钛和钛合金的焊接方法及研究现状

焊接作為一種重要的金屬加工技術，在工業生產和國防建設中起著重要的作用。隨著產業結構的變化和科學技術的發展，先進的焊接結構是降低材料消耗和結構質量的有效途徑。各種焊接技術具有廣闊的應用前景。隨著 鈦工業的發展，人們越來越重視其 焊接技術.

鈦具有比強度高、耐海水及其他介質腐蝕、耐低溫、高溫疲勞強度高、膨脹係數低、加工性好等優點。用鈦構造的結構在任何自然環境中都能充分發揮其作用。在船舶應用方面，除了具有耐海水腐蝕性和高比強度外，還有無磁性、傳聲性和抗衝擊性。

鈦具有比強度高、耐海水及其他介質腐蝕、耐低溫、高溫疲勞強度高、膨脹係數低、加工性好等優點。用鈦構造的結構在任何自然環境中都能充分發揮其作用。在船舶應用方面，除了具有耐海水腐蝕、比強高之外，還具有無磁、傳聲、抗震等優點。鈦 鈦和鈦合金的使用 鈦在船舶中的應用，可大大延長設備的使用壽命、減輕重量、提高設備和整船的技術戰術性能。因此，鈦是一種極佳的船艦結構材料[1-3]。
焊接作為一種重要的金屬加工技術，在工業生產和國防建設中起著重要的作用。隨著產業結構的變化和科學技術的發展，先進的焊接結構是降低材料消耗和結構質量的有效途徑。各種焊接技術具有廣闊的應用前景。隨著鈦工業的發展，人們對其焊接技術越來越重視。鈦的熔點高、導熱性差，焊接時因參數選擇不當易形成大熔池，且熔池溫度高，使焊縫金屬和熱影響區金屬長時間處於高溫狀態，晶粒生長趨勢明顯，降低了接頭的塑性和韌性，導致裂紋的產生。因此，鈦及鈦合金的焊接製程是一個需要不斷解決的問題。

鈦及其合金的焊接特性

鈦及其合金的物理和化學特性

鈦有兩種同素異構體，一種是同素異構體，另一種是同素異構體 α 和 β 轉換溫度為 882.5 ℃ α 它是緊密堆積的六方晶格，在 882.5 ℃ β 以上穩定，晶體是體心立方晶格。
鈦的熱導率比不鏽鋼低。當鈦中含有雜質時，其熱導率會降低。表 1 列出了工業純鈦與其他鈦的主要物理特性比較。 金属材料.

表 1 鈦與其他金屬材料的主要物理特性比較

鈦合金的焊接結構

工業純鈦及鈦合金 α 鈦合金的焊接結構在室溫下為單相，依冷卻速度不同而形成鋸齒狀或尖狀結構。α+β鈦合金由β馬丁鐵在相冷卻過程中形成（α「相），α」相的數量和性質隨合金成分和冷卻速率的不同而變化。一般而言，隨著 α' 相的增加，合金的延展性與韌性會降低，即使是可焊性良好的 Ti-6Al-4V β 當穩定元素釩的含量超過 5% 時，可焊性會降低。β 鈦合金的馬氏體形成溫度低於室溫時，焊縫是可遷移的β 所以焊接性不會變差。但由於合金元素添加過多，往往會缺乏延展性。此外，老化及冷加工可提高合金的強度，而焊接則會造成強度的損失，因此焊接並未被廣泛使用[4]。

鈦合金的焊接缺陷

焊點區域的脆化

鈦及鈦合金的焊接區域容易因氣體及其他雜質的污染而發生脆化。造成脆化的主要元素為 o、N、h、C 等。在室溫下，鈦及鈦合金相對穩定，但隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收 o、N、h 的能力也明顯增加。鈦在 250 ℃ 開始吸收氫，400 ℃ 開始吸收氧，600 ℃ 開始吸收氮。氮與氧對接頭的強度與彎曲塑性有很大的影響。隨著焊縫中氮和氧含量的增加，接頭的強度增加而彎曲塑性降低，且氮的影響比氧大。氫主要影響接頭的衝擊韌性。

