钛棒钛管等钛及钛合金在航空航天应用中的焊接技术

引言：钛及钛合金是一种密度小、强度高、耐热性好、韧性高、导热性及抗疲劳性好、有着较宽的工作温度范围等一系列优异性能的工程结构材料,被广泛地应用于航空航天领域。相关资料表明，高性能钛及钛合金在航空航天工业中的应用占到了钛材总产量的70%左右。而钛合金在飞机及其发动机等部方面的应用，不可避免的需要使用焊接手段进行连接，因此，钛合金的焊接方法在扩大钛合金的应用范围上具有重要作用。

一、钛及钛合金焊接性分析

钛棒、钛管、钛板等钛及钛合金在焊接过程出现的问题主要有以下5 种：

（1）化学活性大：钛及钛合金不仅在熔化状态，即使在400℃以上的高温固态，也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收氧、氮、氢、碳等元素，使得焊接接头的延性及韧性下降，并易引起气孔。

因此，焊接时对熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要妥善保护。

（2）粗大的晶粒不能通过焊后热处理细化：钛和钛合金熔点高、导热性差、热容量较小，因此焊接时，焊接接头容易产生过热组织，晶粒变得粗大，特别是β钛合金，易引起延性降低。因此，在选择焊接规范时要特别注意，即要保证不过热，又要防止淬硬现象。但因后者可通过热处理来改善，而晶粒粗大却很难改善。所以主要应防止晶粒粗大。而选择较硬规范。

（3）具有冷裂倾向：溶解于钛中的氢在320℃时和钛会发生共析转变，析出TiH2，引起金属的延性和韧性降低，同时发生体积膨胀而引起较大的应力，结果导致产生冷裂纹。

（4）易产生气孔：钛及钛合金焊接时形成气孔的原因主要是氢。因为氢在钛中的溶解度随温度升高而下降，焊接时，沿熔合线附近加热温度高，必然会引起氢的析出，因此，气孔常在熔合线附近形成。

（5）变形大：钛的弹性模量约比钢小一半，所以焊接残余表形较大，并且焊后校形困难。

二、钛合金常用焊接技术

目前在航空航天行业中主要采用的焊接钛及钛合金的方法为钨极氩弧焊，而近年来电子束焊、等离子弧焊、激光焊等方法也得到了不同程度的应用，下文将介绍几种在航空航天中应用的焊接钛合金的方法。

1、钛合金的电子束焊

电子束焊目前越来越多地应用到钛合金的焊接中。电子束焊接是利用高能电子束流轰击材料，电子的动能转换为热能，熔化金属形成束孔，在工件或电子束移动的同时形成了焊缝。由于焊接过程是在真空环境中进行，杜绝了空气对焊缝的影响，所以焊缝的保护效果很好。

但是真空电子束焊接需要真空室， 所以一般不适合于室外焊接以及大尺寸工件焊接，不适合于大批量生产。

真空电子束的工艺参数对焊接质量的影响至关重要，通过增加加大功率或降低焊接速度来增加焊接深度。采用振动束流焊接的接头能大幅度降低咬边深度和热影响区宽度，并且提高接头的缺口韧性和伸长率。

电子束焊接在焊接厚度较大的零件时，会用于元素烧损使接头的组织出现不均匀性，使接头的性能难以控制，所以大厚度电子束焊接技术仍需深入研究，满足航空航天钛合金的加工要求。

2、钛合金的激光焊

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、热变形小、可聚焦、无接触加工、深穿透、高效率、高精度、热影响区狭窄、适应性强等优点， 激光焊也有其不足之处，它的穿透力不如电子束强，因此能够焊接的板材的厚度十分有限。在焊接钛合金时焊后组织不均匀，接头的组织性能上存在很大差距，影响焊接接头的力学性能，并且激光焊接在焊缝熔合线附近容易产生气孔。

现阶段在航空航天行业中，为了减小激光焊接对焊接接头性能的影响，主要是采用脉冲或者氩弧焊与激光复合的方式进行焊接，也有在焊接过程中采用摆动光束焊接来抑制焊接过程中气孔的产生。

目前的研究中，大多集中在对钛合金薄板焊接的方向，对中厚度钛合金激光焊接和激光焊接过程控制组织不均匀性的问题仍需深入研究。

3、钛合金的等离子弧焊

等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法，它有两种基本方法：小孔型等离子弧焊及熔透型等离子弧焊。等离子弧焊具有能量集中、射流速 度大、熔深大、电弧力强、焊缝窄、热影响区小、焊件不开坡口等特点。等离子弧的能量密度介于电弧与电子束之间，等离子射流可以直接穿透被焊工件，由于钛的比重较轻，重力作用较小，而且液态钛的表面张力较大，所以有利于形成“穿孔效应”进行等离子焊接，能获得优质的焊接接头。

等离子弧焊常使用恒流电源的直流产生的传热型等离子弧。在焊接时为了降低氢元素对焊接的影响，常常使用无氢的纯氩气进行保护。在零件焊接厚度小于0.5mm 以下时，采用微束等离子弧进行焊接；在零件焊接厚度为0.5mm～1.5mm 时，采用溶入法焊接，并且增加反面成形垫。

三、结语

由于钛棒、钛管、钛板等钛合金优异的特性，它在航空航天领域必将有着更广阔的应用前景。目前，国内外已经针对钛及钛合金的焊接技术开展了大量的研究，但是仍存在许多未能解决的问题，不能满足在航空航天领域中的应用。需要根据产业的要求，进一步研究各种钛及钛合金的焊接技术，优化焊接工艺，保证各种钛合金结构件的质量。

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作者简介：张伟杰（1991.08—），男，汉族，黑龙江省哈尔滨市，硕士研究生学历，职称：工程师，中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，研究方向：焊接

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