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1、绪 论钛及钛合金是一种优良的结构材料，它可以和不锈钢、镍基合金争夺应用范围。近年来已在石油化工设备上广泛应用。由于我国钛矿贮量丰富,因此钛及其合金作为石油化工设备新型的抗腐蚀材料有着广阔的前途。在航空、航天、火箭、人造卫星、造船、化工、冶金、造纸、食品、化纤、电镀等工业部门中由于采用钛及钛合金后，提高了设备的使用寿命、生产率，并减轻了结构的重量，从而获得显著的经济效益。钛合金在航空、火箭、宇航技术部门应用较多，如1979年美国有60%以上的钛合金用于喷气发动机、导弹、飞行器等的制造。早在1957年美国火箭技术部门就开始采用钛合金制造高压容器、燃料箱和发动机壳体。1964年采用钛合金制造宇宙飞行
2、器上的框架、高压容器。这些零、部件都是焊接结构。在航空工业中钛及钛合金用于制造某些飞机的喷气发动机排气系统、机身的尾段、蒙皮、消防隔板等。在亚音速飞机上采用钛合金制造大梁、滑轨、机壳等部件时可以减轻重量40%。 随着钛的加工和焊接技术问题的解决，钛及钛合金在民用工业部门中的用量及其使用范围也在逐步扩大。作为一种耐腐蚀介质的结构材料纯钛，在化学工业中得到了广泛的应用。当它用于与强腐蚀介质接触的化工设备中时，可显著地延长设备的使用寿命、检修周期，并提高了产品的质量。纯钛还常用于生产氯气、纯碱、有机染料、人造纤维的设备上，以及用来制造热交换器、蒸发器、气体洗涤器、干燥器、稀硫酸贮槽、大型通片管道、盒
3、形烟道、泵等产品。工业纯钛是一种银白色金属，密度小，熔点高，线膨胀系数小，导热行差。工业纯钛不含合金元素，不能热处理强化。工业纯钛的熔点高（1668）比强度大，并具有很高的化学活性。当钛暴露于空气中时，既会在表面上形成一层致密的、非常稳定的氧化膜，用于该层薄膜的保护作用，使钛在硝酸、稀硫酸、稀盐酸、磷酸、氯盐溶液、各种浓度的碱液中具有优良的耐蚀性。第一章工业纯钛的焊接性分析1.1工业纯钛的物理化学性能随着纯钛加热温度的增高，其化学活性迅速增大，并在固态下能强烈地吸收各种气体。例如：将纯钛板加热至300时，在钛板表面就会吸收氢气；而加热至400时即吸收氧气；在600时吸收氮气。含有氢、氧、氮等元
4、素的纯钛，强度显著提高，而塑性急剧下降。工业纯钛的再结晶温度在550650间。钛在885以下时呈密排六方晶格，称钛，其密度为4.51 g/cm3；当加热至885以上时变成体型立方晶格，称钛，密度为4.31 g/cm3。工业纯钛中含有微量的碳、氧、氮、氢、铁、硅等杂质，这些杂质促使钛强化。根据杂质含量的不同，工业纯钛可分为TA1、TA2、TA3三种牌号，其化学成分及常温机械性能见表1。表1 工业纯钛的化学成分及板材的室温机械性能 牌号化 学 成 分 %状态板材厚度mm室温性能(不小于)不小于杂质 (不大于)bkgf/mm2%TiFeSiCNHOTA199.50.150.100.050.030.0
5、150.15退火0.32.02.110.035504030140130TA299.20.300.150.100.050.0150.20退火0.31.01.12.02.110.0456035302510010090TA399.00.400.150.100.050.0150.30退火0.31.01.12.02.110.05570302520909080钛的机械性能与纯度有关，钛纯度越高，强度越低，但塑性增加。杂质与钛形成脆性化合物，使塑性、韧性急剧降低，因此，钛中杂质受到严格限制。钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较见表2。表2 钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较 材 料比 重（g/cm3）熔 点（）导
