钛合金焊接过程防氧化保护技术进展

钛合金焊接过程防氧化保护技术进展

刘燕 ,邓小龙 ,张峻铭,刘佳男

东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳， 618000

摘要：钛合金作为一种重要的结构材料，在航空航天、化工等领域有着广泛的应用。然而，钛合金在高温环境下容易与氧气发生反应，导致氧化层的生成，从而降低了焊接接头的强度和耐腐蚀性能。因此，研究如何有效地防止钛合金焊接过程中的氧化现象，提高焊接接头的质量和可靠性，具有重要的理论和实际意义。

关键词：钛合金；焊接；防氧化保护技术；研究进展

一、钛合金焊接氧化问题

钛合金是一种重要的结构材料，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。然而，在焊接过程中，钛合金容易受到氧化的影响，导致焊缝质量下降。因此，钛合金焊接过程中的氧化问题一直是焊接工艺中的一个重要挑战。为了解决钛合金焊接过程中的氧化问题，研究人员和工程师们进行了大量的研究和实践，取得了一系列的进展。

（一）惰性气体保护

在钛合金焊接过程中，使用惰性气体（如氩气）进行保护是一种常用的方法。惰性气体可以有效地隔绝焊接区域与空气的接触，减少氧化反应的发生。同时，惰性气体还可以提供稳定的气氛，有利于焊接过程的稳定进行。

（二）水冷焊接

水冷焊接是一种通过在焊接过程中使用冷却水进行冷却的方法。通过降低焊接区域的温度，可以减少氧化反应的发生。此外，水冷焊接还可以提高焊接速度和焊接质量。

（三）真空焊接

真空焊接是一种在低气压或真空环境下进行的焊接方法。在真空环境中，氧气的含量非常低，可以有效地防止钛合金的氧化。真空焊接需要特殊的设备和工艺，但可以获得高质量的焊接接头。

（四）气体保护焊丝

气体保护焊丝是一种在焊接过程中释放保护气体的焊丝。这种焊丝可以在焊接过程中释放出惰性气体，形成保护气氛，减少氧化反应的发生。气体保护焊丝可以提高焊接质量和效率。

（五）表面处理

在钛合金焊接前，对焊接表面进行适当的处理也可以减少氧化问题。常用的表面处理方法包括机械抛光、酸洗和喷砂等。这些方法可以去除表面的氧化层和污染物，提高焊接接头的质量。

因此，钛合金焊接过程中的氧化问题是一个需要重视的挑战。通过使用惰性气体保护、水冷焊接、真空焊接、气体保护焊丝和表面处理等技术，可以有效地减少氧化反应的发生，提高焊接接头的质量和可靠性。然而，不同的焊接条件和材料要求可能需要采用不同的防护技术，因此在实际应用中需要根据具体情况进行选择和优化。

二、钛合金焊接局部保护方式

（一）长直焊缝

长直焊缝是一种常见的焊接方式，适用于钛合金的焊接。在长直焊缝的焊接过程中，为了保护焊缝区域免受氧化的影响，需要采取一些防氧化保护技术。

焊接前，需要对焊缝区域进行清洁处理，以去除表面的氧化物和污染物。这可以通过机械清洗、溶剂清洗或酸洗等方法来实现。清洁后，焊缝区域的表面应保持干燥，以防止再次氧化。焊接过程中，需要采取惰性气体保护。常用的惰性气体有氩气和氮气。惰性气体可以在焊接过程中形成一个保护气氛，防止氧气与钛合金发生反应。这可以通过在焊接区域周围喷射惰性气体来实现，以形成一个气氛稳定的环境。此外，还可以使用焊接保护剂来增强焊缝的保护效果。焊接保护剂可以在焊接过程中覆盖在焊缝区域，形成一个保护层，防止氧气的进入。常用的焊接保护剂有钛粉、钛丝和钛合金粉末等。这些保护剂可以在焊接过程中熔化，并与钛合金表面发生反应，形成一层保护层。在焊接完成后，还需要对焊缝区域进行后处理。这包括去除焊接保护剂和清洗焊缝区域。去除焊接保护剂可以使用机械方法或溶剂清洗来完成。清洗后，焊缝区域应保持干燥，以防止再次氧化。

图1 长直焊缝焊接保护装置示意

（二）环型焊缝

环型焊缝是另一种常见的钛合金焊接方式。与长直焊缝相比，环型焊缝的焊接过程中需要更加注意防氧化保护。在环型焊缝的焊接过程中，焊接区域的氧化风险更高，因为焊缝的形状使得氧气更容易进入焊接区域。因此，防氧化保护措施尤为重要。

