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钛及钛合金的分类及特性
钛是一种非磁性材料，具有密度小（4.5g/cm3）、强度高（比铁约高1 倍）、较好的高温强度和低温韧性以及良好的耐腐蚀性等特点。钛在885℃以下时，具有密集六方晶格称为α 钛。在885℃产生同素异晶转变，晶格变为体心立方晶格称为β 钛。钛长时间在高温停留，晶粒容易长大，快速冷却时，容易生成不稳定的针状α 钛组织称为“钛马氏体”，其强度较高，塑性较低。
钛加入合金元素后可改善加工性能和力学性能，常加的合金元素有Al、V、Mn、Cr、Mo 等，按照成分和在室温时的组织不同，钛和钛合金可分为：
⑴工业纯钛 按其纯度可分为TA1、TA2、TA3 等牌号，其中TA1 的杂质少，少量杂质将使强度增高、塑性降低，故TA1 的强度最低（σb 为300～500MPa）、塑性最好（δ 为30%）。工业纯钛有良好的焊接性。
⑵α 钛合金 钛中加入了Al、Sn 等元素，牌号为TA6、TA7，有良好的高温强度和抗氧化性。α 钛合金有良好的焊接性。
⑶β 钛合金 钛中加入了Mn、V、Mo、Cr 等元素，牌号为TB1、TB2。热处理后强度较高（TB1 的σb为700MPa），塑性也较好，而且具有良好的加工性，但耐热性稍差，体积质量大、成本高。β 钛合金的焊接性不良。
⑷α+β 钛合金 钛中加入了Al、Se、Mo、Mn、Cr 等元素，牌号为TC1、TC2。可通过热处理如化，加工性能良好，但高温强度低于α 钛合金。α+β 钛合金焊接性很差，很少用于焊接结构。
钛及钛合金的焊接性
⑴化学活性大 钛和钛合金不仅在熔化状态，即使在400℃以上的高温固态也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收O2、N2、H2、C 等元素，使焊接接头的塑性及冲击韧度下降，并易引起气孔。因此，施焊时对焊接熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要妥善保护。
⑵热物理性能特殊 钛和钛合金和其它金属比较，具有熔点高、热容量较小、热导率小的特点，因此焊接接头易产生过热组织，晶粒变得粗大，特别是β 钛合金，易引起塑性降低，所以在选择焊接参数时，既要保证不过热，又要防止淬硬现象。由于淬硬现象可通过热处理改善，而晶粒粗大却很难细化，因此为防止晶粒粗大，应选择硬参数。
⑶冷裂倾向较大 溶解于钛中的氢在320℃时和钛会发生共析转变，析出TiH2，引起金属塑性和冲击韧度的降低，同时发生体积膨胀而引起较大的应力，严重时会导致产生冷裂纹。
⑷易产生气孔 产生气孔的气体是氢。因氢在钛中的溶解度随温度升高而下降，焊接时，沿熔合线附近加热温度高，会引起氢的析出，因此气孔常在熔合线附近形成。
⑸变形大 钛的弹性模量约比钢小一半，所以焊接残余变形较大，并且焊后变形的矫正较为困难。钛及钛合金焊接方法的选择及常用的焊前清理方法。由于钛及钛合金的化学活性大，易被氧、氮、氢所污染，所以不能采用手弧焊、CO2 气体保护焊等焊接方法进行焊接。目前常用的焊接方法是氩弧焊、埋弧焊和真空电子束焊等，其中尤以钨极氩弧焊用得最为普遍。
近年来等离子弧焊、电阻点焊、缝焊、钎焊和扩散焊得到应用。
钛和钛合金焊件的表面，焊前一定要进行认真的清理，因污物易在焊缝中产生气孔和非金属夹杂，使焊缝的塑性和耐腐蚀性显着下降。常用的清理方法如下：
⑴机械清理 用切削加工、喷砂、喷丸或钢丝刷清除焊接区的污物和氧化皮等。
⑵化学清理 将焊件及焊丝在酸液中进行清洗，使焊件表面去净氧化物，呈银白色金属光泽为止，酸洗液的配方见表60。酸洗后在流动的清水中洗净，焊前再用丙酮或酒精擦净焊丝及焊件焊接区域的表面。
钛及钛合金的酸洗溶液配方
钛及钛合金钨极氩弧焊的焊接工艺
⑴局部保护 钛及钛合金焊接时，不仅要保护焊缝区和熔池区，并且对加热温度超过400℃的热影响区和焊缝背面也要进行保护，常用的局部保护方法见图12。保护效果以焊缝及热影响区表面颜色为标志见表61。
表61