6、热系数 （卡/cm.秒）容积比热（卡/cm3 ）电阻系数P(欧姆/cm 105)工业纯钛4.516800.0390.6854不锈钢7.914200.0891.173低碳钢7.815300.0961.1515铝2.76600.540.652.8铜8.910830.940.951.55工业纯钛易于加工成型，但加工后会产生冷作硬化现象。为恢复塑性，一般采用真空退火处理，其温度问700，保温1h。工业纯钛具有优良的冲击韧度，尤其是低温下的冲击韧度。1.2工业纯钛的焊接钛及钛合金具有特定的物理、化学性能和热处理性能，为掌握钛及钛合金的焊接工艺，提高焊接接头的质量，必须了解钛及钛合金的焊接特性。1.2.1
7、各种元素对钛的影响在400以上的高温（固态）下极易被空气、水分、油脂、氧化皮污染，由表面吸收入氧、氮、氢、碳等杂质，以致降低焊接接头的塑性和韧性。现将各种气体的影响概述于下：氧的影响 氧在钛的相或相中都有很高的溶解度，并能形成间隙固溶相，使钛的晶格严重扭曲，从而提高钛及钛合金的硬度、强度，但塑性却显著降低。例如:1.5mm放入TA2工业纯钛的含氧量从0.15%增至为0.38%时，其抗拉强度从568.4MPa，增至735MPa，冷弯角由180降至100。 在600的高温下，氧与钛发生强烈的作用，当温度高于800时，氧化膜开始向钛中溶解、扩散。为了保证焊接接头的性能，除了在焊接过程中严防焊缝及热影
8、响区发生氧化外，同时还应限制基体金属及焊丝中的含氧量。氮的影响 在700以上的高温下，氮和钛发生剧烈的作用，形成脆硬的氮化钛（TiN）,而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪扭程度，比同量的氧所引起的更为严重。因此，氮更剧烈的提高了钛的变形抗力，降低钛的塑性。碳的影响图1 钛-氢相图碳对钛的变形抵抗力的影响比氧和氮小。原因是碳与钛形成的间隙固溶体中，碳原子的分布具有一定的有序性，使碳原子沿一定的晶向发生滑移变形没有很大困难。一般钛材中的碳含量限制在0.1%以下，若钛材中碳含量高达0.28%时，接头的性能变得很脆。氢的影响氢是稳定相的元素，在相中有较大的溶解度，而在相中的溶解度很小，大约只有0
9、.002%，钛-氢（Ti-H）相图如图1所示。溶于-Ti中的氢，随着温度的下降，以相(TiH2)形式析出。所析出的相呈片状或针状存在，断裂强度很低，在金属中起到微裂纹作用，引起接头下降。氢对工业纯钛焊缝金属力学性能的影响如图1所示：为防止氢造成的脆化，焊接时要严格控制氢的来源。首先从原材料入手，限制母材和焊材中氢的含量以及表面吸附的水分，提高氩气的纯度，使焊缝的氢含量控制在0.015%以下。其次可采用冶金措施，提高氢的溶解度。添加5%的铝，在常温下可使氢在钛中的溶解度达到0.023%。添加相稳定元素Mo，V可使室温组织中残留少量的相，溶解更多的氢，降低焊缝的氢脆倾向。当焊接重要结构件时，可将焊
10、丝、母材放入真空度为0.01300.0013Pa的真空退火炉中加热至800900，保温5-6h进行脱氢处理，将氢的含量控制在0.0012%以下，可提高焊接接头的塑性和韧性。1.2.2钛与铝、铁等金属的物理性比较钛的熔化温度高、热熔大、电阻率大、热导率比铝、铁等金属低的多，这种物理特性使钛的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。故在选择焊接工艺参数时，应尽量保证焊接接头（特别是热影响区金属）既不过热又不产生淬硬组织，一般采用小电流、高焊接速度的焊接工艺参数。钛的纵向弹性模量比不锈钢小（约为
11、不锈钢的50%）在同样的焊接应力作用下，钛及钛合金的焊接变形量比不锈钢越大1倍，因此，焊接时宜采用垫板和压板将焊件压紧，以减少焊接变形量，此外，尚可起到加强焊缝的冷却效果。焊接56mm 厚钛板所用的夹具需通水冷却。由试验查明：有循环水冷却的夹具与无循环水冷却的夹具相比，前者可使焊接区的高温停留时间缩短，焊缝的表面色泽得以进一步改善（即氧化程度减轻）。1.2.4钛易形成冷裂纹由于氢气的溶解度变化引起相过饱和析出，并由焊接过程中体积膨胀引起较大内应力的作用而导致冷裂纹的产生。对接接头的冷裂纹一般处于焊缝横断面上。为防止冷裂纹，需控制焊接接头中的氢含量。对于复杂的焊接结构应进行焊后消除应力处理。1.
