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[摘 要]钛合金的高温性能较好，抗蚀性优异，这使得钛合金成为一种理想的航空、航天用材，但焊接时常产生三种焊接缺陷，因此进一步系统详实的研究钛合金焊接是未来焊接工作者研究领域重点。
[关键词]焊接性 电子束焊 激光焊 搅拌摩擦焊
中图分类号：TG406 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-0028-01
0 序言
钛合金由于具备优异的综合性能被广泛用于航空航天、核能、船舶等部门，特别是航空航天领域。这主要是因为钛合金具有比强度高这一特性，钛合金的强度不及高强钢，但其密度较高强钢小很多，其密度较铝合金大，但其强度高于铝合金。另外钛合金的高温性能较好，抗蚀性优异，这使得钛合金成为一种理想的航空、航天用材。随着研究的深入及技术的进步，机架材料使用钛合金的比重也不断增加。焊接技术是现代工业高质量、高效率生产中不可缺少的先进制造技术，在钛合金的应用中起到重要作用。
1 钛合金焊接性分析
钛合金焊接的常见缺陷有三种：接头脆化；裂纹；气孔。
1.1 接头脆化
钛合金高温活性强，高温时容易与氧、氮、氢等元素结合，使得焊接接头被污染从而造成接头性能恶化；钛合金熔点高，但其导热性差，焊接时接头在高温区间停留时间长，合金元素在β相中的扩散系数大，因此，高温β相将快速长大，晶粒粗大，产生所谓“β脆性”[1]。以上两方面因素都会造成钛合金焊接接头脆化问题。
1.2 裂纹
钛合金对热裂纹不敏感，这主要是因为钛合金含硫、磷杂质少，晶界很少生成低熔点共晶。钛合金焊接接头的裂纹主要是出现在热影响区的延迟裂纹，这与氢有关。焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，如果这个部位处于不利的应力状态，就会引起裂纹。
1.3 气孔
气孔是钛合金焊接过程中经常遇到的缺陷[2]，气孔不仅造成应力集中而且会使整个焊接接头塑性及疲劳寿命降低。钛合金中的气孔大部分为氢气孔，而且气孔大部分都存在于熔合线上，这是由于氢在钛中的溶解度随温度的降低而升高，在凝固温度时由跃变降低后又升高，由于熔池中部比熔池边缘温度高，故熔池中部的氢易向熔池边缘扩散，因为后者比前者对氢有更高的溶解度，故熔池边缘容易为氢过饱和而生成气孔。
2 钛合金传统焊接方法
钛合金传统焊接方法主要是钨极氩弧焊（TIG焊），TIG焊由于在施焊过程中焊缝受到惰性气体的保护，不易与空气接触，焊缝基本能够满足使用要求。但是钛合金高温活性强，所以热影响区处于高温的部分容易吸收空气中的氮、氧等元素，从而造成接头性能下降。这也是钛合金焊接接头热影响区成为薄弱部位的重要原因。为此，采用TIG焊焊接钛合金，通常还要在焊枪上附加拖罩实现对接头热影响区的保护。由于受电极限制，TIG焊温度不宜过高，所以TIG焊焊接钛合金效率较低，主要用来焊接薄板。为了增加熔深，学者们提出活性TIG焊（A-TIG）。与传统TIG焊相比，A-TIG焊能使接头熔深明显增加，材料的可焊厚度提高了1～2倍，且接头性能明显改善[3]。活性剂一般由几种化合物按一定比例混合而成，常见的活性剂有CaF2、SiO2、NaF、Cr2O3、TiO2等。焊接钛合金时CaF2作用效果较好[4]。焊前，需把粉末状的活性剂溶于溶液中形成糊状，常见的溶液有无水乙醇、水玻璃等，然后把糊状物均匀涂到焊件坡口及焊件表面一定范围内的试件上，待活性剂干燥后施焊。活性剂涂抹均匀程度对接头质量有很大影响，为此，曲福兴[5]等人研制出用于焊接钛合金的活性焊丝，即把活性剂涂在焊丝表面，为了使活性剂能涂抹均匀，在焊丝表面加工了螺纹，把活性剂涂抹于螺纹的沟槽内。活性剂不仅能增加熔深，还可以减少焊接气孔，活性剂消除气孔主要是冶金作用生成HF的结果[6]。
3 钛合金焊接新方法
3.1 电子束焊（EBW）焊接钛合金
电子束属于高能束流焊接，电子束焊接具备以下特点：1）能量密度大，电子束流的能量密度为普通电弧的10～1000倍。2）焊缝深宽比（H/B）大，电子束焊焊接普通材料缝深宽比可达60：1，焊接铝合金甚至可达到70：1[7]。3）焊缝纯度高，焊接质量高，电子束焊大部分在真空环境中施焊，隔离空气，故接头质量可得到保证。因此，焊接钛合金，特别是一些重要构件，电子束焊是理所应当优先考虑的方法。尤其是一些结构比较庞大复杂构件，难于进行整体热处理，还可以进行局部热处理。
3.2 激光焊（LBW）焊接钛合金
