钛合金钛锻件TC4钛棒氩弧焊工艺-钨极氩弧焊
钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金*常用的方法，常用于焊接厚度小于3mm的钛及钛金属合金。钨极氩弧焊可分为开放式焊接和箱式焊接两种，分别分为手工焊接和自动焊接。开放式焊接是大气环境中常见的钨极氩弧焊，它使用焊接喷嘴、拖动盖和背部保护装置通过适当流量的氩气或氢氮混合物将焊接高温区域与空气隔开，以防止空气侵入并污染焊接区域中的金属。这是一种局部气体保护焊接方法。当焊件的结构复杂，难以实现拖动盖或背部保护时，应在箱体焊接中使用。焊接前应将箱体抽真空，然后填充氨或氮气混合物，在惰性气氛下将焊件焊接在箱体中，这是一种整体气体保护焊接方法
1.焊接前的准备
钛合金钛锻件TC4钛棒焊接接头的质量在很大程度上取决于焊接前焊缝和焊丝的清洁，当清洁不彻底时，焊缝和焊丝表面会形成吸气层，导致焊接接头形成裂纹和气孔。因此，焊接前应仔细清洁坡口及其附近。清洁通常通过机械清洁和化学清洁来完成。
1、机械清洗
钛合金钛锻件TC4钛棒使用切割、冲压和切割工件需要在焊接前对接头边缘进行机械清洗。对于焊接质量要求不高或酸洗困难的焊缝，可以用细砂布或不锈钢钢丝刷擦拭，或用硬质合金刮刀刮擦待焊接边缘，去除表面氧化膜，刮擦深度为025mm的用于气焊切割的工件，加工切割层的厚度不应小于1~2mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶剂去除坡口两侧的手印、焊丝表面的有机物和油污。清除油污时，请使用厚棉布、刷子或人造纤维刷。
对于在焊接前经过热加工或在没有保护气体的情况下进行热处理的工件，表面需要通过喷丸或喷砂进行清洁，然后进行化学清洁。
2.化学清洗
如果钛板在热轧后已经酸洗，但由于存放时间过长而形成新的氧化膜，可以在室温下将钛板轻轻浸泡在（2%~4%）HF+（30%-40%）HNO+Ho溶液15-20mm中，然后用清水冲洗干燥。对于热轧后未酸洗的钛板，氧化膜较厚。
应先进行碱洗。清洗时，将钛板浸泡在80%的苛性钠中。在碳酸氢钠20%浓碱性水溶液中浸泡10~15min，溶液温度保持在40~50℃。碱洗后，取出并冲洗，然后酸洗。酸洗溶液的配方为：每升溶液55~60mL硝酸、340~350mL盐酸、5mL氢氟酸。酸洗时间为10~15min（室温浸泡）。取出后，用热水和冷水冲洗，用白布擦拭并擦干。酸洗后的焊缝和焊丝应在4小时内焊接，否则应再次酸洗。焊丝可以存放在150~200°C的烤箱中，并随取随用。焊丝应戴干净的白手套，以避免污染焊丝。焊接部位应覆盖塑料片以防止污染，被污染的部位可用丙酮或酒精擦拭。
2.凹槽的准备和组装
为了减少焊缝的积聚和气体体积，在选择坡口形式和尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属量，以防止接头塑性下降。钛和钛合金的槽形和尺寸如表1所示。由于搭接接头背部保护困难，接头受力条件差，因此尽量不使用搭接接头，通常不使用*性衬垫对接接头。对于基材厚度小于25mm的I型槽对接接头，可以在没有填充焊丝的情况下进行焊接。对于较厚的基材，需要打开凹槽并添加填充金属。一般应尽量采用平焊。通过机械方法加工的斜面对接头组装有很高的要求，因为接头中可能会留下空气。在钛板的坡口加工中，*采用创建和铣削等冷加工技术，以减少热加工过程中坡口边缘硬度增加的现象，降低机械加工的难度。
由于钛合金钛锻造TC4钛棒的一些特殊物理性能，如表面张力系数大、熔融态粘度小，焊接前焊点间距为100-150mm，长度为10-15mm。点焊中使用的焊丝、焊接工艺参数和保护气体与正式焊接中使用的相同，当每个实心焊点的电弧停止时，气体应延迟。装配时，不要用铁敲击或划伤待焊接工件的表面