焊接區裂紋趨勢

熱裂縫。

由於鈦及鈦合金中s、P、C等雜質較少，在晶界形成的低熔點共晶很少，結晶溫度範圍很窄，凝固時焊縫收縮很小，所以熱裂紋敏感性低。

冷裂縫和延遲裂縫。

當焊縫中的氧、氮含量較高時，焊縫的性能會變脆。在較大的焊接應力作用下，會出現裂縫，裂縫是在較低的溫度下形成的。
在鈦合金的焊接過程中，熱影響區有時會出現延遲裂紋，而氫氣是形成延遲裂紋的主要原因。防止延遲裂紋的主要方法是減少焊接點的氫源。如有必要，可進行真空退火，以降低焊點中的氫含量。

焊接氣孔

氣孔是鈦和鈦合金焊接中常見的缺陷。O2、N2、H2、CO2 及 H2O 都可能造成氣孔。鈦及鈦合金焊縫中的氣孔大多分佈在熔合區附近，這是鈦及鈦合金氣孔的特徵。焊縫中的氣孔不僅會造成應力集中，還會降低氣孔周圍金屬的塑性，甚至導致整個焊點的斷裂。因此，必須嚴格控制氣孔的產生 [5]。

鈦及其合金的焊接方法與研究現況

氩弧焊

氬钨弧焊是鈦及其合金最常用的焊接方法。它是連接薄板和背焊的絕佳方法。選擇適當的製程參數可達到更佳的焊接效果。其缺點為焊接速度慢、焊件變形大、焊件顯微結構粗糙[6]；焊縫中易生氣孔及鎢雜物；焊接過程中易出現氣體保護不良而影響焊接品質。結果顯示 TIG 銲接的脈衝頻率對鈦合金的晶粒尺寸與形態有影響。當脈衝頻率過高或過低時，焊縫區呈柱狀結晶，強度較低。當脈衝頻率適中時，則為等軸晶體，強度較高。近年來，印度對於鈦合金 TIG 焊接的研究比較全面[7]。
M.Balasubramaniana 等人研究了鈦合金 (Ti-6Al-4V) 的脈衝電弧焊接，發現晶粒大小、硬度與焊接參數有以下關係

• 顆粒大小： GS = 81.43- 18.33P -14.17B - 10.83F + 15T + 25.68P2 + 18.18B2 + 61.93F2 + 25.68T2 ；
• 硬度 h = 472.15 + 8.54p - 6.87b + 4.38f- 5.62t -17.57p2 -12.57b2 -36.32f2 -15.07t2 + 1.56pf.

其中 p 為峰值電流，a；B 為基極電流，a；F 為頻率，Hz；T 為時間。該模型預測晶粒尺寸與硬度的精確度可達 99% 等級 [8]。
Balasubramanian 等人[9] 發現隨著脈衝峰值電流與脈衝頻率的增加，接頭的耐蝕性增加。同時，隨著晶粒純度的增加，耐蝕性也會增加。然而，其他性能是否能在最小腐蝕的情況下保持在良好的水平，則可透過上述公式計算晶粒大小及硬度來預測。 A-TIG 焊接法 是近 10 年來開發的一項新技術，可增加焊接熔深、改善焊縫成形與焊接品質、提高焊接生產效率。針對 A-TIG 銲接的滲透性，Liu 等人[10] 在相同的製程參數下，發現 A-TIG 銲接的滲透性明顯高於傳統 TIG 銲接。進一步的測試結果顯示，flurochloride 活化劑可增加焊接滲透，也就是說，flurochloride 是增加鈦合金焊接滲透的主要因素[11]。
李曉紅等人[12]通過實驗確定，活性焊劑對鈦合金焊縫成形的影響非常明顯：在相同條件下，不僅增加了焊縫熔透、減少了焊縫寬度、降低了焊接時的熱輸入，而且明顯減小了焊縫晶粒尺寸；對不同厚度的鈦合金進行 A-TIG 焊接時，焊縫的晶體形態相同，都是由兩側母材向焊縫中心線反向生長；A-TIG 焊縫的截面形狀與 TIG 焊接截面形狀有很大不同。A-TIG焊縫的形狀呈現了單面焊接、雙面成形的杯狀特徵，可提高焊縫的機械性能。作為技術的核心，活性劑的配方是限制技術發展的瓶頸。由於配方研究的複雜性，國內多採用引進法、正交試驗法和均一試驗法尋找適合的材料。由於作用機理不同，較好的單作用材料在混合後效果可能會下降。因此，表面活性剂的研究还需要进一步的实验研究。

