钛及钛合金焊接技术应用分析

摘要：随着我国社会经济的快速发展，以及现代科技的全面进步，钛及钛合金材料在各个领域中的应用越来越广泛。在规模化、精细化生产加工场景下，钛及钛合金材料的焊接技术十分关键。文章阐述了钛及钛合金材料的分类及特点，分析了该材料的焊接性问题。结合实践，针对钛及钛合金焊接技术的具体应用要点进行了探讨，希望能为相关技术研究应用提供参考。

关键词：钛；钛合金；焊接技术 前言：

近年来，我国社会经济快速发展、社会生产力全面进步，现代科技在各个领域中得到了大量的应用。钛及钛合金材料作为一种在航天航空、医疗等领域逐步得到广泛应用的材料，其加工工艺与其他材料工艺存在一定的差别。在如今钛及钛合金应用范围越来越广、加工技术要求越来越高的情况下，有必要针对钛及钛合金的焊接加工技术进行深入的探究。

一、钛及钛合金材料的主要分类及特点

钛（Ti）是一种金属化学元素，具有耐腐蚀、强度高、重量轻等特点，在现代工业生产领域中是十分重要的金属材料。在如今的应用领域中，钛主要有两大类，即α钛和β钛，区分两种类别的关键在于882℃上下，材料晶体结构存在明显差异。从钛合金材料的角度来讲，其主要可以分为三个大类，即α钛合金、β钛合金以及αβ钛合金材料，目前在我国工业领域中用得比较多的类别为α钛合金材料。在针对钛及钛合金材料的生产加工中，比较常用的是焊接工艺。和其他金属材料类似，焊接加工时需要综合对材料特性的研究，对焊接温度、方法进行优化，在不影响钛及钛合金材料物理特性及化学稳定性的基础上，保证焊接质量。

二、钛及钛合金材料焊接技术问题分析

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（一）焊接塑性及韧性问题

和所有金属材料类似，钛及钛合金材料具有很好的塑性，而焊接技术本身就是对金属材料塑性特性的发挥。如果焊接施工时材料混入气体或其他杂质，很容易导致其金属塑性受到影响。钛元素的金属活动性位于铝元素和锌元素之间，焊接时连接点的温度大幅度升高，相对较高的金属活动性让材料开始吸收各种气体。比如，在温度达到250℃左右时，材料将混入氢气，当温度达到400℃及600℃时，材料将吸收混入氧气好和氮气。这些气体的进入，虽然不会和钛元素发生复杂的化学反应，但是气孔的存在将直接影响材料的塑性和韧性，产生裂缝及断裂风险。

（二）裂纹问题

在任何金属材料的焊接加工中，裂纹是比较常见的病害，裂纹的产生将直接影响焊接处的金属强度、韧性，同时还会影响材料防腐性能和耐用性。通常情况下，钛及钛合金材料焊接加工时产生热裂纹的概率较小，多数裂纹一般属于冷裂纹。这是因为多数情况下钛及钛合金材料中含有的杂质包括N、C、O等，一般不存在P、S等容易受热变化的元素，所以其在焊接中出现热裂纹的概率较低。导致钛及钛合金材料焊接时出现冷裂纹的主要原因除了操作不规范以外，主要是因为焊接过程中材料存在温差，此时氢元素从高温处向低温处扩散，在焊接完成后材料冷却时，导致纵向裂纹出现。

（三）耐腐蚀性能问题

众所周知，钛及钛合金材料之所以能够在航空航天、医疗等领域中得到重用，其关键原因在于该材料具有极强的稳定性和耐腐蚀能力，这可以支持其在各种复杂环境下保持稳定。但是，在针对钛及钛合金材料进行焊接加工时，如果采用传统的焊接技术，或是加工时的操作不合理，都会导致焊接处耐腐蚀性能降低。究其原因，主要是因为在焊接中，材料中的Fe元素分布状态变化，导致出现电偶腐蚀问题。除此之外，由于钛及钛合金材料本身的弹性模量较低，在焊接时较容易因为温度变化或其他外力冲击而导致材料变形，无法达到焊接质量要求。

