工業純鈦是指含有少量 Fe、C、O、N、H 等雜質，鈦含量不低于 98.5%(質量分數)的致密金屬鈦。工業純鈦強度在 280~720 MPa 之間，具有良好的塑性、韌性，并且工藝性能優異，有較好的耐腐蝕能力；工業純鈦常被制成制造非承力件，長期工作溫度可以達到 300℃以上。工業純鈦以其優異的綜合性能應用于各個領域，包括航天航空、船舶、化工、醫療器械等。 

根據工業純鈦中的雜質含量和純度，可以將其分為四個等級(TA0~TA3)，這四種等級的工業純鈦間的間隙雜質元素是逐漸增加的，故其機械強度和硬度也隨之逐級增加，但塑性、韌性相應下降。工業純鈦中應用最廣的要數TA2工業二級純鈦，這是因為和 TA0、TA1 相比,TA2具有更高的強度和耐磨性；與TA3 相比，TA2鈦合金具有更好的工藝性能。 

以下有關純鈦，以TA2鈦管材作為焊接試驗的基本材料。 

TA2 焊接中的常見問題 

由于鈦在高溫下化學性質非常活潑，所以鈦是一種較難焊接的金屬。常見的焊接問題包括焊縫及周圍區域晶粒粗大、焊接接頭脆化、裂紋、氣孔、雜質元素的污染等。 

1）焊縫金屬晶粒尺寸粗大 

鈦合金具有熔點高、導熱性能差等特點，這樣的物理性能決定了在 TA2 焊接過程中容易出現焊縫、熱影響區的組織粗大現象，引起塑性、韌性降低。因此在制定焊接工藝時，必須考慮焊接熱輸入對晶粒大小的影響，要嚴格控制熱輸入，從選擇合適的焊接電流、焊接電壓、焊接速度的角度來研究控制晶粒尺寸的措施。 

2）焊接接頭脆化 

鈦及鈦合金在焊接過程中極易受氣體等雜質污染而脆化。在常溫下鈦及鈦合金比較穩定，能與氧發生反應在表面生成致密的氧化膜，該氧化膜的產生使得鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性。然而，隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氧、氮及氫元素的能力明顯增加，鈦從 250℃開始吸收氫，從 400℃開始吸收氧，從 600℃ 開始吸收氮。氫是影響鈦性能的有害元素之一，它會導致鈦的塑性與韌性降低，發生氫脆。在冷卻時，氫來不及時溢出會產生氣孔，故一般要求鈦材中氫含量小于 0.01％～0.15％。鈦和氧有很強的親和力，在較低溫度時，氧進入鈦表面晶格生產了致密的氧化膜，極大提高了鈦的耐腐蝕能力；當溫度升高時鈦的氧化膜會變成多孔狀，氧會通過小孔進入鈦內部，生成間隙固溶體，在鈦內部形成硬化層，降低鈦的塑性。鈦在 600℃以上會與氮作用，使焊接接頭的塑性韌性下降，引起氣孔和裂紋。因此，焊接時需對熔池、焊縫及溫度超過 200℃的熱影響區妥善保護。 

3）焊接裂紋 

由于鈦及鈦合金中 S、P 等雜質很少，不容易形成晶界上的低熔點共晶，結界溫度區間窄，焊接凝固收縮量小，所以出現熱裂紋的可能性比較小。但是若母材和焊絲雜質含量超標，則有可能出現焊接熱裂紋，因此在選擇母材、焊絲時要嚴格控制雜質含量，并且在焊前要對母材、焊絲進行清理，嚴防雜質元素進入。 

冷裂紋是焊接 TA2 鈦管時的主要問題之一。在焊接過程中，如果沒有受到良好的保護，鈦及鈦合金就容易受到氧、氫、氮等雜質的污染而脆化，在焊接應力的作用下出現冷裂紋。氫是形成冷裂紋的主要原因。氫在擴散過程中，會從固溶體中析出 TiH；析出 Ti H 的過程將會出現較大的體積變化和較大內應力。為了避免冷裂紋的出現就要重點防治氫的危害。 

