摘要：钛及钛合金因具有优异的耐腐蚀性及综合的力学性能而广泛应用于各个行业.钛及钛合金的主要焊接方法是钨极氩弧焊、电子束焊、等离子弧焊和激光焊等高能束焊，且常作为特殊的焊接方法使用，由于设备投入大，不适合钛及钛合金大批量生产应用。改进钨极氩弧焊依然是研究的重点，分析认为双钨极氩弧焊用于钛及钛合金的薄板焊接，将改进钛及钛合金薄板焊接的研究现状，提高焊接效率并获得与高能束焊质量相近的焊接接头，在低成本、高效、高质量焊接方面具有重要的意义。
关键词：钛；钛合金；焊接性；应用
引言
与普通的金属材料相比，钛具有非常多的优点：在力学性能方面，钛不仅具有较高的比强度，还具有优异的韧性和抗疲劳性；在化学性能方面，钛在自然条件下就可以形成致密的氧化膜，该氧化膜能抵抗外界多种化学介质的腐蚀，具有优异的耐腐蚀性能；更值得一提的是，钛合金在５５０℃高温下长期使用，仍能保持较好的持久强度和热稳定性，且当氧、氢、氮等含量较低时，在超低温度条件下仍具有良好的延性和韧性。目前，钛及钛合金的应用主要分为航空航海和一般工业等传统的应用以及汽车、计算机、体育用品等新的应用领域。钛及钛合金的化学性能比较活泼，在高温状态极易氧化，对热加工（如铸造、锻造及焊接等）不利。除此之外，钛及钛合金的切削加工也较难，主要是钛在切削加工时容易粘刀，严重影响到钛及钛合金的表面质量。因此，钛及钛合金的加工与普通金属的加工有较大差异，对于钛及钛合金的加工，在方法上有其特殊的要求。目前，随着加工技术的不断革新，可用于加工钛及钛合金的方法也越来越多。
1焊接发展现状
近年来，为适应现代焊接产品不断增长的高功能、高精度、高可靠性和高效率的要求，传统的焊接技术在高技术制造领域所占比重日趋减少，各种新型焊接技术日益普及，如高能束流焊接技术就是其中最有发展潜力、最先进的焊接技术之一。高能束流焊接包括电子束焊、激光焊、复合束流焊接等方法，具有焊接速度快、焊缝质量高及高效节能等许多优点，在国外已被广泛应用于航空航天、微电子、汽车、核工业等高技术领域。如激光技术已用于焊接结构件、管材等，从而改善了焊接生产的工作环境。在一些发达国家，已用电子束焊接管道，其焊缝质量高，劳动生产率能提高2倍~10倍。此外，由于摩擦焊具有低的焊缝脆性备受日本日立公司的青睐，由该公司独立开发的搅拌摩擦焊（FSW）焊接装置，目前在铝、镁合金及铜合金的生产中取得了良好的效果。据TWI公司报道，该焊接方法也可用于钛，现在还在试验中，不过钛的搅拌摩擦焊是指日可待的。目前国内在钛产品焊接过程中使用最普遍的是钨极氩弧焊（TIG），包括手工、自动或半自动氩弧焊。除氩弧焊外，其它焊接方法如真空电子束焊、等离子焊、熔化极氩弧焊等工艺也可用于钛产品的焊接，但这些焊接方法使用很少。
2钛及钛合金铸造成型及应用
2.1钛及钛合金铸造性能
作为近净成型技术之一，铸造技术可以一次性成型形状复杂的产品，且能提高材料利用率并降低成本。然而，钛及钛合金化学性能非常活泼，在高温下极易被氧化，因此，对钛合金进行铸造需要采用特种熔炼技术和设备，以防被污染。同时，与其他金属相比，钛及钛合金的铸造性能与充填补缩能力较差。影响钛及钛合金铸件品质的因素颇多，其中主要影响铸造性能（关于钛及钛合金的铸造性能主要包括流动性、充填性、浇注和凝固过程形成气体缺陷的倾向等）而这些影响因素又与合金的成分和性能、铸型材料的种类以及熔炼、浇注条件相关。
2.2造型材料
