钛合金钛锻件TC4钛棒TIG焊接工艺-钨极惰性气体保护焊
钨极惰性气体保护焊是钛及钛合金焊接最常用的方法，常用于焊接厚度小于3mm的钛及钛合金。钨极惰性气体保护焊可分为开焊和包壳焊两种，又分为手工焊和自动焊。开焊是在大气环境下进行的普通钨极惰性气体保护焊，它利用焊接喷嘴、拖曳罩和背部保护装置，通入适当流速的氩气或氢氮混合气，使焊接高温区与空气隔开，防止空气侵入和污染焊接区金属，这是一种局部气体保护焊接方法。当焊件结构复杂，难以实现拖曳罩或背部保护时，应采用包壳焊，焊前应将包壳抽真空，然后充入氨气或氮气混合气，在包壳内的惰性气氛中对焊件进行焊接，这是一种整体气体保护焊接方法。
1.焊接前准备
钛合金钛锻件TC4钛棒焊接接头的质量很大程度上取决于焊件及焊丝的焊前清理。如果清理不彻底，焊件及焊丝表面就会形成空气吸收层，焊缝中就会产生裂纹和气孔。因此，焊前应认真清理坡口及其周围区域。清理通常采用机械清理和化学清理。
1.机械清洗
钛合金钛锻造TC4钛棒是通过剪切、冲压、切割等工艺加工而成的，工件焊接前需进行机械清理。对焊接质量要求不高或酸洗困难的焊件，可用细砂纸或不锈钢丝刷擦拭，也可用硬质合金刮刀刮除待焊边缘表面氧化膜，刮除深度为0.25mm。对气焊切割的工件，机械切割层厚度应不小于1~2mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶剂清除坡口两侧焊丝表面的指纹、有机物和油污。除油时要用厚棉布、刷子或人造纤维刷刷洗。
对于焊前热处理过或未进行保护气体热处理的工件，需要先用喷丸或喷砂等方法清理表面，然后再进行化学清洗。
2.化学清洗
应先进行碱洗。碱洗时将钛板浸泡在含有80%烧碱和20%碳酸氢钠的浓碱性水溶液中10-15分钟，溶液温度应保持在40-50℃。碱洗后取出漂洗，然后进行酸洗。酸洗液配方为：每升溶液含55-60mL硝酸、340-350mL盐酸、5mL氢氟酸。酸洗时间为10-15min(常温浸泡)。取出后分别用热水、冷水冲洗，用白布擦干，晾干。酸洗过的焊件、焊丝应在4小时内焊接，否则应重新酸洗。焊丝可放入150-200℃烘箱内保存，随时可使用。 取焊丝时应戴干净的白手套，避免焊丝受到污染。焊件上应盖上塑料布防止污染，被污染的可用丙酮或酒精擦拭。
2. 坡口准备与装配
为了减少焊缝的积气量和气体量，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。搭接接头背面保护困难，受力情况较差，尽量不采用，对接接头一般不采用永久垫板。母材厚度小于25mm的工字型坡口对接接头，可不加填充焊丝进行焊接。用机械方法加工的坡口，由于接头内可能残留空气，对接头装配要求较高。加工钛板坡口时，最好采用切削、铣削等冷加工工艺，以减少热加工时坡口边缘硬度升高的现象，降低机械加工的难度。
由于钛合金钛锻造TC4钛棒的一些特殊的物理性质，如熔融状态下表面张力系数大、粘度小等，焊接前必须认真装配焊件。点焊点间距为100-150mm，长度为10-15mm。点焊所用焊丝、焊接工艺参数、保护气与正式焊接相同。在每个点焊点停弧时，应长时间关闭气体。装配时严禁用铁制工具敲击、划伤被焊工件表面。
3.焊接材料的选择
1、氨气适用于钛及钛合金的焊接，所用气体为纯度9.9%的一级氢气，在温度低于-40℃且杂质总含量有限制的情况下，才可使用，以保证焊接接头的质量。
2、焊丝的成分一般应与母材相同，常用的牌号有TA1钛棒、TA2钛棒、TA3钛棒、TA4钛棒、TA5钛棒、TA6钛棒、TC3钛棒等。为提高焊缝金属的塑性，可采用强度稍低于母材的焊丝。例如焊接TA7钛棒、TC4钛棒等钛合金时，为提高焊缝的塑性，可采用纯钛焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量应低于母材，只占一半左右，如0≤0.12%、N≤0.03%、H≤0.006%、C≤0.04%。
焊丝以真空退火状态供货，表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂物等缺陷。焊前必须对焊丝进行彻底清理，否则焊丝表面的油污可能成为焊缝金属的污染源。当使用无标准牌号的焊丝时，可从母材上切取窄条作为焊丝，窄条的宽度和厚度相同。
4.气体保护措施
由于钛合金钛锻造TC4钛棒对空气中的氧、氮、氢等气体有很强的亲和力，所以在焊接区域必须采取良好的保护措施，保证焊接熔池正反面及温度超过350℃的热影响区与空气隔绝。钛及钛合金钨极弧焊的保护措施及适用范围。
焊缝的保护效果与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件距离、接头形式等因素以及焊枪、喷嘴的结构、尺寸有关。钛的导热系数低，焊接熔池尺寸较大，应相应增大喷嘴孔径，以扩大保护面积。
这种结构能获得有一定刚度的气流层，保护区直径约为30m。如果喷嘴结构不合理，就会产生乱流和低刚度乱流，这两种情况都会导致空气混入焊接区。为了改善焊缝金属组织，提高焊缝及热影响区的性能，可以采取增加焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或焊缝反面设置风冷或水冷铜块。已经离开喷嘴保护区但仍在350℃以上的焊接热影响区表面仍然需要保护。
