钛具有高比强度、耐高温、高韧性、低密度、导热性能好、较宽的工作温度范围和抗疲劳性好等优点，尤其是具有优异的抗腐蚀性能，能在大多数酸、碱、盐及海水中不腐蚀。因此，钛在国防、航空、航天、石油、化工等领域得到了广泛的应用，钛及钛合金已经成为航空航天工业的支柱之一。目前先进发动机的压气机盘、压气机叶片、风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，即实现压气机全钛化方案。在实践中针对TC4钛合金叶片（表1)，分析其焊接方法，总结出最佳工艺参数。

表1 TC4钛合金化学成分

1、焊接方法的分析比较

TC4钛合金具有较好的焊接性和塑性，由于钛是一种活泼金属，焊接后出现的突出问题是气体等杂质污染而引起焊接接头脆化、气孔和裂纹。

1.1 钨极氩弧焊

TC4钛合金化学性质非常活泼，极易与氢、氧等气体发生作用，因此焊接时要严格控制焊接材料纯度，氩气纯度不低于99.99%， 氧含量应小于0.002%, 氮含量应小于0.005%, 氢含盘应小于0.002% 。常用的钨极氩弧焊方法存在能量密度低、焊接熔深浅等不足，直接影响其效果。焊接前，先将焊剂粉末用无水乙醇稀释成糊状，并刷涂在装夹好的试件对接焊缝上表面，焊剂层的宽度约为10~15mm , 厚度约0.03mm。正、反面都要用氢气保护。焊接规范如表2所示。

表2 TC4钛合金手工钨极氩弧焊规范

1.2 等高子弧焊

等离子弧的能责密度介千电弧与电子束之间，用等离子弧焊接钛及钛合金，能获得优质的焊接接头。与氩弧焊比较具有热影响区小、焊件变形较小的优点。同时，由于钛比重小，液态钛表面张力较大，所以有利于进行“小孔效应”等离子弧焊，可焊接更厚一些的板材而不需要开坡口。既不必填充材料，又能一次焊好，减轻了基体金属的过热程度。有利于焊接区少受气体污染，从而更进一步提高了接头的机械性能。

以8mm厚TC4钛板为例，采用 等离子弧焊比采用钨极氩弧焊提高效率5~6倍。其焊接规范见表3。

表3  8mm厚TC4钛板等离子弧焊接规范

1.3 真空电子束焊

应用真空电子束焊焊接TC4钛合金能获得很高的接头质量。因为电子束能量密度大，温度极高，焊缝深宽比可达25:1, 焊件不开坡口，可单边快速焊接厚达50mm以上的钛及钛合金板，也能焊极薄的焊件。电子束接头的热影响区很窄，焊接变形盘很小，故可以焊接经机械加工及热处理后的精密零件。另外由于在真空室中(10-5mmHg ,1mmHg = 133.322Pa)焊接，气氛非常纯净，焊缝所含氧 、氮、氢 昼远较氩弧焊低 ，再加上焊接接头中晶粒长大倾向很小，故整个焊接接头性能优良。

1.4 激光焊

激光焊具有其他焊接方法不具备的优势，激光具有其他普通光所完全不具备的特性，即方向性好、亮度高、单色性好以及相干性好等特性。激光焊主要利用激光光束的高度平行性、单色性和极高的功率密度或能量密度等特点，焊接时采用 YAG 激光器，最大功率为4kW, 工作表面被迅速加热升温、熔化并发生剧烈的汽化，巨大的金属蒸汽反冲压力使 液体金属表面向下凹陷，形成凹坑，周图熔化的金属和内部金屑蒸汽等离子体形成焊接热源。激光焊焊接速度快，热影响区小。

钛合金焊接时，气孔是最容易出现的缺陷，占所有缺陷的一半以上。为防止气孔，试件表面涂碱金属－碱土金属的卤化物，结果气孔明显减少，而且焊缝宽度减半，熔深增加一倍以上，这是因为碱金属－碱土金属的卤化物导入电弧区能使焊缝变窄，熔深增加。焊接过程中，氢氩气从焊枪和焊接夹具两面同时加人，正反面保护气流进都在10~26L/min之间变化，一般提前 送气与延时闭气时间为20~35s。

为了提高接头激光焊后的性能，对接头部位进行了焊后热处理，热处理机制为480℃固溶强化＋空冷＋80 ℃时效10h热 处理后接头的强度有很大的提高，约为母材的95% , 有些试样的抗拉强度甚至与母材相当，但塑性略有下降。

2、结论

通过对TC4钛合金常用的焊接方法进行总结（如表4表示 ），得出最佳工艺参数 ，重点研究了YAG激光焊接，通过对比可以看出激光焊接效果最好。

表4  TC4钛合金焊接接头一些性能的比较

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