等离子弧焊

由於等離子弧焊焊接規格窄、焊接穩定性和重複性差，已成為限制等離子弧焊工業應用進程和自身技術發展的突出障礙。20 世紀 90 年代以來，由於等離子弧焊設備製造水平和控制技術的不斷提高，等離子弧焊的穩定性得到了很大程度的改善。因此，在穿孔等離子弧焊接過程中，掌握影響焊接穩定性的因素和作用規律，採用先進的控制技術，進一步提高焊接自動化程度和控制精度，必將是未來研究的重點。廖志乾等人[13]的研究結果顯示，等離子焊接接頭的拉伸性能良好，相當於母材的拉伸性能，焊縫的衝擊韌性低於母材的衝擊韌性，焊縫的顯微組織為殘留β相和馬氏體尖狀α與接頭的拉伸性能、衝擊性能和硬度分佈相對應，這些顯微組織具有比母材更高的硬度和強度，但塑性較低。穿孔焊接存在一些問題，例如起弧不穩定、穿孔後線能量無法保持在最低，這些都是實現穩定穿孔焊接需要解決的問題。Peilicheng [14]主要研究了起弧參數對穿孔的加熱過程和挖掘過程的影響，並通過控制穿孔時的溫場分佈實現了起弧的穩定成形。通過實驗分析發現，焊接電流是影響加熱過程和溫場分佈的決定性因素，離子氣體流量主要影響焊接加熱過程中的穿孔時間。焊接電流與離子氣體流量對焊接熔池深度與鎖孔形狀的影響同樣重要。透過調整起弧程序，使穿孔時小孔周圍的溫度場分佈接近於優良焊縫的穩定溫度場分佈，送絲時間比穿孔時間提前 1 ~ 2S，可實現起弧段的穩定過渡與成形控制。Chen等人[15]研究發現，等離子焊接動態控制可在保證熔透的條件下，通過控制峰值電流和接地狀態電流，使等離子弧焊在穿孔焊和熔透焊之間進行切換，從而在最小熱輸入的條件下滿足焊縫的服役條件。與傳統等離子焊接相比，由於熱輸入的減少，焊點的熔合區和晶粒尺寸均有所減小。雖然顯微組織變化不大，但焊縫中的第一析出物 β 結果顯示，相晶粒大幅減少，因此馬氏體的形成受到抑制，焊點具有較好的韌性及較高的硬度[15]。

真空电子束焊接

真空電子束焊接非常適合鈦及鈦合金的焊接。這主要是因為它具有一系列的優點：焊接冶金質量好、焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、焊縫和熱影響區晶粒細緻、接合性能好、焊縫和熱影響區無空氣污染、焊接厚件效率高。缺點是焊縫中容易出現氣孔，結構尺寸容易受到真空室的限制，不適合大量生產，但對於小尺寸工件的品質有絕對優勢。焊接點會產生相當大的殘留應力，且會隨著焊件厚度的增加而增加。因此，研究人員探索透過電子束局部熱處理降低殘留應力的可能性。研究發現，電子束局部熱處理可以改善鈦合金焊縫的顯微組織和性能，細化焊縫區的晶粒結構，不僅使焊縫中心的縱向拉應力峰值外移，而且使焊縫中心的橫向殘餘應力變為壓應力，大大改善了焊接殘餘應力的分佈，提高了焊接品質。14.5mm 厚板[17]也有類似的現象，進一步證明電子束局部熱處理對改善厚板鈦合金焊接殘餘應力及焊接品質有顯著的效果。由於厚板的殘留應力較大，真空電子束焊接在薄板上得到了廣泛的應用。Lu 等人研究了厚板鈦合金的電子束焊接 (EBW)[18]。研究發現其微觀結構為典型的 α 相與層狀 (α+β)具有兩相結構的 TC4-DT 可透過電子束焊接獲得無沉積缺陷的高品質焊點。其中熔合區形成馬田鐵的反彈結構，逐層堆積為前體 β 相界在焊接金屬的中上部清晰可見，底部則不太明顯。HAZ 的微觀結構不均勻。熔合區附近的 HAZ 是由尖狀馬氏體與少量的初生馬氏體 α 組成，而靠近母材的熱影響區是由初生相 α 相與含有尖狀 α 的轉化 β 相組成。HAZ 這兩部分的邊界取決於冷卻過程中 β 相的轉換溫度。隨著沿板厚方向深度的增加，熔合區晶粒尺寸減小，顯微硬度增加。本試驗為未來重板用鈦合金的進一步研究、理論分析及應用提供良好的實驗基礎。

