前言
钛及钛合金以其密度低、比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良综合性能以及形状记忆、形状记忆等独特功能而广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、生物医学等领域。生物相容性。场地。由于钛合金多用于重要、复杂的结构件，而焊接技术在减轻结构质量、获得稳定的结构、高效率、降低材料消耗等方面具有独特的优势，因此有必要大力发展钛合金焊接技术。
钛及钛合金的分类及焊接性能
钛是同素异形体。在882℃以下具有HCP结构，称为α钛。在882℃以上具有BBC结构，称为β钛。工业纯钛主要含有氧、铁、碳、硅等杂质元素。这些杂质元素大多起到固溶强化的作用。工业纯钛具有中等强度、良好的塑韧性和优异的耐腐蚀性。
钛合金是在钛的基础上添加其他元素而形成的，主要分为α型、近α型、α+β型、近β型和β型钛合金。 α型钛合金中添加α稳定元素Al，具有韧性好、抗氧化能力强、焊接性优良的特点；本发明添加少量β稳定元素的近α型钛合金具有良好的抗蠕变性和耐热性。 ;近β型钛合金中的β稳定元素略高于临界浓度，具有较高的强度和良好的塑韧性； β型钛合金含有大量Mo、V等β稳定元素，具有良好的加工性能，但高温性能和焊接性较差； α+β型钛合金综合了α型和β型钛合金的优点，是目前应用最广泛的钛合金。
钛及钛合金的特点如下：
(1)钛的熔点高(纯钛的熔点为1720℃)，导热性差。焊接过程中容易过热，导致组织粗化。焊接时需要控制热输入量，以防止晶粒粗化。
(2)接头容易脆断。钛在高温下活性很高，容易受到空气、油、水分等的污染，会降低接头的塑性和韧性，导致接头变脆。因此，在焊接过程中必须有效保护熔池和较高温度的零件。
(3)冷裂倾向高。当接头中氢、氧、氮等元素含量较高时，接头在焊接过程中产生的内应力作用下会变脆，容易产生裂纹。
(4)孔隙率大。钛在高温下吸收氢、氧、氮，并与这些元素发生反应，容易产生气孔。
(5)焊接变形大。钛的弹性模量较小，焊接残余变形较大，因此焊接时应压紧工件。
钛及钛合金焊接研究现状
2.1 工业纯钛
工业纯钛具有中等强度、优良的塑性、优良的耐腐蚀性能。其焊接研究主要集中在TIG焊和激光焊。
SM Carvalho、刘志霞等人研究了纯钛的激光焊接。 SMCarvalho 使用两个参数焊接壁厚为 0.5 mm 的 TA2 管：激光功率 200 W、焊接速度 2 m/min 和激光功率 250 W、焊接速度 3 m/min。焊缝两侧的柱状晶向中心生长，焊缝中心为带孪晶的等轴晶，晶粒内部为交错的针状马氏体；热影响区晶粒沿热流方向略有拉长；焊缝的硬度高于母材，接头的抗拉强度也高于母材。激光功率为200 W、焊接速度为2 m/min的接头疲劳强度值最高，与母材接近。刘志霞对3毫米厚的TA2板进行激光焊接。激光功率为3kW，焊接速度为3m/min。焊缝组织为针状α'、沿晶界析出的α相和锯齿状α相。该接头对基材具有抵抗力。抗拉强度增加，塑性降低。
A.Karpagaraj、刘志宇、郭靖等人研究了纯钛的TIG焊。 A.Karpagaraj和刘志宇的研究均表明，热影响区和焊缝晶粒明显大于母材，焊缝组织为片状α晶和相对细小的针状α'生长。沿β晶界的不同方向。阶段;拉伸试验全部从母材断裂，接头强度超过母材强度，伸长率没有明显下降，拉伸性能良好；焊缝硬度值最高，其次是热影响区。这是因为细小片状α相越多，硬度值越高。刘志宇对5mm厚TA2板TIG焊接的研究得出，最佳工艺参数为焊接电流170A、焊接速度2mm/s。 A.Karpagaraj采用的保护方法是：一级保护是对常规焊枪进行通风，以保护熔池；第二级保护是在焊接后的焊枪后面安装一个拖罩，保护仍处于高温的焊道，同时背面通风。保护气体保护焊缝的背面。郭静对壁厚5毫米的TA2管材进行了双层TIG焊，并对接头进行了电极电位腐蚀实验和电偶电位腐蚀实验。结果表明，母材、热影响区、焊缝的点蚀电位都很高，表明接头的耐腐蚀性能很好，其中热影响区的耐腐蚀性能最好，然后是基材。
综合上述研究结果可以看出，工业纯钛焊后焊缝组织为锯齿状α和针状α'相，接头强度基本达到或超过母材强度，但塑性较差可能会减少。
2.2α型钛合金
国内α型钛合金的焊接主要采用等离子弧焊和钨极电弧焊，国外此类文献较少。
廖志谦采用等离子弧焊（焊接电流255A，焊接速度140毫米/分钟）实现了12毫米厚无坡口TA5板材的单面焊接和双面成型。焊缝组织为残余β相和针状马氏体α′，β晶界明显。接头的抗拉强度与母材相当，断裂位置为母材；焊缝和热影响区的硬度比母材高，但塑性降低，冲击韧性也降低。
罗伟忠和韦晓棠都研究过TA7钛合金TIG焊。焊缝组织为针状α'相。增加的热输入将形成粗大的魏氏组织并降低接头的塑性。