激光焊也属于高能束流焊接，与电子束焊相比，激光焊的功率密度更高。但是采用LBW焊接钛合金，由于焊接热源热量密度集中容易出现过热的现象，另外LBW焊接对环境的要求较高，钛合金焊件正反两面以及高温区域都需用惰性气体进行保护。而且采用LBW焊接钛合金，接头通常断裂于热影响区，热影响区成为接头的薄弱部位[8]。但是把激光电弧与其他电弧组合作为复合焊接热源焊接钛合金应用较多。复合热源共同加热焊件同一位置，通过两热源的相互作用及复合热源与工件作用，完成焊接过程，两种热源的优势得以完全发挥，不足可以相互弥补，从而形成一种全新的高效焊接热源。
3.3 搅拌摩擦焊（FSW）焊接钛合金
搅拌摩擦焊是1991年由英国焊接研究所（TWI）发明的一种新型固相连接技术。采用熔焊方法焊接钛合金与搅拌摩擦焊相比，条件要求高，而且容易出现焊接缺陷，接头性能低。因此，攪拌摩擦焊焊接钛合金的研究和应用也日趋广泛。栾国红[9]采用搅拌摩擦焊焊接Ti-6Al-4V（TC4），对焊缝和接头进行了观察分析，还对接头力学性能进行了测试，初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接，接头强度可以达到母材强度90%以上。
一些其他的焊接方法也适用于钛合金焊接，但目前以上述几种方法居多，本文对其他方法暂不做讨论。
4 钛合金焊接展望
随着我国大力发展航空航天事业，钛合金正得到越来越广泛的应用，焊接作为一种重要的制造技术在钛合金的应用中起到重要作用。目前钛合金的焊接技术以熔焊为主，由于钛合金特殊的物理性能，要求焊接热源能量集中密度高，所以像电子束焊、激光焊等高能束流焊接将是今后钛合金焊接重点研究领域。搅拌摩擦焊已被证明为焊接钛合金的可取方法，但是对其研究还较少，进一步系统详实的研究是未来焊接工作者研究重点。
参考文献
[1] 吴巍，程广福，高洪明，等. TC4合金TIG焊接头组织转变与力学性能分析[J]. 焊接学报，2009， 30（7）：81-84
[2] 李亚江.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社， 2005.189-191
[3] Lucasw.Howse D.S. A investigation into arc constriction by active fluxes for TIG（A-TIG）welding[J].Science and Technology of welding and Joining.2003，3（5）：189-193
[4] 陈俐，胡伦骥.活性剂焊接技术的研究[J].热加工工艺技术与装备.2005，4：39-41
[关键词]焊接性 电子束焊 激光焊 搅拌摩擦焊
中图分类号：TG406 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-0028-01
0 序言
钛合金由于具备优异的综合性能被广泛用于航空航天、核能、船舶等部门，特别是航空航天领域。这主要是因为钛合金具有比强度高这一特性，钛合金的强度不及高强钢，但其密度较高强钢小很多，其密度较铝合金大，但其强度高于铝合金。另外钛合金的高温性能较好，抗蚀性优异，这使得钛合金成为一种理想的航空、航天用材。随着研究的深入及技术的进步，机架材料使用钛合金的比重也不断增加。焊接技术是现代工业高质量、高效率生产中不可缺少的先进制造技术，在钛合金的应用中起到重要作用。
1 钛合金焊接性分析
钛合金焊接的常见缺陷有三种：接头脆化；裂纹；气孔。
1.1 接头脆化
钛合金高温活性强，高温时容易与氧、氮、氢等元素结合，使得焊接接头被污染从而造成接头性能恶化；钛合金熔点高，但其导热性差，焊接时接头在高温区间停留时间长，合金元素在β相中的扩散系数大，因此，高温β相将快速长大，晶粒粗大，产生所谓“β脆性”[1]。以上两方面因素都会造成钛合金焊接接头脆化问题。
1.2 裂纹
钛合金对热裂纹不敏感，这主要是因为钛合金含硫、磷杂质少，晶界很少生成低熔点共晶。钛合金焊接接头的裂纹主要是出现在热影响区的延迟裂纹，这与氢有关。焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，如果这个部位处于不利的应力状态，就会引起裂纹。
1.3 气孔
气孔是钛合金焊接过程中经常遇到的缺陷[2]，气孔不仅造成应力集中而且会使整个焊接接头塑性及疲劳寿命降低。钛合金中的气孔大部分为氢气孔，而且气孔大部分都存在于熔合线上，这是由于氢在钛中的溶解度随温度的降低而升高，在凝固温度时由跃变降低后又升高，由于熔池中部比熔池边缘温度高，故熔池中部的氢易向熔池边缘扩散，因为后者比前者对氢有更高的溶解度，故熔池边缘容易为氢过饱和而生成气孔。
2 钛合金传统焊接方法