12、2.5钛的气孔问题及防止措施气孔是最常见的缺陷，它占钛合金整个焊接缺陷的70%以上，尽管国内外对气孔进行了大量的研究，在焊接过程中常采用多种预防措施，但是气孔仍不能完全避免。气孔不仅是造成应力集中的因素，而且气孔边缘的金属含氢量高、塑性低，结果使整个接头的塑性和疲劳寿命降低，甚至导致某些结构发生断裂、破坏。形成气孔的因素很多，且很复杂，影响钛焊缝气孔的各种因素如表3所示：表3 钛焊缝形成气孔的影响因素 影响因素形成气孔的原因焊接区气氛在熔池中混入氧、氮、氢等杂质气体焊丝焊丝表面吸附杂质气体焊丝表面存在灰尘和油脂焊丝表面存在氧化物焊丝内部含有杂质气体焊件焊件表面吸附杂质气体焊件表面存在灰尘和油脂
13、焊件表面存在氧化物焊件内部含有杂质气体焊接条件钨极氩弧焊时焊接电流太大焊接读读太快坡口形式破口角度太小一般认为：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撒逸出，而聚集在一起形成气孔。当钛焊缝中的碳大于0.1%及氧大于0.133%时由氧与碳反应生成的CO气体也可导致产生气孔。随着焊接电流的增大气孔有增加的倾向，特别是当焊接电流达到220A时，气孔急剧增加如图2所示。不同焊接速度对气孔的影响如图3所示，无论是单层焊还是双层焊，焊接速度增大，气孔增多。在单层钨极氩弧焊时，焊接速度大于10m/h,气孔总体积迅速增加。
14、为防止气孔的产生，必须采取以下措施：1.严格控制基体金属、焊丝、氩气中氢、氧、氮等杂质气体的含量。2.彻底清楚板材、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物。3.正确选择焊接工艺参数，延长熔池的停留时间，便于气泡浮出，一般可减少气孔56倍，这是值得推荐的措施。4.用等离子弧焊代替钨极氩弧焊可以减少气孔，这是由于等离子弧焊的熔池温度高，对熔池前沿的焊接破口热清理作用大及放气过程快的缘故。5.尽量缩短焊件从清理到焊接的时间。临焊前对焊件、焊丝清理具有良好的效果，可减少气孔1.52.0倍。从清理到焊接的时间一般不超过2h，否则要用玻璃纸包好存放，以防吸潮。6.对钛丝进行真空处理。这不仅降低了焊丝的含氢量，而
15、且能改善焊丝的表面状态。7.焊前在破口端面需进行机械加工，去掉切痕，则可有效地预防气孔的产生。8.对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象。9.应保持低的氩气露点，焊炬上通氩气的管道不宜采用橡皮管，而最好用尼龙软管。第二章工业纯钛的焊接工艺拟定2.1焊前准备2.1.1焊前准备坡口形式及尺寸的选择原则焊前准备坡口形式及尺寸的选择原则是,尽量减少焊接层数和填充金属量，随着焊接层数的增多，焊缝的累积吸气量增加，以致影响到接头的塑性。V形坡口是常用的一种坡口，采用此种坡口可简化焊缝背部的保护。V形坡口的钝边宜小，在单面焊时，甚至可不留钝边，坡口角度在6065之间。 钛板的坡口
16、可在刨边机、普通刨床或铣床上加工。对于较厚的钛板，可用等离子弧切割，但用这种方法切割钛合金板材时，易出现钛板边缘硬度增高的倾向，给随后的机械加工带来困难所以最好采用刨、铣等加工工艺。对小型球型底封头、螺旋桨叶片、环向接头等形状较复杂的焊件坡口，用锉刀进行手工加工。钛管端面的坡口，可用电动刮刀削或在车床上加工。2.1.2焊件、焊丝清理 钛板及钛丝的清理质量对焊接接头的力学性能有很大的影响，清理质量不高时，往往在钛板及钛丝表面上生成一层灰白色的吸气层，并导致形成裂纹、气孔，钛板及钛丝的清理可分为机械清理及化学清理两种方法。表4 钛材的坡口形式及尺寸列与下表焊件厚度/mm接头形式/mm/mm0.52