激光焊接

雷射焊接的品質與效率優於其他焊接方式。利用鏡子或稜鏡可輕易改變光路，並可在工件的任何位置進行焊接。激光焊接可廣泛應用於鈦和鈦合金板材及精密零件的焊接。但雷射焊接也有其缺點：穿透力不如電子束。對於雷射焊接鈦合金板材特性的研究顯示，雷射焊接接頭的機械特性會受到焊縫成形與焊縫微觀結構的影響[19-20]。當焊接熱輸入較大時，焊縫中會出現致密且分散的尖狀馬氏體，使得抗拉強度增加。當焊縫中出現粗大的柱狀組織時，焊點的屈服強度與相對位移降低，焊點的塑性韌性降低。透過合理的參數選擇，可使接頭的抗拉強度與抗剪強度等同於母材，且真空熱處理後接頭的疲勞性能有顯著的改善。雖然真空熱處理後彎曲角有所改善，但只能達到母材的 1/2。因此，在鈦合金結構設計中，焊點不宜放在最大彎矩處。雷射焊接的優點非常明顯，但目前雷射焊接牽涉到一些技術問題，如氣體保護、試樣清洗、光導電漿控制等，影響鈦合金的焊接品質。由於雷射焊接的問題，雷射混合焊接技術可以減少甚至消除雷射焊接的缺陷，從而提高焊接品質。
Li等人[21]對雷射混合焊接品質的試驗結果顯示，在適當的焊接條件下，可形成無表面氧化、無氣孔、無裂縫、滲透不完整的優良焊縫。與 LBW 相比，雷射 MIG 銲接的延展性較佳。強度較低的 TA10 焊絲可改善焊縫成形品質，降低微小硬度，但因熱輸入量大，熱影響區硬度可能大幅增加。J. Zhou 等人[22]認為雷射 MIG 銲接技術可消除微裂縫、阻礙氣孔形成、改善焊縫成分。透過在焊絲中加入一些抗裂元素，可減少及消除焊接熱裂紋敏感度高、強度低等缺陷。焊絲液滴在母材中的混合與擴散程度，受到熔池中液流動態的影響很大[22]。這就要求在未來的研究中，應注意尋找更適合的焊絲及合理的工藝參數組合，以確保良好的焊接品質。如何合理結合激光與 MIG 或 TIG 等方法，以確保混合焊接的最佳性能，是科研人員不斷探索的課題
是時間的問題。Chen 等人[23-24]發現雷射能量密度決定了鍵孔的形成與消失。因此，他們計算並定量測量了雷射通過電弧時的傳播特性和吸收特性，從而證實了雷射 TIG 混合焊接具有有限增強穿透力和焊接機理轉換的觀點，從而為優化複合焊接效果提供了基礎。除了減少缺陷外，複合焊接的微觀結構也與雷射焊接不同。雷射焊接與混合焊接有許多缺陷 α 雷射焊接有粗糙的柱狀相 α 相及少量細小的針狀 α 複合焊接接頭的微觀結構含有針狀相α、片狀 α 及孪生相，使複合焊接接頭具有良好的接頭強度及延展性[25]。EDX 分析顯示，熔合區內氧的密度分數比母材高，但在一定的焊接速度下，不能認為氧含量是影響焊縫硬度的唯一因素。最終硬度應與冷卻速度及氧、氮含量的交互作用有關。
其他如保護氣體、氣體流量、雷射與電極間距離等參數也需要研究，以優化混合焊接，產生最理想的焊縫。建立相關知識庫有助於實現自動化。