三、焊接材料的选择
1、氨气用于钛及钛合金焊接气体为氢气，其纯度为9.9%，点在-40℃以下，杂质总含量<0.02%，相对湿度<6%，水分≤0.0010L。焊接过程中如果氨气压力降至w，应停止使用，以确保焊接接头的质量。
2、焊丝填充焊丝的成分一般应与母材成分相同。常用牌号有TA1钛棒、TA2钛棒、TAG3钛棒、TAK4钛棒、TAM5钛棒、TK6钛棒和TC3钛棒。为了提高焊缝金属的塑性，可以选择强度略低于母材的焊丝。例如，在焊接TA7钛棒和TC4钛棒等钛合金时，为了提高焊缝的塑性，可以选择纯钛焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量应低于母材的一半左右，如0≤0.12%，N≤0.03%，H≤0.006%，C≤0.04%。
焊丝应在真空退火状态下供应，表面不得有烧伤皮、裂纹、氧化色和非金属夹杂物等缺陷。焊接前*彻底清洁焊丝，否则焊丝表面的油可能会成为焊接金属的污染源。当不使用标准等级的焊丝时，可以从母材上切下一条窄条作为焊丝，窄条的宽度和厚度是相同的。
四、气体保护措施
由于钛合金钛锻造TC4钛棒对空气中的氧气、氮气、氢气等气体具有很强的亲和力，因此*在焊接区采取良好的防护措施，确保焊接池的前后和温度超过350°C的热影响区与空气隔绝。钨极氩弧焊焊接钛及钛合金的防护措施和适用范围见表2。
焊缝的保护效果不仅与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件之间的距离、接头形式等因素有关，还与焊炬和喷嘴的结构和尺寸有关。钛的导热系数小，焊接溶液池的尺寸大，因此喷嘴的孔径也应相应增加，以扩大保护区的面积。图1显示了常用的火炬喷嘴和阻力盖。
该结构可以获得具有一定刚度的气流层，保护区的直径约为30m。如果喷嘴的结构不合理，就会出现湍流和刚性流，两者都会将空气混合到焊接区。为了改善焊缝金属的微观结构，提高焊缝和热影响区的性能，可以采用提高焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或对侧设置风冷或水冷铜压块。已从喷嘴保护区移除但仍高于350°C的焊接热影响区表面仍需保护。通常可以通过。
带有氩气流的尾罩。拖动罩的长度为100~180mm，宽度为30~40mm，具体长度可根据焊接部位的形状、板材厚度、焊接工艺参数等条件确定，但温度在350°C以上，热影响区的金属得到充分保护。拖动罩壳体的四角应平滑过渡，死角应尽量减少，拖动罩应与焊件表面保持一定距离。
焊接长焊缝时，当焊接电流大于200A时，冷却水管应设置在拖动盖的底盖边缘，以防止拖动盖过热甚至烧坏铜线和外壳。钛和钛合金板手动TG焊接的拖动盖通常连接到焊炬上，并与焊炬同时移动。为了加强对管道前端后端焊缝和热影响区的保护，通常根据管道外径设计和制造特殊的环形阻力盖，如图2所示。
钛合金钛锻造TC4钛棒焊接在背面也需要加强保护。通常，氩气填充在部分封闭的空气腔或整个焊件中，并在焊板背面添加氩气等措施。对于平焊，可以使用背面有通风口的铜板，如图3所示。
氩气从焊件背面的铜垫片通气孔（孔径小m，孔距15~20m）流出，并短暂储存在垫片的小槽中，以保护焊缝背面免受有害气体的侵害。为了加强冷却，垫片应由铜制成，其凹槽的深度和宽度应适当，否则不利于氩气的流动和储存。对于厚度小于4m的钛板，焊盘的成型槽尺寸如表3所示。如果焊缝背面没有使用背板，可以使用氩气拖动盖手动移动。对于钛管的批量生产，对接焊可以在氩气保护罩中焊接，转动焊枪不会移动管子。