在制定焊接工藝時，可以通過控制氫、氮等雜質元素的方法來減少裂紋。 

4）氣孔 

氣孔是TA2鈦管焊接時最常見的缺陷。氣孔帶來的主要影響是降低焊接接頭的疲勞強度，氣孔的存在將會使得疲勞強度降低一半以上。 

鈦管焊接接頭中的氣孔按來源可以分為冶金反應生成的氣孔，外部空氣傾入形成的氣孔，油污、水分分解產生的氣孔。其中，因為焊前清理不到位而附著在鈦管、焊絲表面上的油污是造成氣孔的主要原因。在加工焊絲殘留的潤滑劑，打磨破口時殘留的磨粒，焊接坡口附近殘余的水分都可能造成氣孔產生。另外，氫也是引起氣孔的一個因素，氫主要來源于焊絲中的氫含量超標以及坡口和空氣中的水分。選擇含氫量低的焊絲，采取合適的方法避免水分和空氣的污染，能有效避免由氫導致的氣孔。值得注意的是，不同的焊接方法，不同焊接工藝參數也會對氣孔的多少產生影響。通常情況下，鎢極氬弧焊產生的氣孔比電子束焊少。焊接工藝對氣孔的影響也很顯著，焊接參數、固定焊技術、根部間隙、保護氣體的純度、焊縫的冷卻速度等均會影響氣孔的產生。 

5）雜質污染 

在焊接鈦管時，雜質元素會對焊接接頭的力學性能以及耐腐蝕性能產生不良影響。 

（1）鈦高溫下非常活潑，在焊接過程中極易吸收氧、氮、氫和碳等元素，降低焊接接頭塑性、韌性。吸收的氧和氮元素會固溶于焊縫，增加鈦晶格的畸變程度，增加變形抗力，導致焊縫及熱影響區的強度、硬度增加，塑性韌性降低，其中氮的影響程度要高于氧。氫元素的增加，也會嚴重降低焊接接頭的塑性韌性。

碳的危害在于能形成間隙固溶體，使材料脆化；當碳含量過高超過溶解度時，就會生成硬脆的 TiC 組織，往往會導致裂紋產生。 

（2）鈦材在溫度高于 288℃時，其表面殘留的氯化物和其它清洗液會使其產生應力腐蝕裂紋。 

（3）對鈦材影響最大的是鐵離子。由于焊縫在形成過程中與鐵接觸的機會最多，即使母材中鐵含量不高，焊縫局部鐵離子含量絕對會高于母材，導致焊縫出現原電池腐蝕，其腐蝕嚴重程度要比母材高些，發生“焊縫優先腐蝕”。鐵的主要來源于焊接、檢修過程中，鈦材和其他材料的接觸。所以在焊接鈦管時，在焊前準備和焊接過程中都必須注意減少鐵的污染。 

6）焊接變形 

鈦的彈性模量約為低碳鋼的一半，彈性模量小；導熱系數低，約為鋼的1/4，銅的1/23，鋁的 1/3。因此，在焊接過程中會產生較大的焊接變形。鈦冷變形的回彈能力強，大約是不銹鋼的兩倍以上，焊后矯正困難。所以，在焊接過程中就需要考慮如何采取有效措施來預防焊接變形。控制焊接變形可以從優化焊接工藝參數和工件組裝上進行考慮，如較小的熱輸入能減少焊接變形的出現。此外在，在焊前進行定位焊，對鈦管進行約束也能有效減少焊接后的角變形和彎曲變形。 

正是由于鈦在焊接中容易出現這些質量問題，在制定焊接工藝時在各個環節必須充分考慮如何避免上述焊接缺陷，確保得到高質量的焊縫。 

根據TA2工業二級純鈦的物理、化學性質，探討了其焊接性。列舉了TA2鈦管焊接過程中常見的焊接缺陷，以及這些焊接缺陷帶來的危害，并簡單提出了控制這些焊接缺陷的方法。

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