17、.5-00.5-315606501.00.51.5103060651.01.51.52.01. 机械清理 对于焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可用细砂皮或不锈钢丝刷擦拭，但最好用硬质合金刮刀刮削钛板待焊边缘表面，当刮削深度达0.025mm时，氧化膜已基本上被刮除。2.化学清理 在焊前除了先用丙酮或乙酸、四氯化碳、甲醇等溶剂擦拭钛板坡口及其两侧（各在50mm以内）、焊丝表面、工夹具与钛板相接触的部分外，还应彻底清除钛板、焊丝表面的水分、手印痕迹、油污、灰尘及氧化物等污物。热轧后已进行酸洗处理的钛板，若由于放置时间较长而又形成新的薄氧化膜层时，可按如下的配方进行处理：在硝酸40%氢氟酸3%5%
18、和水（余量）的混合酸液中浸蚀1520min（室温下）然后用清水冲洗干净。在热轧后尚未经过酸洗处理的钛板，因其氧化膜层厚实，应先进行碱洗，即在温度4050、含烧碱80%和碳酸氢钠20%的浓碱溶液中浸蚀1015min，取出后进行酸洗。酸洗的配方有：a.每立升溶液中含硝酸5560mL、盐酸340350mL、氢氟酸5mL、余量为水。酸洗温度为室温，浸蚀时间为1015min。b.每立升溶液中含硝酸5560mL、盐酸200250mL、氟化钠0.050kg，余量为水。酸洗温度6070，浸蚀时间12min。焊件或焊丝从上述酸液中取出后，先后用热水、冷水冲洗，并用白布擦拭、晾干。已经清晰的钛板、焊丝放置时间不宜
19、过长，为保持焊件坡口处的清洁，可用塑料布将坡口及其两侧覆盖住，若发现有污物，最好再用丙酮或乙醇在焊件边缘进行擦洗。清洗过的焊丝应置于温度在150200的烘箱内保温，做到随用随取。取用钛丝时。需带清洁的白手套。 2.1.3定位焊及装配 为了减少焊件的变形，焊前可在接头坡口间进行定位焊，一般定位焊的间距为100150mm,其长度约10-15mm.定位焊所用的填充焊丝、焊接工艺参数及气体保护条件等与正式焊接时相同，在每一定位焊停弧时，应延时关闭氩气。法兰盘、管接头及平板角接接头的装配时，应保证焊件接头间距具有紧密的装配间隙。在装配时严禁用铁器敲击和划伤钛板表面。2.1.4焊接材料的选择1.氩气 适用
20、于钛及钛合金焊接的氩气为一级纯氩（纯度为99.99%），露点在-40以下，杂质总含量小于0.02%，相对湿度小于5%，水分小于0.001mL/L.氩气的纯度将直接影响到钛焊缝的硬度、冷弯角及氢含量等。若氩气纯度达不到要求时，需进行提纯处理。当氩气瓶中的压力降至0.981Mpa时，应停止使用，以防止降低钛焊材焊接接头的质量。2. 焊丝 钛及钛合金手工钨极氩弧焊用的焊丝，原则上是选择与基体金属成分相同的钛丝。常用的焊丝牌号有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6及TC3等，这些焊丝均已真空退火状态供应。真空退火的规范：真空度0.130.013Pa，退火温度900950，保温时间45h。TA
21、1、TA2、TA3等纯钛丝的纯度为99.9%。如缺乏上述标准牌号的钛丝时，则可从基体金属上剪下狭条作为填充焊丝，狭条的宽度相同于板厚。为提高钛焊缝金属的塑性，可选用强度比基体金属稍低的焊丝。例如：焊接TA7及TC4等钛合金时，可选用纯钛焊丝。此时，由于改变了焊缝的组分（焊缝中的相增多），而使接头的塑性显著提高。又如焊接TC4时，一般选用TC3焊丝，以改善接头的塑性。TC3钛合金氩弧焊时，一般选用与基体金属同质的TC3焊丝，但也可用TA7或工业纯钛丝。钛丝的杂质含量要少，其表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、金属或非金属夹杂等缺陷。但允许有轻微的银灰色彩、划痕或擦伤等表面缺陷存在。2.2 焊接区的气体