扩散焊接

目前，鈦合金與不銹鋼之間廣泛採用擴散焊接。鈦合金與不鏽鋼之間的擴散焊接，要求被焊接的表面必須乾淨，並去除所有雜質。本研究以鈦合金與不銹鋼進行恆溫恆壓擴散焊接、相變超塑性擴散焊接及脈衝壓力擴散焊接。相分析顯示鈦合金不鏽鋼接合處有 Fe2Ti 與 Fe σ-( FeCr) 兩種脆性金屬間化合物[26]。由於脈衝壓力擴散焊接能促進擴散過程，減少脆性金屬間化合物的生成並改善其分佈，因此是一種很有前途的擴散焊接方法。為了避免及減少脆性金屬間化合物的產生，擴散焊接進一步發展為在鈦零件表面鍍一層銅或鎳，或夾一層 0.05 ~ 0.03mm 的銅或鎳[27]。鈦合金與不鏽鋼異質接頭直接採用擴散焊接時，難以避免接頭應力與脆性金屬間相的發生，容易造成焊接接頭的裂縫。因此，大多採用中間金屬[28]，具有中間過渡層及微機械咬合的接頭性能較佳。透過研究接頭與母材在不同製程下的微觀結構與拉伸性能，發現[29]當 Ni 基合金作為擴散焊接的中間層材料時，接頭擴散帶的微觀結構良好，且無孔洞、空洞等焊接缺陷。隨著焊接溫度與保壓時間的增加，擴散層的寬度增加，但也造成所有結構的晶粒增生，導致接頭性能下降。因此，在考慮工藝參數對接縫性能的影響及確定最佳工藝時，在保證焊接質量的前提下，應優選焊接溫度較低、保壓時間較短的工藝。

钎焊

銅焊是連接鈦及其合金與其他金屬最簡單可靠的方法。在 882.5 ℃ 時，純鈦發生同分異構轉換，由密堆積六方結構 α 相轉換為 BCC 結構 β 相。鈦合金的同分異構轉換決定了銅焊製程受溫度與時間的限制（α-β）。相變溫度升高時，微觀結構與性能會發生很大的變化。從冶金學的角度來看，更重要的是基材與焊料反應形成脆性相，使得銅焊接頭的性能變差[30]。總而言之，選擇適當的焊料，儘可能保持在低溫 β 以下銅焊鈦合金相變溫度是基本原則。如此一來，不但能保持基材金屬的特性，還能形成具有優異機械特性的銅焊接點。懷俊峰等人[31]率先研究了高溫鈦合金 TA15 的銅焊與擴散處理的接合製程。透過使用先進的銅焊材料及最佳化的真空銅焊與擴散處理製程，有效地接合材料。以電子顯微結構及能譜分析銅焊接合界面元素分佈及銅焊接合微觀結構。钎料成分设计合理，真空钎焊工艺合理可行。焊料中 Cu、Ni 元素屬於β 相穩定元素含量約為 30%。銅焊後的鈦合金焊縫可在銅焊溫度下進行熱處理，使其結構趨於穩定的片狀結構[31]。
陳樹海等人[32]以 Al Si 共晶合金為填充材料，利用雷射熔融銅焊焊接 Al / Ti 異種合金，獲得具有熔焊與銅焊雙重特性的焊點。由於局部雷射加熱及高冷卻速率，發現鈦合金銅焊介面附近形成特殊形態。焊縫上界面的金屬間化合物厚度較厚，主要呈人字形；焊縫下界面的金屬間化合物厚度小於 1 μ m，呈薄層狀。金屬間化合物的主要成分為 TiAl3，以 Ti (sixal1-x) 3 結構的位移固溶體形式存在。底部介面易成為裂縫來源，裂縫多沿介面附近焊縫中的共晶結構擴散，接縫平均抗拉強度約為鋁母金的 85%[32]。