α型钛合金焊缝组织为α相，但不同牌号合金和不同焊接方法获得的α形状不同，所得接头的塑韧性普遍下降。
2.3 近α型钛合金
国内外已开展近α型钛合金的研究，主要集中在激光焊和电子束焊。
BKDamkroger 等人。发现近α型钛合金的电子束焊接组织主要为针状、板条状或簇状α。 TEM结果发现，焊缝区的原生β晶粒内，平行排列的初生板条状α相将晶粒分成许多小区域；在这些区域中，次生α'相以不同的尺寸交错排列。
刘长奎对比TA15合金的TIG焊缝和电子束焊缝发现，TIG焊缝为粗大柱状晶，晶体内有较多粗大的针状α'随机排列，呈魏氏组织；而电子束焊缝则更加均匀。晶粒内部形成等轴晶、大量细小的针状α'和少量片状α'，其魏氏组织特征不如TIG焊缝明显。这是因为TIG焊的热输入大，针状α'能够充分长大。 TIG和电子束焊接头的抗拉强度与母材基本相同，但塑性明显降低（TIG严重降低）。
黄松使用2kW的激光功率、1.2m/min的焊接速度焊接了2.5mm厚的TA15钛合金。发现焊缝为粗大柱状晶，晶粒内有大量马氏体针状组织；熔合线附近的热影响区为粗大等轴晶，晶内存在α'针状马氏体，晶界上还存在初生α相。只有远离焊缝的部分晶粒发生马氏体转变，而远离熔合线则不发生马氏体转变，这与A. Chamanfar的研究一致。
近α型钛合金焊缝组织通常为针状马氏体α'钛合金结构和钢结构，形成羽状魏氏组织或篮状组织，热影响区通常出现晶粒尺寸突变。
2.4α+β钛合金
α+β双相合金是目前应用最广泛的钛合金，其中TC4合金研究最多，主要集中在激光焊、电子束焊和TIG焊等方面。
尼古拉·卡沙耶夫等人。研究了 2.5 mm 厚 TC4 板的激光填丝焊接。激光功率为2.6~3 kW，焊接速度为1.8~3.12 m/min，送丝速度分别为1 m/min和1.5 m/min。所有全熔透焊缝均呈沙漏形，这与Lisiecki等人的研究结果一致。焊缝组织为针状马氏体α'，焊缝上部晶界存在第二相αm。这是由于焊缝上部的热输入较大且冷却速度相对较慢。由于针状马氏体的存在，焊缝及邻近焊缝的热影响区的硬度值明显高于母材；接头的抗拉强度与母材相当，但塑性降低。
J.Ahn 等人。研究了焊接参数对TC4激光焊接焊缝组织的影响。研究发现，低热输入时可以获得较细小的焊缝晶粒和较细小的针状马氏体α'，而高热输入时晶粒易粗化，晶界上会出现二次α相。
TSBalasubramanian 等人。比较了TC4激光焊、电子束焊和TIG焊接头的性能，发现电子束焊接头强度最高。推测其原因是电子束焊接接头组织中锯齿状α相和规则片状α相为接头强度提供了保证。
B.Mehdi 等人。研究了TC4合金的脉冲TIG焊。研究发现，提高脉冲频率有利于细化初生β晶粒，并在组织中保留更多的残余β相，从而降低接头硬度。
程东海给出了0.8 mm厚TC4钛合金激光焊接的工艺参数窗口为激光功率1～1.3 kW、焊接速度1.5～3 m/min。所得焊缝的力学性能良好，拉伸试样全部从母材上断裂。焊缝组织为针状马氏体α'与粗大柱状晶交织而成的篮状组织；热影响区既含有原生α相、β相，也含有部分针状α'相，且越靠近焊缝，晶粒越粗，α'相越多。该研究结果与徐洁洁、张其亮的研究结果一致。
吴伟研究了TC4钛合金TIG焊接接头的宏观金相，主要分为焊缝区、粗晶区、过渡区和母材。焊缝及粗晶区晶粒严重粗化，从过渡区到粗晶区晶粒尺寸突然增大。
尹立祥发现TC4钛合金的电子束焊缝组织是由针状马氏体α'交错组成的篮状组织钛合金结构和钢结构，并且由于快冷过程中没有来得及相变，焊缝区域针状马氏体晶界仍存在极少量的残余β；热影响区组织为针状α'与原始α的均匀混合，且比焊缝a组织小。该接头具有良好的室温和高温性能。
TC4双相合金焊缝通常呈篮状组织，热影响区晶粒尺寸变化明显，分为粗晶区和过渡区； TC4合金焊接接头的抗拉强度和延伸率较高，综合力学性能良好。
2.5 近β型和β型钛合金
对近β型钛合金和β型钛合金焊接的研究较少，多集中于电子束焊接。
高鹰采用TB2电子束焊接钛合金，并进行焊前固溶处理和焊后时效处理。焊缝中心为蜂窝状枝晶，β柱状晶向焊缝中心生长，时效后α相弥散析出。焊缝硬度最高，其次是热影响区。接头强度与母材相当，但塑性降低。卓忠宇对TB2钛合金进行TIG焊接，也发现接头塑性较母材明显下降。
张铸对TB10钛合金进行了电子束焊接、焊前及焊后热处理。热处理后，焊缝和母材的组织主要为β柱状晶、粗大的初生针状α相和短针状α'相，且焊缝中的α'较粗。提高固溶温度可以提高接头的冲击韧性，但仍低于母材的冲击韧性。
近β和β型钛合金虽然具有较高的强度和韧性，但由于其焊接性较差，焊接接头的性能远低于母材。目前大多数研究的重点是通过焊前和焊后热处理来提高焊接接头的性能。
本文来自《焊机》杂志2017年第4期
