立坤钛业谈TA2纯钛管的焊接性能

工业纯钛是指含有少量 Fe、C、O、N、H 等杂质，钛含量不低于 98.5%(质量分数)的致密金属钛。工业纯钛强度在 280~720 MPa 之间，具有良好的塑性、韧性，并且工艺性能优异，有较好的耐腐蚀能力；工业纯钛常被制成制造非承力件，长期工作温度可以达到 300℃以上。工业纯钛以其优异的综合性能应用于各个领域，包括航天航空、船舶、化工、医疗器械等。 

根据工业纯钛中的杂质含量和纯度，可以将其分为四个等级(TA0~TA3)，这四种等级的工业纯钛间的间隙杂质元素是逐渐增加的，故其机械强度和硬度也随之逐级增加，但塑性、韧性相应下降。工业纯钛中应用最广的要数TA2工业二级纯钛，这是因为和 TA0、TA1 相比,TA2具有更高的强度和耐磨性；与TA3 相比，TA2钛合金具有更好的工艺性能。 

以下有关纯钛，以TA2钛管材作为焊接试验的基本材料。 

TA2 焊接中的常见问题 

由于钛在高温下化学性质非常活泼，所以钛是一种较难焊接的金属。常见的焊接问题包括焊缝及周围区域晶粒粗大、焊接接头脆化、裂纹、气孔、杂质元素的污染等。 

1）焊缝金属晶粒尺寸粗大 

钛合金具有熔点高、导热性能差等特点，这样的物理性能决定了在 TA2 焊接过程中容易出现焊缝、热影响区的组织粗大现象，引起塑性、韧性降低。因此在制定焊接工艺时，必须考虑焊接热输入对晶粒大小的影响，要严格控制热输入，从选择合适的焊接电流、焊接电压、焊接速度的角度来研究控制晶粒尺寸的措施。 

2）焊接接头脆化 

钛及钛合金在焊接过程中极易受气体等杂质污染而脆化。在常温下钛及钛合金比较稳定，能与氧发生反应在表面生成致密的氧化膜，该氧化膜的产生使得钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性。然而，随着温度的升高，钛及钛合金吸收氧、氮及氢元素的能力明显增加，钛从 250℃开始吸收氢，从 400℃开始吸收氧，从 600℃ 开始吸收氮。氢是影响钛性能的有害元素之一，它会导致钛的塑性与韧性降低，发生氢脆。在冷却时，氢来不及时溢出会产生气孔，故一般要求钛材中氢含量小于 0.01％～0.15％。钛和氧有很强的亲和力，在较低温度时，氧进入钛表面晶格生产了致密的氧化膜，极大提高了钛的耐腐蚀能力；当温度升高时钛的氧化膜会变成多孔状，氧会通过小孔进入钛内部，生成间隙固溶体，在钛内部形成硬化层，降低钛的塑性。钛在 600℃以上会与氮作用，使焊接接头的塑性韧性下降，引起气孔和裂纹。因此，焊接时需对熔池、焊缝及温度超过 200℃的热影响区妥善保护。 

3）焊接裂纹 

由于钛及钛合金中 S、P 等杂质很少，不容易形成晶界上的低熔点共晶，结界温度区间窄，焊接凝固收缩量小，所以出现热裂纹的可能性比较小。但是若母材和焊丝杂质含量超标，则有可能出现焊接热裂纹，因此在选择母材、焊丝时要严格控制杂质含量，并且在焊前要对母材、焊丝进行清理，严防杂质元素进入。 

冷裂纹是焊接 TA2 钛管时的主要问题之一。在焊接过程中，如果没有受到良好的保护，钛及钛合金就容易受到氧、氢、氮等杂质的污染而脆化，在焊接应力的作用下出现冷裂纹。氢是形成冷裂纹的主要原因。氢在扩散过程中，会从固溶体中析出 TiH；析出 Ti H 的过程将会出现较大的体积变化和较大内应力。为了避免冷裂纹的出现就要重点防治氢的危害。 

在制定焊接工艺时，可以通过控制氢、氮等杂质元素的方法来减少裂纹。 

4）气孔 

气孔是TA2钛管焊接时最常见的缺陷。气孔带来的主要影响是降低焊接接头的疲劳强度，气孔的存在将会使得疲劳强度降低一半以上。 

钛管焊接接头中的气孔按来源可以分为冶金反应生成的气孔，外部空气倾入形成的气孔，油污、水分分解产生的气孔。其中，因为焊前清理不到位而附着在钛管、焊丝表面上的油污是造成气孔的主要原因。在加工焊丝残留的润滑剂，打磨破口时残留的磨粒，焊接坡口附近残余的水分都可能造成气孔产生。另外，氢也是引起气孔的一个因素，氢主要来源于焊丝中的氢含量超标以及坡口和空气中的水分。选择含氢量低的焊丝，采取合适的方法避免水分和空气的污染，能有效避免由氢导致的气孔。值得注意的是，不同的焊接方法，不同焊接工艺参数也会对气孔的多少产生影响。通常情况下，钨极氩弧焊产生的气孔比电子束焊少。焊接工艺对气孔的影响也很显著，焊接参数、固定焊技术、根部间隙、保护气体的纯度、焊缝的冷却速度等均会影响气孔的产生。 

5）杂质污染 

在焊接钛管时，杂质元素会对焊接接头的力学性能以及耐腐蚀性能产生不良影响。 

（1）钛高温下非常活泼，在焊接过程中极易吸收氧、氮、氢和碳等元素，降低焊接接头塑性、韧性。吸收的氧和氮元素会固溶于焊缝，增加钛晶格的畸变程度，增加变形抗力，导致焊缝及热影响区的强度、硬度增加，塑性韧性降低，其中氮的影响程度要高于氧。氢元素的增加，也会严重降低焊接接头的塑性韧性。

碳的危害在于能形成间隙固溶体，使材料脆化；当碳含量过高超过溶解度时，就会生成硬脆的 TiC 组织，往往会导致裂纹产生。 

（2）钛材在温度高于 288℃时，其表面残留的氯化物和其它清洗液会使其产生应力腐蚀裂纹。 

（3）对钛材影响最大的是铁离子。由于焊缝在形成过程中与铁接触的机会最多，即使母材中铁含量不高，焊缝局部铁离子含量绝对会高于母材，导致焊缝出现原电池腐蚀，其腐蚀严重程度要比母材高些，发生“焊缝优先腐蚀”。铁的主要来源于焊接、检修过程中，钛材和其他材料的接触。所以在焊接钛管时，在焊前准备和焊接过程中都必须注意减少铁的污染。 

6）焊接变形 

钛的弹性模量约为低碳钢的一半，弹性模量小；导热系数低，约为钢的1/4，铜的1/23，铝的 1/3。因此，在焊接过程中会产生较大的焊接变形。钛冷变形的回弹能力强，大约是不锈钢的两倍以上，焊后矫正困难。所以，在焊接过程中就需要考虑如何采取有效措施来预防焊接变形。控制焊接变形可以从优化焊接工艺参数和工件组装上进行考虑，如较小的热输入能减少焊接变形的出现。此外在，在焊前进行定位焊，对钛管进行约束也能有效减少焊接后的角变形和弯曲变形。 

正是由于钛在焊接中容易出现这些质量问题，在制定焊接工艺时在各个环节必须充分考虑如何避免上述焊接缺陷，确保得到高质量的焊缝。 

根据TA2工业二级纯钛的物理、化学性质，探讨了其焊接性。列举了TA2钛管焊接过程中常见的焊接缺陷，以及这些焊接缺陷带来的危害，并简单提出了控制这些焊接缺陷的方法。

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