氩气流量的选择是为了获得良好的焊接表面颜色，流量太大不容易形成稳定的气体层，并且提高焊缝的冷却速度，容易在焊缝表面出现钛马氏体。当阻力罩中的氩气流量不足时，焊接接头的表面会显示出不同的氧化颜色。当流量过大时，会干扰主喷嘴的气流。焊缝背面过多的氩气流量也会影响前焊缝*层的气体保护效果。
焊缝和热影响区的表面颜色是保护效果的标志。钛材料的电弧作用后，表面形成薄氧化膜。在不同温度下形成的氧化膜的颜色不同。一般来说，焊接后的表面*是银白色，其次是金黄色。工业纯钛焊缝表面颜色与接头冷弯角度的关系如表4所示。在多层多道焊中，焊接接头的保护效果不能仅通过覆盖层焊缝的颜色来评估。因为如果底部焊缝已经被杂质污染，焊接覆盖层时保护效果良好，结果仍然会因底部污染而显著降低接头的塑性。
5.焊接工艺参数的选择
钛合金锻造TC4钛杆焊接有晶粒长大的趋势，尤其是β钛合金，但晶粒长大很难通过热处理来调节。因此，钛及钛合金焊接工艺参数的选择不仅要防止电弧作用下晶粒粗化的趋势，还要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。焊接应使用较小的焊缝能量，使温度刚好高于形成焊缝所需的*温度。如果线能量太大，焊缝容易被污染并形成缺陷。
表5和表6是钛及钛合金手工和自动TIG焊接的技术参数，主要适用于对接长焊缝和环焊缝。表7显示了钛管指针
TIG焊接工艺参数。
钨极氩弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊电源，并采用直流直接连接，以获得更大的熔深和更窄的熔宽。在多层焊接中，*层通常不添加焊丝，从第二层添加焊丝。加热的电线应该用气体保护。焊接多层时，应尽可能降低层间温度，待前一层冷却至室温后再焊接下一层焊缝，以防止过热。
对于厚度为0.1~2.0m的纯钛和钛合金板、对焊接热循环敏感的钛合金和薄壁钛管，建议采用脉冲氩弧焊。该方法可以成功控制钛焊缝的形成，减少焊接接头过热和粗晶的倾向，提高焊接接头的塑性。此外，焊缝易于实现单面焊接和双面成型，获得了高质量、变形小的焊接接头。表8显示了厚度为0.8~2.0m的钛板脉冲自动TIG焊接的工艺参数。脉冲电流在焊缝熔深中起着重要作用，基极电流的作用是保持电弧稳定燃烧，因此在下一个脉冲作用时不需要重新启动电弧。
当钛和钛合金板很厚时，使用熔融氨弧焊（MG）可以减少焊接层数，提高焊接速度和生产率，降低成本，还可以减少焊缝气孔。然而，G焊接的使用是过细的颗粒，填充金属污染的可能性很大，因此保护要求比TIG焊接更严格。此外，MG焊接飞溅大，影响焊缝成形和保护效果。短路过渡通常用于薄板焊接，射流过渡用于厚板焊接。
MIG焊接是用较多的焊丝填充，这就要求焊接坡口角度较大，板厚15~25m，可以选择90°单面V形坡口。氩钨极电弧焊可用于熔化电极焊接，但由于MG焊接的焊接速度快、温度高，应加长拖罩并用水冷却。MG焊接时焊接材料的选择与T焊接相同，但对气体纯度和焊丝表面清洁度的要求更高，焊接前*彻底清洁焊丝。表9显示了TC4钛合金自动MG焊接的工艺参数
1、退火的目的是消除应力，稳定组织，提高机械性能。退火过程分为两类：完全退火和不完全退火。α和β钛合金（TB2除外）通常只退火。由于全退火的加热温度很高，为了避免焊件表面的空气污染，*在氩气或真空中进行。由于加热程度低，可以在空气中进行不完全退火，空气对焊缝和焊件表面的轻微污染可以通过酸洗方法去除。
退火后的冷却速率对a和B钛合金不敏感，但对a+B钛合金非常敏感。对于这种合金，*以规定的速度冷却到一定的温度，然后分阶段冷却或直接空冷，初始空冷的温度不应低于使用温度