由于造型材料是决定钛及钛合金铸件质量的关键，因此合理选择造型材料具有举足轻重的意义。目前，用于钛及钛合金铸造的模型主要有石墨型、砂型和陶瓷型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆石墨型具有良好的高温稳定性，能抵抗液体钛及钛合金的剥蚀，石墨型的制备是生产民用钛铸件的主要造型工艺，按工艺不同可分为机加工石墨型和石墨捣实型。应当注意的是，生产质量要求严格的航空铸件，其机加工型和捣实型在浇铸前均需进行真空除气处理。沈阳铸造研究所苏贵桥等采用红外方法对机加工石墨铸型进行了预热处理，设计出合理的红外线预热装置，得出预热石墨铸型的最佳温度为３５０～４００℃，能够满足相机镜座、诱导钛合金轮薄壁铸件的试验、生产要求，消除表面冷隔、皱褶以及浇不足等缺陷，提高了铸件质量。洛阳船舶材料研究所的范善君等，利用石墨型铸造制备了钛合金导轮，与精密铸造方式相比，该方法制备的导轮精度高、质量稳定，且不存在蜡模组合时产生的误差对叶片的分布、尺寸等的影响。
3钛及钛合金焊接特点
3.1钛及钛合金焊接焊缝缺陷
钛及钛合金的焊接中易产生气孔，细小且数量多。钛及钛合金的焊接中气孔似乎是不可避免的焊接缺陷，形成气孔的因素很多，且很复杂。一方面有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存在氧化物等直接因素，这些气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属中形成的。气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或氮化钛；另一方面，还有一些间接因素包括氩弧焊时焊接电流过大，焊接速度过快以及坡口角度太小等。但一般认为：氢气是引起气孔的主要原因。在焊缝金属冷却过程中，氢的溶解度会发生变化，如焊接区周围气氛中氢的分压较高时，焊缝金属中的氢不易扩散逸出，而聚集在一起形成气孔。为防止气孔的产生，需采取的措施如下：严格控制基体金属、焊丝、保护气体氩气中氧、氮、氢等杂质气体的含量；采用等离子弧焊，特别是脉冲等离子弧焊接比用氩弧焊气孔少；焊前彻底清洗板材、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物；增加熔池停留时间便于气泡逸出，可有效地减少气孔。即采用低速焊和焊道重熔等。焊件、焊丝在焊前进行真空处理。这不仅可以改变焊件、焊丝的氢含量，而且能改变焊件、焊丝的表面状态。
3.2钛及钛合金焊接组织
工业纯钛及α钛合金的焊接组织在常温下是单相，根据冷却速度的不同，生成锯齿状或针状组织。各种机械性能与基材相比没有大的变化，焊接性能良好。α+β钛合金在从β相冷却的过程中，形成马氏体（α′相），α′相的数量和性质按合金组成和冷却速度而变化。一般情况下，随α′相的增加，合金的延性、韧性降低。即使是焊接性良好的Ti-6Al-4V，当β稳定元素钒含量在5%以上时，焊接性能下降。β钛合金的马氏体生成温度低于室温，焊接处是亚稳定β相，所以焊接性不劣化。但因合金元素添加过多，往往缺乏延性。另外，时效和冷加工使合金强度提高，而焊接会使强度有所损失，故不大采用焊接接合。
结束语
因钛及钛合金具有的优异性能受到越来越多的关注，钛及钛合金的焊接也越来越受到人们的重视。目前，国内外已经针对钛及钛合金的焊接开展了大量研究，但还远未满足工业的需求。不断增加的对于高质量钛及钛合金焊接件的需求，要求不断提高焊接质量，优化焊接工艺，降低焊接成本。因而，钛及钛合金焊接研究与生产单位，需要根据其焊接性及产业的发展，进一步研究各种钛及钛合金材料的焊接性，优化现有焊接工艺，开发新的焊接方法，提高钛合金结构件的质量。
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论文作者:董力永
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/2
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