与长直焊缝类似，焊接前需要对焊缝区域进行清洁处理，以去除表面的氧化物和污染物。清洁后，焊缝区域的表面应保持干燥。在焊接过程中，同样需要采取惰性气体保护。惰性气体可以在焊接过程中形成一个保护气氛，防止氧气与钛合金发生反应。在环型焊缝的情况下，惰性气体的喷射方式可能需要进行调整，以确保焊接区域得到充分的保护。焊接保护剂的使用也是环型焊缝焊接中的一种常见方法。焊接保护剂可以在焊接过程中覆盖在焊缝区域，形成一个保护层，防止氧气的进入。选择合适的焊接保护剂，并确保其覆盖整个焊缝区域，是保证焊接质量的关键。焊接完成后，同样需要对焊缝区域进行后处理。去除焊接保护剂和清洗焊缝区域是必要的步骤，以确保焊缝区域的干燥和无氧化。

图2 环缝焊接同步式背面拖罩保护示意

（三）不规则焊缝

钛合金焊接是一种常见的焊接工艺，但由于钛合金的高反应性和易氧化性，焊接过程中容易受到氧化的影响，导致焊缝质量下降。为了解决这个问题，人们提出了多种局部保护方式，以减少氧化反应，提高焊接质量。

一种常见的局部保护方式是使用惰性气体进行保护。惰性气体，如氩气、氦气等，具有较低的反应性，可以在焊接过程中形成一个保护气氛，防止钛合金与空气中的氧发生反应。这种方式可以通过在焊接区域周围喷射惰性气体，或者在焊接枪上设置保护罩来实现。惰性气体保护可以有效地减少氧化反应，提高焊缝质量。

另一种局部保护方式是使用化学保护剂。化学保护剂可以在焊接过程中与钛合金表面形成一层保护膜，防止氧气进入焊接区域。常用的化学保护剂包括钛氟化物、钛硅化物等。这些保护剂可以通过喷涂或涂覆在焊接区域，形成一层保护膜，有效地减少氧化反应。

此外，还可以采用局部真空保护的方式。局部真空保护是通过在焊接区域周围建立一个局部真空环境，防止氧气进入焊接区域。这种方式需要使用真空设备，对焊接区域进行局部抽真空处理。局部真空保护可以有效地减少氧化反应，提高焊缝质量。

（四）增材制造中的气体保护

增材制造是一种先进的制造技术，通过逐层堆积材料来制造复杂的零件和构件。在增材制造过程中，气体保护是非常重要的，可以影响到制造质量和性能。

首先，气体保护可以防止材料在制造过程中受到氧化的影响。在增材制造过程中，材料与空气中的氧气接触，容易发生氧化反应，导致材料质量下降。通过使用惰性气体进行保护，可以在制造过程中形成一个惰性气氛，防止氧气进入制造区域，减少氧化反应的发生，提高制造质量。其次，气体保护还可以控制制造过程中的温度。在增材制造过程中，材料的熔化和凝固需要控制在适当的温度范围内，以保证制造质量。通过使用惰性气体进行保护，可以在制造过程中形成一个稳定的温度环境，帮助控制材料的熔化和凝固过程，提高制造质量。

此外，气体保护还可以减少制造过程中的污染。在增材制造过程中，材料与空气中的杂质接触，容易导致杂质的吸附和污染，影响制造质量。通过使用惰性气体进行保护，可以在制造过程中形成一个清洁的环境，减少杂质的吸附和污染，提高制造质量。

因此，增材制造中的气体保护是非常重要的。通过使用惰性气体进行保护，可以防止材料氧化、控制温度和减少污染，提高制造质量和性能。在实际应用中，可以根据具体的制造材料和工艺要求，选择合适的气体保护方式，以达到最佳的制造效果。

图3 不同拖罩保护条件示意

图4 Ti6Al4V 增材试样的表面外观

结语

综上所述，通过对各种防氧化保护技术的比较和分析，可知钛合金焊接过程防氧化保护技术的研究是一个具有挑战性和前景广阔的领域，每种技术都有其独特的优势和适用范围。然而，目前仍存在一些问题和挑战，如技术成本高、操作复杂等。因此，在未来的研究中，可以进一步探索新的防氧化保护技术，如气体混合保护、表面改性等，以提高焊接接头的质量和可靠性。此外，还可以研究钛合金焊接过程中氧化层的形成机理，深入理解氧化现象的本质，为防氧化保护技术的改进提供理论依据，提高防氧化保护技术的效果和可行性。通过不断地探索和创新，相信在不久的将来，我们能够开发出更加高效、可靠的防氧化保护技术，为钛合金焊接工艺的发展做出更大的贡献。

参考文献

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