2、淬火时效处理淬火时效处理的目的是提高焊接接头的强度。但由于高温加热氧化严重，淬火过程中发生的变形难以纠正，焊接部位较大时不易淬火，因此一般很少使用，只适用于结构简单、体积小的压力容器。
在应力消除处理之前，*彻底清洁焊件表面，然后在惰性气氛中进行热处理。几种钛及钛合金焊后热处理的工艺参数如表10所示。
1.焊接前的准备
钛合金钛锻件TC4钛棒焊接接头的质量在很大程度上取决于焊接前焊缝和焊丝的清洁，当清洁不彻底时，焊缝和焊丝表面会形成吸气层，导致焊接接头形成裂纹和气孔。因此，焊接前应仔细清洁坡口及其附近。清洁通常通过机械清洁和化学清洁来完成。
1、机械清洗
钛合金钛锻件TC4钛棒使用切割、冲压和切割工件需要在焊接前对接头边缘进行机械清洗。对于焊接质量要求不高或酸洗困难的焊缝，可以用细砂布或不锈钢钢丝刷擦拭，或用硬质合金刮刀刮擦待焊接边缘，去除表面氧化膜，刮擦深度为025mm的用于气焊切割的工件，加工切割层的厚度不应小于1~2mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶剂去除坡口两侧的手印、焊丝表面的有机物和油污。清除油污时，请使用厚棉布、刷子或人造纤维刷。
对于在焊接前经过热加工或在没有保护气体的情况下进行热处理的工件，表面需要通过喷丸或喷砂进行清洁，然后进行化学清洁。
2.化学清洗
如果钛板在热轧后已经酸洗，但由于存放时间过长而形成新的氧化膜，可以在室温下将钛板轻轻浸泡在（2%~4%）HF+（30%-40%）HNO+Ho溶液15-20mm中，然后用清水冲洗干燥。对于热轧后未酸洗的钛板，氧化膜较厚。
应先进行碱洗。清洗时，将钛板浸泡在80%的苛性钠中。在碳酸氢钠20%浓碱性水溶液中浸泡10~15min，溶液温度保持在40~50℃。碱洗后，取出并冲洗，然后酸洗。酸洗溶液的配方为：每升溶液55~60mL硝酸、340~350mL盐酸、5mL氢氟酸。酸洗时间为10~15min（室温浸泡）。取出后，用热水和冷水冲洗，用白布擦拭并擦干。酸洗后的焊缝和焊丝应在4小时内焊接，否则应再次酸洗。焊丝可以存放在150~200°C的烤箱中，并随取随用。焊丝应戴干净的白手套，以避免污染焊丝。焊接部位应覆盖塑料片以防止污染，被污染的部位可用丙酮或酒精擦拭。
2.凹槽的准备和组装
为了减少焊缝的积聚和气体体积，在选择坡口形式和尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属量，以防止接头塑性下降。钛和钛合金的槽形和尺寸如表1所示。由于搭接接头背部保护困难，接头受力条件差，因此尽量不使用搭接接头，通常不使用*性衬垫对接接头。对于基材厚度小于25mm的I型槽对接接头，可以在没有填充焊丝的情况下进行焊接。对于较厚的基材，需要打开凹槽并添加填充金属。一般应尽量采用平焊。通过机械方法加工的斜面对接头组装有很高的要求，因为接头中可能会留下空气。在钛板的坡口加工中，*采用创建和铣削等冷加工技术，以减少热加工过程中坡口边缘硬度增加的现象，降低机械加工的难度。
由于钛合金钛锻造TC4钛棒的一些特殊物理性能，如表面张力系数大、熔融态粘度小，焊接前焊点间距为100-150mm，长度为10-15mm。点焊中使用的焊丝、焊接工艺参数和保护气体与正式焊接中使用的相同，当每个实心焊点的电弧停止时，气体应延迟。装配时，不要用铁敲击或划伤待焊接工件的表面
三、焊接材料的选择
1、氨气用于钛及钛合金焊接气体为氢气，其纯度为9.9%，点在-40℃以下，杂质总含量<0.02%，相对湿度<6%，水分≤0.0010L。焊接过程中如果氨气压力降至w，应停止使用，以确保焊接接头的质量。