攪拌摩擦焊

在傳統條件下，鈦合金可以通過熔化焊接進行焊接。但由於鈦合金焊接條件苛刻、工藝複雜、缺陷多、接合強度低，人們開始探索利用新的攪拌摩擦焊技術（FSW）來解決和改善鈦合金的焊接。根據英國焊接研究所提供的資料和國外已發表的文獻，純鎢、鎢铼合金、鎢铱合金或立方氮化硼(PCBN)是鈦合金和鎳基超合金攪拌摩擦焊接的最佳材料。栾国红等[33]以粉末冶金形成的钨铼合金作为钛合金的搅拌摩擦焊接头，对 TC4 钛合金的搅拌摩擦焊进行了实验研究。結果顯示，TC4鈦合金FSW焊點的強度幾乎達到母材強度（895mpa），但焊點的伸長率相對較低，焊接工藝參數有待優化，焊接工藝保護有待改進。通過仔細的測量和觀察，發現攪拌頭並沒有嚴重磨損，而是完全被焊縫中的鈦合金材料粘附和填滿，焊縫中也容易出現孔洞缺陷[33]。這與材料的超塑性及焊接製程參數的選擇有關。進一步的研究需要改善攪拌頭，例如表面塗層。進一步的研究顯示 PCBN 與 W-Re 合金所製成的攪拌摩擦焊 接點具有良好的焊縫外觀，且無內部缺陷。FSW接頭的強度比母材低。接頭的拉伸強度和斷裂後伸長率隨焊接熱量輸入的增加而降低。在鈦合金的 FSW 製程中，攪拌頭前方靠近肩部的溫度梯度最大，而攪拌頭後方靠近肩部的溫度梯度最小：焊接中心的峰值溫度超過鈦合金的變形溫度範圍，峰值溫度由焊接中心向外側逐漸降低[34]。這些研究為尋找合適的材料、開發鈦合金 FSW 工具及相對應的設備、制定加工技術提供了基礎。
在後續的研究中，加入一定量的氫來改變鈦合金的塑性，降低對攪拌頭性能的要求，使其接近相變點，而氫則可藉由焊後脫氫來消除[35]。鈦合金摩擦攪拌焊接頭植入氫氣後的微觀組織與機械性能研究[36]發現：TC4 鈦合金摩擦攪拌焊經過氫氣植入後，比傳統的鈦合金摩擦攪拌焊具有更好的表面成形性、良好的微觀組織與機械性能，熱機械性能得到了顯著的改善，接頭微觀組織相對較小，由於熱力與變形的共同作用，熱影響區α翔宇 β 減小，但是氫氣的用量需要控制。0.1% 氫的鈦合金塑性優於 0.4% 氫的鈦合金。

结束语

通過A-TIG焊接的發展，可將TIG有效地應用於鈦合金焊接中，減少或消除TIG及其他電弧焊接在鈦合金焊接中的缺陷，使其成為鈦合金焊接中最方便、成本最低的焊接方法。改良後的雷射焊接方法採用複合熱源焊接，不僅彌補了雷射焊接工作厚度相對較小的缺點，而且減少了焊接中可能產生的缺陷，降低了成本，提高了效率。等離子焊接在厚縫焊接方面仍有其獨特優勢。而深滲焊的監控難度大，熱輸入大。焊接品質差是提高焊接品質急需解決的問題。穩定的電弧動態控制方法是一種合理可行的改善方案。擴散焊在異種金屬焊接中具有優異的性能。與銅焊相比，具有明顯的優勢。焊點的使用溫度和強度不受填充金屬的限制。焊點的顯微組織和性能接近或等同於母材。焊縫中沒有各種熔焊缺陷，沒有過熱結構的熱影響區。工藝參數易於控制，零件變形小，可用於焊接大截面接頭和其他焊接方法難於焊接的材料。特別適用於鈦合金與其他異種金屬及陶瓷材料的連接。攪拌摩擦焊接需要解決混合工具的開發，進而完成相關加工技術的研究。它將成為中國未來更重要的方法。其他方法，如線性摩擦焊接，在實際加工中也很有效。

其他焊接方法也在進一步的研究開發中，如表面自納米結晶、相變超塑性擴散結合及自擴散技術的應用，使鈦合金的焊接方法多元化、高效化，以滿足不同的焊接需求。未來的研究重點將著重於建立各種方法下焊接參數對鈦合金焊縫成形及熔透的定量影響機制，針對不同的待焊材料制定相應的焊接工藝及操作流程，最終形成一套鈦合金焊接技術應用的知識庫，主要包括生產應用、安全性、機械性能及金相性能、耐腐蝕性、再磨蝕性、熔透性及母材金屬成分變化的影響等。

作者：高福陽、廖志乾、李文亞

资料来源: 中国钛法兰制造商: www.titaniuminfogroup.com