鈦及鈦合金是一種密度小、強(qiáng)度高、耐熱性好、韌性高、導(dǎo)熱性及抗疲勞性好、有著較寬的工作溫度范圍等一系列優(yōu)異性能的工程結(jié)構(gòu)材料,被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。相關(guān)資料表明，高性能鈦及鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用占到了鈦材總產(chǎn)量的70%左右。而鈦合金在飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)等部方面的應(yīng)用，不可避免的需要使用焊接手段進(jìn)行連接，因此，鈦合金的焊接方法在擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍上具有重要作用。

一、鈦及鈦合金焊接性分析

鈦及鈦合金在焊接過程出現(xiàn)的問題主要有以下5 種：

（1）化學(xué)活性大：

鈦及鈦合金不僅在熔化狀態(tài)，即使在400℃以上的高溫固態(tài)，也極易被空氣、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收氧、氮、氫、碳等元素，使得焊接接頭的延性及韌性下降，并易引起氣孔。

因此，焊接時(shí)對熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區(qū)都要妥善保護(hù)。

（2）粗大的晶粒不能通過焊后熱處理細(xì)化：

鈦和鈦合金熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差、熱容量較小，因此焊接時(shí)，焊接接頭容易產(chǎn)生過熱組織，晶粒變得粗大，特別是β鈦合金，易引起延性降低。因此，在選擇焊接規(guī)范時(shí)要特別注意，即要保證不過熱，又要防止淬硬現(xiàn)象。但因后者可通過熱處理來改善，而晶粒粗大卻很難改善。所以主要應(yīng)防止晶粒粗大。而選擇較硬規(guī)范。

（3）具有冷裂傾向：

溶解于鈦中的氫在320℃時(shí)和鈦會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，析出TiH2，引起金屬的延性和韌性降低，同時(shí)發(fā)生體積膨脹而引起較大的應(yīng)力，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)生冷裂紋。

（4）易產(chǎn)生氣孔：

鈦及鈦合金焊接時(shí)形成氣孔的原因主要是氫。

因?yàn)闅湓阝佒械娜芙舛入S溫度升高而下降，焊接時(shí)，沿熔合線附近加熱溫度高，必然會引起氫的析出，因此，氣孔常在熔合線附近形成。

（5）變形大：

鈦的彈性模量約比鋼小一半，所以焊接殘余表形較大，并且焊后校形困難。

二、鈦合金常用焊接技術(shù)

目前在航空航天行業(yè)中主要采用的焊接鈦及鈦合金的方法為鎢極氬弧焊，而近年來電子束焊、等離子弧焊、激光焊等方法也得到了不同程度的應(yīng)用，下文將介紹幾種在航空航天中應(yīng)用的焊接鈦合金的方法。

1、鈦合金的電子束焊

電子束焊目前越來越多地應(yīng)用到鈦合金的焊接中。電子束焊接是利用高能電子束流轟擊材料，電子的動能轉(zhuǎn)換為熱能，熔化金屬形成束孔，在工件或電子束移動的同時(shí)形成了焊縫。由于焊接過程是在真空環(huán)境中進(jìn)行，杜絕了空氣對焊縫的影響，所以焊縫的保護(hù)效果很好。

但是真空電子束焊接需要真空室， 所以一般不適合于室外焊接以及大尺寸工件焊接，不適合于大批量生產(chǎn)。

真空電子束的工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響至關(guān)重要，通過增加加大功率或降低焊接速度來增加焊接深度。采用振動束流焊接的接頭能大幅度降低咬邊深度和熱影響區(qū)寬度，并且提高接頭的缺口韌性和伸長率。

電子束焊接在焊接厚度較大的零件時(shí)，會用于元素?zé)龘p使接頭的組織出現(xiàn)不均勻性，使接頭的性能難以控制，所以大厚度電子束焊接技術(shù)仍需深入研究，滿足航空航天鈦合金的加工要求。

2、鈦合金的激光焊

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、熱變形小、可聚焦、無接觸加工、深穿透、高效率、高精度、熱影響區(qū)狹窄、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 激光焊也有其不足之處，它的穿透力不如電子束強(qiáng)，因此能夠焊接的板材的厚度十分有限。在焊接鈦合金時(shí)焊后組織不均勻，接頭的組織性能上存在很大差距，影響焊接接頭的力學(xué)性能，并且激光焊接在焊縫熔合線附近容易產(chǎn)生氣孔。

現(xiàn)階段在航空航天行業(yè)中，為了減小激光焊接對焊接接頭性能的影響，主要是采用脈沖或者氬弧焊與激光復(fù)合的方式進(jìn)行焊接，也有在焊接過程中采用擺動光束焊接來抑制焊接過程中氣孔的產(chǎn)生。

目前的研究中，大多集中在對鈦合金薄板焊接的方向，對中厚度鈦合金激光焊接和激光焊接過程控制組織不均勻性的問題仍需深入研究。

3、鈦合金的等離子弧焊

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法，它有兩種基本方法：小孔型等離子弧焊及熔透型等離子弧焊。等離子弧焊具有能量集中、射流速 度大、熔深大、電弧力強(qiáng)、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊件不開坡口等特點(diǎn)。等離子弧的能量密度介于電弧與電子束之間，等離子射流可以直接穿透被焊工件，由于鈦的比重較輕，重力作用較小，而且液態(tài)鈦的表面張力較大，所以有利于形成“穿孔效應(yīng)”進(jìn)行等離子焊接，能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

等離子弧焊常使用恒流電源的直流產(chǎn)生的傳熱型等離子弧。在焊接時(shí)為了降低氫元素對焊接的影響，常常使用無氫的純氬氣進(jìn)行保護(hù)。在零件焊接厚度小于0.5mm以下時(shí)，采用微束等離子弧進(jìn)行焊接；在零件焊接厚度為0.5mm～1.5mm時(shí)，采用溶入法焊接，并且增加反面成形墊。

結(jié)語

由于鈦合金材料優(yōu)異的特性，它在航空航天領(lǐng)域必將有著更廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外已經(jīng)針對鈦及鈦合金的焊接技術(shù)開展了大量的研究，但是仍存在許多未能解決的問題，不能滿足在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。需要根據(jù)產(chǎn)業(yè)的要求，進(jìn)一步研究各種鈦及鈦合金的焊接技術(shù)，優(yōu)化焊接工藝，保證各種鈦合金結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。

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