22、保护 基于钛对空气中氧、氮、氢等气体具有强的亲和能力，要求在焊接过程中采取良好的气体保护措施，以确保焊接熔池及温度超过350的热影响区（包括焊件的正面和反面）与空气相隔绝。现分别按焊缝正面、焊缝正面后端、焊缝反面的保护加以叙述。 2.2.1焊缝正面的保护 钛焊缝表面的气体保护效果除与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、焊接接头形式、穿堂风等因素有关外，还主要取决于焊炬、喷嘴的结构形状和尺寸。钛的热导率低，焊接熔池尺寸大，因此，钛及钛合金氩弧焊时，对所有焊炬的气体保护性能要高于铝和不锈钢，喷嘴孔径也相对应增大以扩大气体保护区的面积。常用钛板氩弧焊的焊炬、喷嘴结构如图4所示：该焊炬的结构紧凑、体积小
23、、重量轻、气体保护性能良好、加工制造容易。焊炬采用上部径向进气的方式，氩气从进气管导入缓冲气室后，再从气体透镜（用23层100目的铜丝网叠成）经喷嘴喷出，便获得具有一定挺度的气流层。保护区直径达30mm左右。从改善焊缝金属的组织及提高焊缝、热影响区的性能考虑，可采用增强焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或焊缝反面设置空冷或水冷铜压块。 2.2.2 焊缝正面后端的保护对于已脱离喷嘴保护区，但仍处于350以上的焊缝和热影响区表面，必须继续给以保护，生产上常采用通有氩气流的拖罩。拖罩的结构、尺寸根据焊件的形状、板材厚度、焊接工艺参数等条件确定，要求能与焊件表面间保持一定的距离。拖罩的宽度为3040mm
24、，高度3545mm，拖罩长度应足以使处于350以上的焊缝及热影响区金属得到充分的保护，随着板厚及焊接工艺参数的不同，拖罩长度可在100180mm间选择。拖罩的4只角上应圆滑过度，要尽量减少死角。焊接长焊缝，且所用焊接电流大于200A时，再拖罩下端帽沿处置冷却水管，以防止拖罩过热，甚至引起烧损铜丝网及拖罩外壳等现象。管子对接焊时，管子正面后端焊缝及热影响区的保护，一般是根据管子的外径（曲率），设计制造一专用的环形拖罩，如下图5所示：2.2.3焊缝反面的保护 焊缝反面的保护，常采用在局部密封气腔内或整个焊件（指封闭的圆形、椭圆形焊件）内充满氩气，以及在焊缝背部设置通氩气的垫板等方法。平板对接焊时，
25、普遍地采用反面带有通气孔道的纯铜垫板。氩气从焊件背部的纯铜垫板出气孔（孔径1.0mm 孔距1520mm）流出，并短暂地贮存在垫板的小槽中，以保护焊缝背部不受氧化。焊缝反面通氩气保护用的垫板如下图6示：为了加强钛板焊缝的冷却，垫板材料宜选用纯铜，必要时在垫板上开空通水冷却。垫板上成形槽的深度和宽度要适当，否则不利于氩气的流通和贮存，4mm以内的钛板焊接时，建议选用的垫板成形槽尺寸及压板间距离列于下表：表4 垫板成形槽尺寸及压板间的距离 钛板厚度（mm）成形槽尺寸（mm）压板间距离L（mm）备注槽宽槽深0.51.52.50.50.810反面不通氩气1.02.03.00.81.215-20反面不通氩
26、气2.03.05.01.52.020-25反面通以氩气3.05.06.01.52.025-30反面通以氩气4.06.07.01.52.025-30反面通以氩气第三章 工业纯钛的各种焊接方法3.1氩弧焊钛及钛合金的焊接方法中应用最广的是手工钨极氩弧焊。这种方法主要用于10mm以下钛板的焊接；大于10mm的钛板可采用自动熔化极氩弧焊。真空充氩气用于形状复杂、且难以使用夹具保护的较小部件或零件的焊接。3.1.1 焊接工艺 厚度在0.52.5mm间的钛板，开I形坡口、不加焊丝进行双面焊或单面焊。3mm以上的钛板，一般加工成V形坡口。10mm以上的钛板加工成对称双V形坡口。焊接时在坡口正面底层不加钛焊丝
27、，先用焊炬焊1道焊以后各层均需添加钛丝。钛及钛合金手工钨极氩弧焊用的焊炬型号与纯铜用氩弧焊焊炬相同。只要焊炬的气体保护性能良好，焊接接头的质量是完全能够保证的。工艺参数的选择既要防止焊缝在电弧热的作用下出现晶粒粗化的倾向，又要避免焊后冷却过程中形成脆硬的介稳组织。纯钛及所有钛合金焊接时，都有晶粒粗化（长大）的倾向，其中尤以钛合金最为显著，而晶粒长大后难以用热处理方法调整，所以焊接工艺参数的选择要着重于防止晶粒粗化，常推荐采用较小的焊接线能量。焊接工艺参数选择得不适当，容易在焊缝中形成缺陷，如用小电流焊接6mm 厚的纯钛板时，在焊缝中出现气孔；焊接电流稍增大后就消除了上述缺陷。但要避免选用过大的
