工艺下的接头，在阶梯状工艺上限温度900℃ 条件下接头抗拉强度达到了396MPa。
　　随着钛工业的发展，其焊接技术也将会起着越来越重要的作用。今后焊接技术发展的方向是：便于操作；焊接过程自动化、智能化从而提高焊接生产率；焊接质量稳定性好以及节约能源，有利于环境保护等。因此，国内钛合金焊接研究应根据钛合金材料及产业的发展，进一步研究各种钛合金材料的焊接性，优化现有焊接工艺，针对钛合金开发新的焊接方法，提高钛合金结构件的焊接质量。
　　参考文献：
　　[1]赵红凯，王春亮，任飞，刘兰霄.钦合金焊接的研究进展，材料导报[J]，2007.5（21）：342-348.
　　[2]高福洋，廖志谦，李文亚，钛及钛合金焊接方法与研究现状，先进焊接技术[J]， 2012.
　　[3]王骥腾，王娟，李亚江，钛合金的焊接研究进展，现代焊接[J]，2013，8（128）：17 -21.