2、焊丝填充焊丝的成分一般应与母材成分相同。常用牌号有TA1钛棒、TA2钛棒、TAG3钛棒、TAK4钛棒、TAM5钛棒、TK6钛棒和TC3钛棒。为了提高焊缝金属的塑性，可以选择强度略低于母材的焊丝。例如，在焊接TA7钛棒和TC4钛棒等钛合金时，为了提高焊缝的塑性，可以选择纯钛焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量应低于母材的一半左右，如0≤0.12%，N≤0.03%，H≤0.006%，C≤0.04%。
焊丝应在真空退火状态下供应，表面不得有烧伤皮、裂纹、氧化色和非金属夹杂物等缺陷。焊接前*彻底清洁焊丝，否则焊丝表面的油可能会成为焊接金属的污染源。当不使用标准等级的焊丝时，可以从母材上切下一条窄条作为焊丝，窄条的宽度和厚度是相同的。
四、气体保护措施
由于钛合金钛锻造TC4钛棒对空气中的氧气、氮气、氢气等气体具有很强的亲和力，因此*在焊接区采取良好的防护措施，确保焊接池的前后和温度超过350°C的热影响区与空气隔绝。钨极氩弧焊焊接钛及钛合金的防护措施和适用范围见表2。
焊缝的保护效果不仅与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件之间的距离、接头形式等因素有关，还与焊炬和喷嘴的结构和尺寸有关。钛的导热系数小，焊接溶液池的尺寸大，因此喷嘴的孔径也应相应增加，以扩大保护区的面积。图1显示了常用的火炬喷嘴和阻力盖。
该结构可以获得具有一定刚度的气流层，保护区的直径约为30m。如果喷嘴的结构不合理，就会出现湍流和刚性流，两者都会将空气混合到焊接区。为了改善焊缝金属的微观结构，提高焊缝和热影响区的性能，可以采用提高焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或对侧设置风冷或水冷铜压块。已从喷嘴保护区移除但仍高于350°C的焊接热影响区表面仍需保护。通常可以通过。
带有氩气流的尾罩。拖动罩的长度为100~180mm，宽度为30~40mm，具体长度可根据焊接部位的形状、板材厚度、焊接工艺参数等条件确定，但温度在350°C以上，热影响区的金属得到充分保护。拖动罩壳体的四角应平滑过渡，死角应尽量减少，拖动罩应与焊件表面保持一定距离。
焊接长焊缝时，当焊接电流大于200A时，冷却水管应设置在拖动盖的底盖边缘，以防止拖动盖过热甚至烧坏铜线和外壳。钛和钛合金板手动TG焊接的拖动盖通常连接到焊炬上，并与焊炬同时移动。为了加强对管道前端后端焊缝和热影响区的保护，通常根据管道外径设计和制造特殊的环形阻力盖，如图2所示。
钛合金钛锻造TC4钛棒焊接在背面也需要加强保护。通常，氩气填充在部分封闭的空气腔或整个焊件中，并在焊板背面添加氩气等措施。对于平焊，可以使用背面有通风口的铜板，如图3所示。
氩气从焊件背面的铜垫片通气孔（孔径小m，孔距15~20m）流出，并短暂储存在垫片的小槽中，以保护焊缝背面免受有害气体的侵害。为了加强冷却，垫片应由铜制成，其凹槽的深度和宽度应适当，否则不利于氩气的流动和储存。对于厚度小于4m的钛板，焊盘的成型槽尺寸如表3所示。如果焊缝背面没有使用背板，可以使用氩气拖动盖手动移动。对于钛管的批量生产，对接焊可以在氩气保护罩中焊接，转动焊枪不会移动管子。
氩气流量的选择是为了获得良好的焊接表面颜色，流量太大不容易形成稳定的气体层，并且提高焊缝的冷却速度，容易在焊缝表面出现钛马氏体。当阻力罩中的氩气流量不足时，焊接接头的表面会显示出不同的氧化颜色。当流量过大时，会干扰主喷嘴的气流。焊缝背面过多的氩气流量也会影响前焊缝*层的气体保护效果。