28、焊接电流，以防止焊缝金属氧化、形成气孔及引起晶粒长大倾向。在焊接2mm厚纯钛板时，由于基体金属中氢含量较高，在不加钛丝时，焊缝中就会产生气孔，但当采用了添加钛丝焊接时，气孔数量就显著减少。氩气流量的选择以达到良好的焊缝表面色泽为准，过大的流量不易形成稳定的气流层，并且增大焊缝的冷却速度，在焊缝表面层出现较多的相，以致引起微裂纹。拖罩中的氩气流量不足时，焊接接头表面呈现出不同的氧化色泽；而氩气流量过大时，将表5 钛及钛合金板手工钨极氩弧焊的参考焊接工艺参数板厚mm坡口形式钨极直径mm焊丝直径mm焊接层数焊接电流A氩气流量 L/min喷嘴孔径mm备注主喷嘴拖罩背面0.51.01.52.02.5开I
29、形坡口对接1.52.02.02.0-3.02.0-3.01.01.0-2.01.0-2.01.0-2.02.01111130-5040-6060-8080-110110-1208-108-1010-1212-1412-1414-1614-1614-1616-2016-206-86-88-1010-1210-12101010-1212-1412-14对接接头的间隙0.5mm，也可不加焊丝间隙1.0mm3.03.54.04.55.06.07.08.0V形坡口对接3.03.0-4.03.0-4.03.0-4.04.04.04.04.02.0-3.02.0-3.02.0-3.02.0-3.03.03.
30、0-4.03.0-4.03.0-4.01-21-2222-32-32-33-4120-140120-140130-150220130-150140-180140-180140-18012-1412-1414-1614-1614-1614-1614-1614-1616-2016-2020-2520-2520-2525-2825-2825-2810-1210-1212-1412-1412-1412-1412-1412-1414-1814-1818-2018-2018-2018-2020-2220-22破空间隙23mm，钝边0.5mm焊缝反面衬有钢垫板，坡口角度60- 651.013.0对称双V形坡
31、口4.04.03.0-4.03.0-4.04-66-8160-200220-24014-1614-1625-2825-2812-1412-1420-2220-22坡口角度60钝边1mm20.0224.04.04.04.0-5.0126200-240230-25012-1415-182018-2010-1218-201820坡口角度55，钝边1.5-2.0mm25304.04.03.0-4.03.0-4.015-1617-18200-220200-22016-1816-1826-3026-3020-2620-262222坡口角度55，钝边1.5-2.0mm，间隙1.5mm对主喷嘴的气流产生干扰作
32、用。焊缝背面的氩气流量也不能太大，否则会影响到正面第一层焊缝的气体保护性能。表5、表6分别为太极钛合金板的手工、自动钨极氩弧焊参考焊接工艺参数。自动氩弧焊的工艺与手工氩弧焊相同，该工艺主要适用于对接长焊缝及环焊缝。表6 钛及钛合金的自动钨极氩弧焊工艺参数（对接接头）板厚mm破口形式成形槽的垫板尺寸钨极直径mm焊丝直径mm焊接电流A电弧电压V焊接速度m/h氩气流量L/min焊接层数宽度mm深度mm主喷嘴拖罩反面1.050.51.61.270-10012-1518-228-1012-146-811.260.72.01.2100-12012-1518-228-1012-146-811.550.72.