三、钛及钛合金材料焊接技术应用要点

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现代社会经济快速发展，很多高新技术领域对钛及钛合金材料的应用要求越来越高，而焊接是针对钛及钛合金材料进行加工中最为简便有效的工艺。通过前文的论述，可以发现钛及钛合金材料焊接时可能出现塑性、韧性、耐腐蚀性能的变化，以及裂纹问题，而这些问题与钛及钛合金材料的主要应用领域具体要求是相悖的。因此，关于钛及钛合金材料的焊接技术研究十分重要。目前，关于这一问题的研究和实践，主要体现在以下几方面：

（一）等离子弧焊技术

等离子弧焊技术主要是利用等离子弧高能量密度束流作为热源进行焊接的工艺，主要适用于焊接接触断面在1.5cm以下的钛及钛合金材料焊接加工。该工艺主要是通过电弧加热气体，使气体产生离解，再以极高的速度通过冷水喷嘴，离解及能量密度被进一步增大，最终形成离子弧，作用于金属材料上。此时由于钛及钛合金材料具有热敏感性强、易氧化的特点，而等离子弧焊技术电弧稳定、焊接作用速度快的特点与之高度契合。尤其是在目前钛及钛合金材料的主要应用领域中，涉及到的焊接精加工要求较高，而这种典型的精加工焊接工艺具有很强的适用性。

（二）激光焊接技术

该焊接技术主要是利用高能量密度的激光束段时间内在钛及钛合金材料上形成熔池，达成焊接目标。激光焊是一种典型的热传导型焊接工艺，在微型金属件的精加工中有大量应用。在实际焊接加工中，根据钛及钛合金材料厚度及焊接要求的不同，操作设备对脉冲激光能量、峰值、宽度等进行调整，进而实现精细化加工。激光焊接技术具有效率高、精准性高、操作便捷等特点，但该技术设备成本通常较高，对设备的维护管理要求也比较高。

（三）钨极氩弧焊接技术

该技术在目前的钛及钛合金材料焊接中比较常用，主要是通过直接弧焊机进行操作，配合纯度达到99.99%的一级氩气进行加工。该焊接技术具有技术机制成熟、成本低的特点，适用于厚度＜10mm的钛及钛合金器件焊接加工。需要注意的是，在采用钨极氩弧焊接技术时，由于焊接中金属表面会与氧元素发生反应，产

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生一层氧化膜，进而影响焊接质量。因此在焊接加工之前，需要先进行试焊，根据材料色泽变化，对焊接氩气气流进行调整。在焊接之后如果观察钛及钛合金材料焊接处为银白色，说明对氩气的控制到位。如果颜色为金黄色，则说明氧化较为严重，氩气保护不足，需要重新测试评估。

（四）电子束焊接技术

该焊接技术主要是高能量高速电子束轰击钛及钛合金材料表面，以巨大的动能转化为热能，在金属材料表面形成熔池，再迅速冷却达到熔接目的。在现代很多金属材料加工中，该焊接技术的应用率越来越高，主要是因为该技术使用时不需要用到焊条，同时对氧化控制较好。另外，较好的工艺重复性，让电子束焊接技术在钛及钛合金材料的现代加工中逐步得到应用。但需要注意的是，通常电子束焊接技术需要在真空环境下进行操作，所以通常适用于精细化加工领域。

结束语：

综上所述，如今社会经济快速发展、现代工业全面进步的背景下，钛及钛合金材料的应用规模越来越大。作为一种在现代社会关键领域中十分关键的材料，钛及钛合金材料本身的物理化学特性意味着需要采取科学的加工工艺对其进行加工。针对钛及钛合金材料加工中比较关键的焊接技术，需要充分考虑材料厚度、纯度以及加工环境、加工要求，合理选用先进且合适的焊接技术，充分保证焊接质量，进一步发挥钛及钛合金材料的应用优势。

参考文献：

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[2] 李海亮,贾德昌,杨治华,等. 选区激光熔化3D打印钛合金及其复合材料研究进展[J]. 材料科学与工艺,2019,27(2):1-15.

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[4] 毛艳蕾,赵国庆,陈泽龙. 浅谈钛合金焊接结构在先进飞机中的应用及发展[J]. 科学与信息化,2021(2):118.

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