焊缝和热影响区的表面颜色是保护效果的标志。钛材料的电弧作用后，表面形成薄氧化膜。在不同温度下形成的氧化膜的颜色不同。一般来说，焊接后的表面*是银白色，其次是金黄色。工业纯钛焊缝表面颜色与接头冷弯角度的关系如表4所示。在多层多道焊中，焊接接头的保护效果不能仅通过覆盖层焊缝的颜色来评估。因为如果底部焊缝已经被杂质污染，焊接覆盖层时保护效果良好，结果仍然会因底部污染而显著降低接头的塑性。
5.焊接工艺参数的选择
钛合金锻造TC4钛杆焊接有晶粒长大的趋势，尤其是β钛合金，但晶粒长大很难通过热处理来调节。因此，钛及钛合金焊接工艺参数的选择不仅要防止电弧作用下晶粒粗化的趋势，还要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。焊接应使用较小的焊缝能量，使温度刚好高于形成焊缝所需的*温度。如果线能量太大，焊缝容易被污染并形成缺陷。
表5和表6是钛及钛合金手工和自动TIG焊接的技术参数，主要适用于对接长焊缝和环焊缝。表7显示了钛管指针
TIG焊接工艺参数。
钨极氩弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊电源，并采用直流直接连接，以获得更大的熔深和更窄的熔宽。在多层焊接中，*层通常不添加焊丝，从第二层添加焊丝。加热的电线应该用气体保护。焊接多层时，应尽可能降低层间温度，待前一层冷却至室温后再焊接下一层焊缝，以防止过热。
对于厚度为0.1~2.0m的纯钛和钛合金板、对焊接热循环敏感的钛合金和薄壁钛管，建议采用脉冲氩弧焊。该方法可以成功控制钛焊缝的形成，减少焊接接头过热和粗晶的倾向，提高焊接接头的塑性。此外，焊缝易于实现单面焊接和双面成型，获得了高质量、变形小的焊接接头。表8显示了厚度为0.8~2.0m的钛板脉冲自动TIG焊接的工艺参数。脉冲电流在焊缝熔深中起着重要作用，基极电流的作用是保持电弧稳定燃烧，因此在下一个脉冲作用时不需要重新启动电弧。
当钛和钛合金板很厚时，使用熔融氨弧焊（MG）可以减少焊接层数，提高焊接速度和生产率，降低成本，还可以减少焊缝气孔。然而，G焊接的使用是过细的颗粒，填充金属污染的可能性很大，因此保护要求比TIG焊接更严格。此外，MG焊接飞溅大，影响焊缝成形和保护效果。短路过渡通常用于薄板焊接，射流过渡用于厚板焊接。
MIG焊接是用较多的焊丝填充，这就要求焊接坡口角度较大，板厚15~25m，可以选择90°单面V形坡口。氩钨极电弧焊可用于熔化电极焊接，但由于MG焊接的焊接速度快、温度高，应加长拖罩并用水冷却。MG焊接时焊接材料的选择与T焊接相同，但对气体纯度和焊丝表面清洁度的要求更高，焊接前*彻底清洁焊丝。表9显示了TC4钛合金自动MG焊接的工艺参数
1、退火的目的是消除应力，稳定组织，提高机械性能。退火过程分为两类：完全退火和不完全退火。α和β钛合金（TB2除外）通常只退火。由于全退火的加热温度很高，为了避免焊件表面的空气污染，*在氩气或真空中进行。由于加热程度低，可以在空气中进行不完全退火，空气对焊缝和焊件表面的轻微污染可以通过酸洗方法去除。
退火后的冷却速率对a和B钛合金不敏感，但对a+B钛合金非常敏感。对于这种合金，*以规定的速度冷却到一定的温度，然后分阶段冷却或直接空冷，初始空冷的温度不应低于使用温度
2、淬火时效处理淬火时效处理的目的是提高焊接接头的强度。但由于高温加热氧化严重，淬火过程中发生的变形难以纠正，焊接部位较大时不易淬火，因此一般很少使用，只适用于结构简单、体积小的压力容器。
在应力消除处理之前，*彻底清洁焊件表面，然后在惰性气氛中进行热处理。几种钛及钛合金焊后热处理的工艺参数如表10所示。