33、01.2-1.6120-14014-1622-2410-1214-168-1012.061.02.51.6-2.0140-16014-1620-2212-1414-1610-1213.071.13.02.0-3.0200-24014-1619-2112-1416-1810-1214.0留2mm间隙81.33.03.0200-25014-1619-2014-1618-2012-1416.0V形604.03.0240-28014-1818-2214-1620-2414-16110.0V形604.03.0200-26014-189-1214-1618-2012-14113.0双V形604.03.02
34、20-26014-1820-2514-1618-2012-141 3.1.2 操作技术 操作过程中可加焊丝或不加焊丝，一般第一层均不加焊丝，从第二层起家焊丝。如发现送丝机构不太稳定或操作条件受到限制时，则可采取手动加焊丝的方法。自动钨极氩弧焊时可供选用的焊机有NZA-300-1、NZA2-300、WSM-250、WSE-315型等。在不影响可见度和能方便地添加钛丝的情况下，应尽量降低喷嘴与焊件间的距离，一般取610mm。焊接速度应控制在确保350以上的接头高温区置于氩气保护层下。焊接速度太快时，不但气体保护性能减弱，且焊缝表面成形不良。焊接过程中应随时观察焊缝及热影响区的表面色泽，钛材经过焊接
35、电弧的高温作用后，其表面将形成一层薄的氧化膜，不同温度下所形成的氧化膜颜色时各不相同的，在热影响区处于500的金属表面将呈现金黄色；而520570处的金属表面颜色从金黄色变成蓝色、温度达600以上焊缝、热影响区，其颜色由蓝色变成灰白色。在350400的温度下，气体保护效果良好的焊缝，其表面呈银白色，接头的冷弯角可达110；金黄色的焊缝，其冷弯角在88左右。出现蓝色或灰色时，焊接接头的性能剧烈降低。焊缝表面不同色泽与接头冷弯角的关系列于表7。表8为焊缝表面颜色与硬度的关系。表7 工业纯钛焊缝表面颜色与接头冷弯角的关系焊缝表面颜色保护效果污染程度焊接质量冷弯角()银白色金黄色深黄色浅蓝色深蓝色暗灰
36、色良好尚好尚好较差差极差小大良好合格合格不合格不合格不合格110887066200表8 焊缝表面颜色与硬度（HV）的关系焊缝表面颜色维氏硬度（HV）第1点第2点第3点第4点第5点第6点第7点第8点平均银白色金黄色紫色蓝色灰白色111113113118162105124118125169109122119118160117120159120156110117123120162107111125117155106114118121156159113119122161110117118121160焊接层数越少越好。增加焊接曾对户易引气晶粒长大及过多的焊缝吸气量。在厚板多层、多道焊时，为防止焊件过热，
37、应在前一层焊缝冷却到室温后再焊下一层焊缝。在多层、多道焊时，不能单凭盖面层焊缝的色泽来评价焊接接头的保护效果，在这种情况下，若底层焊缝已被杂质污染，当盖面层焊接时，可能由于气体保护性能尚属良好，在该层焊缝表面仍出现了较满意的色泽，但焊接接头的塑性却因底层焊缝表面的氧化膜杂质溶入焊缝内部而明显降低。焊缝表面呈现浅蓝色时可将该焊缝重熔一次，经重熔后的焊缝可恢复成银白色，其原因是在高温电弧的作用下，表面的吸气层向焊缝内部扩散而改变了表面的色泽，这种焊缝的硬度略有增高。从确保焊接接头的质量考虑，应将氧化膜层彻底清楚后再进行重熔。手工氩弧焊时，焊丝与焊件间应尽量保持最小的夹角（1015）.焊丝沿着熔池前
