引言

鈦及鈦合金是一種密度小、強度高、耐熱性好、韌性高、導熱性及抗疲勞性好、有著較寬的工作溫度范圍等一系列優異性能的工程結構材料,被廣泛地應用于航空航天領域。相關資料表明，高性能鈦及鈦合金在航空航天工業中的應用占到了鈦材總產量的70%左右。而鈦合金在飛機及其發動機等部方面的應用，不可避免的需要使用焊接手段進行連接，因此，鈦合金的焊接方法在擴大鈦合金的應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的問題主要有以下5 種：

（1）化學活性大：鈦及鈦合金不僅在熔化狀態，即使在400℃以上的高溫固態，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，焊接時對熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區都要妥善保護。

（2）粗大的晶粒不能通過焊后熱處理細化：鈦和鈦合金熔點高、導熱性差、熱容量較小，因此焊接時，焊接接頭容易產生過熱組織，晶粒變得粗大，特別是β鈦合金，易引起延性降低。因此，在選擇焊接規范時要特別注意，即要保證不過熱，又要防止淬硬現象。但因后者可通過熱處理來改善，而晶粒粗大卻很難改善。所以主要應防止晶粒粗大。 而選擇較硬規范。

（3）具有冷裂傾向：溶解于鈦中的氫在320℃時和鈦會發生共析轉變，析出TiH2，引起金屬的延性和韌性降低，同時發生體積膨脹而引起較大的應力，結果導致產生冷裂紋。

（4）易產生氣孔：鈦及鈦合金焊接時形成氣孔的原因主要是氫。

因為氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而下降，焊接時，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

目前在航空航天行業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用，下文將介紹幾種在航空航天中應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，電子的動能轉換為熱能，熔化金屬形成束孔，在工件或電子束移動的同時形成了焊縫。由于焊接過程是在真空環境中進行，杜絕了空氣對焊縫的影響，所以焊縫的保護效果很好。

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。

真空電子束的工藝參數對焊接質量的影響至關重要，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，會用于元素燒損使接頭的組織出現不均勻性，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、熱影響區狹窄、適應性強等優點， 激光焊也有其不足之處，它的穿透力不如電子束強，因此能夠焊接的板材的厚度十分有限。在焊接鈦合金時焊后組織不均勻，接頭的組織性能上存在很大差距，影響焊接接頭的力學性能，并且激光焊接在焊縫熔合線附近容易產生氣孔。

現階段在航空航天行業中，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合的方式進行焊接，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、焊縫窄、熱影響區小、焊件不開坡口等特點。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，而且液態鈦的表面張力較大，所以有利于形成“穿孔效應”進行等離子焊接，能獲得優質的焊接接頭。

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

結語

由于鈦合金優異的特性，它在航空航天領域必將有著更廣闊的應用前景。目前，國內外已經針對鈦及鈦合金的焊接技術開展了大量的研究，但是仍存在許多未能解決的問題，不能滿足在航空航天領域中的應用。

需要根據產業的要求，進一步研究各種鈦及鈦合金的焊接技術，優化焊接工藝，保證各種鈦合金結構件的質量。

參考文獻

[1]李梁，孫健科，孟詳軍.鈦合金的應用現狀及發展前景[J].鈦工業進展，2004，21（5）：19-24.

[2]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]彭周，胡永剛，陳國珠，等.鈦合金電子束焊接接頭微觀組織研究[J].材料工程，2010（5）：47-50.

[4] 姚偉，鞏水利，陳俐.鈦合金激光穿透焊的焊縫成形（Ⅱ）[J].焊接學報，2004，25（5）：74-76.

[5] 楊靜，程東海，黃繼華，等.TC4 鈦合金激光焊接接頭組織與性能[J].稀有金屬材料與工程，2009，38（2）：260-262.

[6] 廖志謙，王忠平.鈦合金等離子弧焊接工藝研究[J].熱加工工藝，2006，35（15）：27-28.

作者簡介：張偉杰（1991.08—），男，漢族，黑龍江省哈爾濱市，碩士研究生學歷，職稱：工程師，中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，研究方向：焊接

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