通氩气流的拖罩。拖罩长度为100~180mm，宽度为30~40mm。具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等情况确定，但温度在350℃以上的焊缝及热影响区金属必须得到充分保护。拖罩壳体四角应圆滑过渡，尽量减少死角，拖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，必须在拖罩下端安装冷却水管，防止拖罩过热，甚至烧毁铜线和壳体。钛及钛合金薄板手工TG焊的拖罩通常与焊枪连为一体，随焊枪移动。管道对接时，为加强对前后焊缝及管道热影响区的保护钢结构焊接垫板，一般根据管道外径设计制造专用的环形拖罩。
钛合金钛锻造TC4钛棒焊接背面也需保护，通常采用在局部封闭气腔或整个焊件内充氩气、在焊缝背面加充氩气的垫板等措施。对于平板对接焊，可采用背面有通气孔的铜垫板。
氩气由焊缝背面铜垫的排气孔(孔径为m，孔间距为15～20m)流出，暂时储存在垫片的小凹槽内，以保护焊缝背面不受有害气体的侵蚀。为加强冷却，垫片应采用铜质材料，其凹槽的深度和宽度应适当，否则不利于氩气的流通和储存。对厚度小于4m的钛板，焊接垫片的成型坡口尺寸。如果焊缝背面不设垫片，可加设手动移动式氩气拖曳罩。批量生产钛管时，对接焊可在氩气保护罩内焊接，管子转动，焊枪不动。
氩气流量的选择是以达到良好的焊缝表面颜色为前提的。流量过大不易形成稳定的气流层，而且增加了焊缝的冷却速度，容易使焊缝表面产生钛马氏体。当罩内氩气流量不足时，焊缝表面会出现不同的氧化颜色；流量过大会干扰主喷嘴的气流。焊缝背面氩气流量过大，还会影响焊缝正面第一层的气体保护效果。
焊缝及热影响区的表面颜色是保护效果的标志。钛材料在电弧作用后，表面生成一层很薄的氧化膜，在不同温度下生成的氧化膜颜色不同，一般焊后表面以银白色为佳，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。在多层多道次焊接时，不能单以盖面层焊缝的颜色来评价焊接接头的保护效果。因为如果打底焊缝已被杂质污染，而焊接盖面层时保护效果良好，由于底层的污染，接头的塑性仍然会明显降低。
5、焊接工艺参数的选择
钛合金钛锻造TC4钛棒焊接有晶粒长大的趋势，特别是β钛合金，而晶粒长大又很难通过热处理来调整。因此，钛及钛合金焊接工艺参数的选择，既要防止焊缝在电弧作用下出现晶粒粗化的趋势，又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。焊接应采用较小的焊接线能量，使温度刚好高于形成焊缝所需的最低温度。如果线能量过大钢结构焊接垫板，焊缝容易受到污染，形成缺陷。
钨极惰性气体保护焊一般采用恒流特性的直流弧焊电源，采用直流正接法，可获得较大的熔深和较窄的焊缝宽度。多层焊时，第一层一般不加焊丝，从第二层开始加焊丝。加热后的焊丝应处于气体保护下。多层焊时，应尽量保持层间温度较低，应在前一层冷却到室温后再焊下一道焊缝，防止过热。
脉冲氩弧焊用于厚度0.1~2.0m的纯钛及钛合金板、对焊接热循环敏感的钛合金及薄壁钛管的全位置焊接。此方法能成功地控制钛焊缝的形成，减少焊接接头的过热和粗晶趋势，提高焊接接头的塑性。而且在单面焊的两侧都易于形成焊缝，从而获得质量高、变形小的焊接接头。表8为厚度0.8~2.0m的钛板脉冲自动TIG焊工艺参数。其中，脉冲电流对焊缝的熔深起主要作用，基值电流的作用是保持电弧稳定燃烧，以便下次脉冲作用时不必重新引弧。
当钛及钛合金板材很厚时，采用熔化氨弧焊（MG）可以减少焊接层数，提高焊接速度和生产率，降低成本，减少焊缝气孔。但G焊采用细颗粒，填充金属污染可能性大，因此防护要求比TIG焊严格。另外MG焊飞溅大，影响焊缝成形和保护效果。薄板焊接通常采用短路过渡，厚板焊接采用喷射过渡。
MIG焊填充丝较多，要求焊接坡口角度较大，对于15~25m厚度的板材可选用90°单面V型坡口。钨极惰性气体保护焊的拖曳罩可用于自耗电极焊接，但由于MG焊焊接速度快，高温区长，应加长拖曳罩，并用流水冷却。MG焊焊接材料的选择与T焊相同，但对气体纯度和焊丝表面清洁度的要求更高，焊前必须对焊丝进行彻底清理。
1、退火退火的目的是消除应力、稳定组织、提高力学性能。退火工艺分为完全退火和不完全退火两大类。α、β钛合金（TB2除外）一般只进行退火。由于完全退火加热温度高，为避免焊缝表面受空气污染，必须在氩气或真空中进行。不完全退火因加热程度低，可在空气中进行。焊缝及焊缝表面受空气的轻微污染，可用酸洗法除去。
退火后的冷却速度对a、B类钛合金不敏感，但对a+B类钛合金却很敏感。对此类合金必须以规定的速度冷却到一定温度后，分阶段冷却或直接空冷，且空冷开始温度不得低于使用温度。
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，但由于高温加热引起严重的氧化，淬火时变形难以矫正，焊件较大时不易淬火，因此很少采用，只适用于结构简单、体积较小的压力容器。