38、端有节奏地送入熔池，在某些情况下，为增大熔池，也可间断地加入焊丝。向焊接熔池添加焊丝时，尚应注意以下亮点：1.防止破坏喷嘴出口孔径的层流层。2.焊丝的送进要平稳、均匀，不得将焊丝端部移出氩气保护区外。焊炬的移动方向按左向焊法。焊炬基本上不做横向摆动，当需要摆动时，频率要低，摆幅也不宜太大，以防焊接熔池脱离氩气流的保护。 偶然断弧及焊缝收尾处要继续通氩气保护，直至焊缝及热影响区金属冷却至350以下方可移开焊炬。氩气延时闭合时间正比于焊接电流值，焊接电流达300A时，氩气延时闭合时间选择2030s，在不装有引出板的条件下（如管子对接焊）可用电流衰减的方法逐渐填满弧坑。3.2 等离子弧焊接的工艺由于
39、纯钛在液态下的表面张力大，因此，适宜采用小孔效应等离子弧焊，常用以焊接10mm以内的纯钛板。 等离子弧焊法的线能量大、热量集中，在焊接过程中需加强焊接区的保护和冷却效果。 纯钛等离子弧焊时的气体保护方式与钨极氩弧焊法相同。等离子弧焊炬应合理进行设计，要求能将焊接熔池及其周围处于350以上的金属得到良好的保护。为了降低保护气体的流速，使氩气流形成层流层，从而达到良好的气保护效果，建议在焊炬底部放置34层叠制的铜丝网（100150目/）。在焊接过程中应严防由穿堂风吹散氩气流，而使焊缝的气体保护效果变坏。如果发现焊缝表面的颜色变蓝时，应立即停止焊接，进行气体保护性能试验。首先检查焊炬的气保护性能，一
40、般采用电弧点焊的方法试验，等离子弧焊炬固定不动，焊炬与焊件间保持一定的距离（例如6mm），用高频振荡器引燃电弧，通电3或4s后切断电源，然后检查焊缝表面的色泽。在不同的氩气流量下点焊时焊缝表面的色泽是不同的，这样就很容易获得气体保护效果最佳的氩气流量。表9 工业纯钛的等离子弧自动焊工艺参数板厚mm喷嘴孔径mm钨极直径mm焊接电流A电弧电压V氩气流量（L/min）焊接速度m/h焊丝直径mm备注离子气流主喷嘴气流反面保护气流0.61.62.027170.8131019.2喷嘴与焊件间距离3-6mm0.81.62.035180.1131015.6喷嘴与焊件间距离3-6mm22.53.070-80脉冲
41、电流1.818123拖罩气流24L/min,基值电流20-30A53.085.02005202520.01.0送丝速度1.5m/min,钨极内缩1.9 mm66.04.0180-22018-2011-126-812-21.5钨极与焊件间距离4mm,采用两层焊接86.04.0180-22018-2011-126-810-12钨极与焊件间距离4mm,采用两层焊接106.05.0180-30018-208-98-108-12钨极与焊件间距离4mm,采用两层焊接103.85.0250256202591.0送丝速度1.5m/min，钨极内缩2.5mm焊炬的气体保护性能试验完成后，装上拖罩，进行实际焊接试
42、验。此时，焊机需作自动行走，并调节不同的拖罩其流量，焊后，检查各条焊缝表面上的保护效果，从而得出合适的拖罩其流量。等离子弧焊时，焊接速度的选择也很重要，焊接速度太慢，焊件易被烧穿；焊速增快，焊缝变窄。焊接速度超过400mm/min时，气体保护效果明显减弱。 在焊接时制药工艺参数选择正确，能使焊接过程较稳定，电弧挺直度好，焊缝较窄，焊透均匀，且焊缝正反面的成形美观，焊接接头的性能提高。表10为工业纯钛焊接接头的力学性能。表10 工业纯钛焊接接头的力学性能材料牌号板厚焊接方法b (Mpa)（）TA20.61.22.0等离子弧焊自动氩弧焊手工氩弧焊458.64-486.08/472.36429.24-435.12/432.18499.817418090TA35.01.0等离子弧焊等离子弧焊465.5-475.3416.5-421.41801803.3电阻电焊、缝焊在航空、航天工业部门中常用电焊、缝焊方法焊接钛及钛合金，目前主要用于2.0-2.5mm厚的薄板结构上。钛及钛合金的物理性能与奥氏体不锈钢相近似，也具有良好的焊接性。由于点、缝时焊件的冷却速度甚快，且熔核被塑性环抱围住，它基本上不受高温氧化的影响，因此不需要用氩气进行保护。此法具有工艺简单、效率