⑵接头形式 钛及钛合金的接头形式及坡口尺寸见表62。
⑶焊丝 焊丝牌号有TA 和TC 两大系列，通常采用同质材料，为改善接头塑性，可用比母材合金化程度稍低的焊丝，例如焊接TC4 时可以用TC3 焊丝。
⑷焊接工艺参数 钛及钛合金手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊的焊接工艺参数，分别见表63、表64。
表63 钛和钛合金手工钨极氩弧焊焊接工艺参数
表64 钛和钛合金自动钨极氩弧焊焊接工艺参数
钛及钛合金钨极氩弧焊介绍
1.焊接特点
工业上用于焊接的钛及钛合金多为α型和α＋β型，其焊接特点为：
（1）化学活性强，焊接过程中不仅易引发气孔、裂纹等缺陷，而且易形成脆化。钛及其合金在常温下能与氧形成致密的氧化膜，焊接高温下极易被空气、水份、油脂等污染。钛在300℃以上吸氢、600℃以上快速吸氧、700℃以上快速吸氮，不仅降低焊接接头的力学性能，而且易引发气孔、裂纹等缺陷。
1）焊接接头容易氧化。工件加热到400℃以上，钛就吸氧，500℃以上钛在空气中氧化加剧，并随着焊接接头中氧含量的增加，材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。焊接过程中防止氧化要贯穿始终。
2）焊接接头容易氮化。钛与氮的亲合力很大，工件达700℃左右，氮与钛就会形成硬脆的TｉN，剧烈地降低塑性、韧性。因此，焊接全过程要严防焊缝吸氮。
3）焊接接头易出现氢脆。氢在钛中的溶解度随温度的升温而增加，随温度的降低而减少，降温过程中氢的溶解度随温度的降低而降低，并以化合物的形式析出，这种化合物呈脆性，不仅使材料的冲击韧性下降，而且易产生微裂纹。因此，焊接过程囊应严防焊缝吸氢。
4）碳的影响。碳在钛合金中属杂质，它的影响虽然小于氧、氮，但焊缝中的碳超过它在α钛中的溶解度（0.13%）时，会生成硬而脆、呈网状分布的TｉC，易引发裂纹。因此，有关标准限定钛材中的C≤0.10%。
a、对气孔敏感 这类合金主要的焊接缺陷是气孔，有时很难避免。形成气孔的因素很多（例如，氧与碳生成CO气孔），但主要由氢引起。若焊件清理不善、氩气中含杂质及水分或焊枪及管线系统有水分、油脂等均会成为氢的来源。 这类合金的气孔往往分布在焊缝熔合唱 线附近，人们常用氢在液态金属中的溶解度曲线来解释。氢在液态钛中的溶解度随温度的降低而降低，在凝固过程中有跳跃式的突降。高温熔池中氢向低温边缘扩散，聚集于熔合线附近的氢容易过饱和，为形成气孔提供条件。
b、易出现冷裂纹 这类合金中的C、S含量低杂质少，焊缝结晶时的低熔点共晶少，合金凝固时的收缩量小，一般不会出现热裂纹。而焊缝冷却过程中，由于氢溶解度的激剧变化，在熔合线附近高度集中的氢可能析出脆性相（TｉH2）。较多脆性相的存在，且在TｉH2析出过程中伴随着体积膨胀所产生的组织应力，加上焊接应力的作用易形成冷裂纹。
c、焊接接头的晶粒长大倾向严重 钛的熔点高（1668℃）、热容量大、导热性差、电阻率大。焊接时熔池的温度高、尺寸大；热传导差致使熔池高温停留时间长，造成焊接接头晶粒长大，脆性增加。因此，焊接宜采用较小的电流和较快的焊接速度。
d、焊接时易变形，且难校正 钛的纵向弹性模量为钢的50%，在同样焊接应力作用下，其变形量比钢大一倍，且变形后难以校正。
2.预防焊接缺陷，获得优质焊接接头的措施
1）加强焊前对工件及焊材的清理（特别是对接接头坡口端面处的表面），减少氧、氮氢的来源。
2）采用高纯度保护氩气（Aｒ≥99.99%）。
3）焊接时焊枪要带拖罩，且对温度超过400℃区域的焊道正、背都要严加保护，防止氧、氮、氢的侵入
4）选择适当的焊接线能量，既要防止线能量大造成接头过热，也要避免热输入过小，相变时产生较多的脆性相，还要使熔池保护足够的时间，有利于氢气的逸出。
5）采用适当的夹具、压板，同时选择合理的焊接顺序，以防止和减少变形。
6）加工过程应注意防止铁离子污染，避免与铁离子接触。
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