钛合金传统焊接方法主要是钨极氩弧焊（TIG焊），TIG焊由于在施焊过程中焊缝受到惰性气体的保护，不易与空气接触，焊缝基本能够满足使用要求。但是钛合金高温活性强，所以热影响区处于高温的部分容易吸收空气中的氮、氧等元素，从而造成接头性能下降。这也是钛合金焊接接头热影响区成为薄弱部位的重要原因。为此，采用TIG焊焊接钛合金，通常还要在焊枪上附加拖罩实现对接头热影响区的保护。由于受电极限制，TIG焊温度不宜过高，所以TIG焊焊接钛合金效率较低，主要用来焊接薄板。为了增加熔深，学者们提出活性TIG焊（A-TIG）。与传统TIG焊相比，A-TIG焊能使接头熔深明显增加，材料的可焊厚度提高了1～2倍，且接头性能明显改善[3]。活性剂一般由几种化合物按一定比例混合而成，常见的活性剂有CaF2、SiO2、NaF、Cr2O3、TiO2等。焊接钛合金时CaF2作用效果较好[4]。焊前，需把粉末状的活性剂溶于溶液中形成糊状，常见的溶液有无水乙醇、水玻璃等，然后把糊状物均匀涂到焊件坡口及焊件表面一定范围内的试件上，待活性剂干燥后施焊。活性剂涂抹均匀程度对接头质量有很大影响，为此，曲福兴[5]等人研制出用于焊接钛合金的活性焊丝，即把活性剂涂在焊丝表面，为了使活性剂能涂抹均匀，在焊丝表面加工了螺纹，把活性剂涂抹于螺纹的沟槽内。活性剂不仅能增加熔深，还可以减少焊接气孔，活性剂消除气孔主要是冶金作用生成HF的结果[6]。
3 钛合金焊接新方法
3.1 电子束焊（EBW）焊接钛合金
电子束属于高能束流焊接，电子束焊接具备以下特点：1）能量密度大，电子束流的能量密度为普通电弧的10～1000倍。2）焊缝深宽比（H/B）大，电子束焊焊接普通材料缝深宽比可达60：1，焊接铝合金甚至可达到70：1[7]。3）焊缝纯度高，焊接质量高，电子束焊大部分在真空环境中施焊，隔离空气，故接头质量可得到保证。因此，焊接钛合金，特别是一些重要构件，电子束焊是理所应当优先考虑的方法。尤其是一些结构比较庞大复杂构件，难于进行整体热处理，还可以进行局部热处理。
3.2 激光焊（LBW）焊接钛合金
激光焊也属于高能束流焊接，与电子束焊相比，激光焊的功率密度更高。但是采用LBW焊接钛合金，由于焊接热源热量密度集中容易出现过热的现象，另外LBW焊接对环境的要求较高，钛合金焊件正反两面以及高温区域都需用惰性气体进行保护。而且采用LBW焊接钛合金，接头通常断裂于热影响区，热影响区成为接头的薄弱部位[8]。但是把激光电弧与其他电弧组合作为复合焊接热源焊接钛合金应用较多。复合热源共同加热焊件同一位置，通过两热源的相互作用及复合热源与工件作用，完成焊接过程，两种热源的优势得以完全发挥，不足可以相互弥补，从而形成一种全新的高效焊接热源。
3.3 搅拌摩擦焊（FSW）焊接钛合金
搅拌摩擦焊是1991年由英国焊接研究所（TWI）发明的一种新型固相连接技术。采用熔焊方法焊接钛合金与搅拌摩擦焊相比，条件要求高，而且容易出现焊接缺陷，接头性能低。因此，攪拌摩擦焊焊接钛合金的研究和应用也日趋广泛。栾国红[9]采用搅拌摩擦焊焊接Ti-6Al-4V（TC4），对焊缝和接头进行了观察分析，还对接头力学性能进行了测试，初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接，接头强度可以达到母材强度90%以上。
一些其他的焊接方法也适用于钛合金焊接，但目前以上述几种方法居多，本文对其他方法暂不做讨论。
4 钛合金焊接展望
随着我国大力发展航空航天事业，钛合金正得到越来越广泛的应用，焊接作为一种重要的制造技术在钛合金的应用中起到重要作用。目前钛合金的焊接技术以熔焊为主，由于钛合金特殊的物理性能，要求焊接热源能量集中密度高，所以像电子束焊、激光焊等高能束流焊接将是今后钛合金焊接重点研究领域。搅拌摩擦焊已被证明为焊接钛合金的可取方法，但是对其研究还较少，进一步系统详实的研究是未来焊接工作者研究重点。
参考文献
[1] 吴巍，程广福，高洪明，等. TC4合金TIG焊接头组织转变与力学性能分析[J]. 焊接学报，2009， 30（7）：81-84
[2] 李亚江.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社， 2005.189-191
[3] Lucasw.Howse D.S. A investigation into arc constriction by active fluxes for TIG（A-TIG）welding[J].Science and Technology of welding and Joining.2003，3（5）：189-193
[4] 陈俐，胡伦骥.活性剂焊接技术的研究[J].热加工工艺技术与装备.2005，4：39-41