钛及钛合金的氩弧焊钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常用的方法，常用于焊接厚度3mm以下的钛及钛合金。钨极氩弧焊可以分为敞开式焊接和箱内焊接两种类型，它们又各自分为手工焊和自动焊。敞开式焊接是在大气环境中的普通钨极氩弧焊，是利用焊枪喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩气或氩氦混合气，把焊接高温区与空气隔开，以防止空气侵入而沾污焊接区的金属。这是一种局部气体保护的焊接方法。当焊件结构复杂，难以实现拖罩或背面保护时，则应该采用箱内焊接。箱体在焊接前要先抽真空，然后充氩气或氩氦混合气，焊件在箱体内处于惰性气氛下施焊，是一种整体气体保护的焊接方法。（1）焊前准备钛及钛合金焊接接头的质量在很大程度上取决于焊件和焊丝的焊前清理，当清理不彻底时，会在焊件和焊丝表面形成吸气层，并导致焊接接头形成裂纹和气孔。因此焊接前应对坡口及其附近区域进行认真的清理。清理通常采用机械清理和化学清理。1）机械清理采用剪切、冲压和切割下料的工件需要焊前对其接头边缘进行机械清理。对于焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可以用细砂布或不锈钢丝刷擦拭，或用硬质合金刮刀刮削待焊边缘去除表面氧化膜，刮深0.025mm即可。对于采用气焊切割下料的工件，机械加工切削层的厚度应不小于12mm。然后用丙酮或乙醇、四氯化碳或甲醇等溶剂去除坡口两侧的手印、有机物质及焊丝表面的油污等。在除油时需使用厚棉布、毛刷或人造纤维刷刷洗。对于焊前经过热加工或在无保护气体的情况下热处理的工件，需要进行喷丸或喷砂清理表面，然后进行化学清理。2）化学清理如果钛板热轧后已经酸洗，但由于存放较久又生成新的氧化膜时，可室温条件下将钛板浸泡在（2%4%）HF（30%40%）HNO 3H2O的溶液中1520min，然后用清水冲洗干静并烘干。对于热轧后未经酸洗的钛板，由于其氧化膜较厚，应先进行碱洗。碱洗时，将钛板浸泡在含烧碱80%；、碳酸氢钠20%的浓碱水溶液中1015min，溶液的温度保持在4050。碱洗后取出冲洗，再进行酸洗。酸洗液的配方为：每升溶液中，硝酸5560mL，盐酸340350mL，氢氟酸5mL。酸洗时间为1015min（室温下浸泡）。取出后分别用热水、冷水冲洗，并用白布擦拭、晾干。经酸洗的焊件、焊丝应在4h内焊完，否则要重新酸洗。焊丝可放在温度为150200的烘箱内保存，随取随用，取焊丝应戴洁净的白手套，以免污染焊丝。对焊件应采用塑料布掩盖防止沾污，对已沾污的可用丙酮或酒精擦洗。（2）坡口的制备与装配为减少焊缝的累积及气量，在选择坡口形式及尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属量，以防止接头塑性的下降。钛及钛合金的坡口形式及尺寸见表1。搭接接头由于其背面保护困难，接头受力条件差，尽可能不采用，一般也不采用永久性垫板对接。对于母材厚度小于2.5mm的形坡口对接接头，可以不添加填充焊丝进行焊接。对于厚度更大的母材，则需要开坡口并添加填充金属。一般应尽量采用平焊。采用机械方法加工的坡口，由于接头内可能留有空气，因而对接头装配要求高。在钛板的坡口加工时最好采用刨、铣等冷加工工艺，以减小热加工时出现的坡口边缘硬度增加的现象，减少机械加工时的难度。由于钛的一些特殊物理性能，如表面张力系数大、熔融态时黏度小，焊前须对焊件进行仔细的装配。点固焊的焊点间距为100150mm，长度为1015mm。点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等与正式焊接时相同，在每一点固焊点停弧时，应延时关闭氩气。装配时严禁使用铁器敲击、划伤待焊工件表面。（3）焊接材料的选择氩气适用于钛及钛合金焊接用的氩气为一级氩气，其纯度为99.99%，露点在-40以下，杂质总含量0.02%，相对湿度5%，水分0.001mg/L。焊接过程中如果氩气的压力降至1MPa时应停止使用，以保证焊接接头的质量。焊丝填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同。常用的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6及TC3等。为提高焊缝金属的塑性，可选用强度比母材金属稍低的焊丝。如焊接TA7及TC4等钛合金时，为提高焊缝塑性，可选用纯钛焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量应比母材金属低，仅为一半左右，例如O0.12%、N0.03%、H0.006%、C0.04%。焊丝以真空退火状态供货，表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂等缺陷存在。焊丝在焊前须进行彻底清理，否则焊丝表面的油污等可能成为焊缝金属的污染源。采用无标准牌号的焊丝时，可从基体金属上裁切出狭条作焊丝，狭条宽度和厚度相同。（4）气体保护措施由于钛及钛合金对空气中的氧、氮、氢等气体具有很强的亲和力，因此必须在焊接区采取良好的保护措施，以确保焊接熔池及温度超过350的热影响区的正反面与空气隔绝。采用钨极氩弧焊焊接钛及钛合金的保护措施及其适用范围如表2所示。焊缝的保护效果除了与氩气纯度、流量、喷嘴与焊件间距离、接头形式等因素有关外，还与焊炬、喷嘴的结构形式和尺寸有关。钛的热导率小、焊接溶池尺寸大，因此，喷嘴的孔径也应相应增大，以扩大保护区的面积。常用的焊炬喷嘴及拖罩见图1。该结构可以获得具有一定挺度的气流层，保护区直径达30mm左右。如果喷嘴的结构不合理时，则会出现紊流和挺度不大拨动流，两者都会使空气混入焊接区。为了改善焊缝金属的组织，提高焊缝、热影响区的性能，可采用增强焊缝冷却速度的方法，即在焊缝两侧或焊缝反面设置空冷或水冷铜压块。对已脱离喷嘴保护区，但仍在350以上的焊缝热影响区表面，仍需继续保护。通常采用能通有氩气流的拖罩。拖罩的长度为100180mm，宽度3040mm，具体长度可根据焊件形状、板厚、焊接工艺参数等条件确定，但要使温度处于350以上的焊缝及热影响区金属得到充分的保护。拖罩外壳的四角应圆滑过渡，要尽量减少死角，同时拖罩应与焊件表面保持一定距离。焊接长焊缝，当焊接电流大于200A时，在拖罩下端帽沿处需设置冷却水管，以防拖罩过热，甚至烧坏铜丝和外壳。钛及钛合金薄板手工TIG焊用拖罩通常与焊炬连接为一体，并与焊炬同时移动。管子对接时，为加强对于管子正面后端焊缝及热影响区的保护，一般是根据管子的外径设计制造专用环形拖罩，如图2所示。钛及钛合金焊接中背面也需要加强保护。通常采用在局部密闭气腔内或整个焊件内充氩气，以及在焊缝背面加通氩气的垫板等措施。对于平板对接焊时可采用背面带有通气孔道的紫铜垫板，如图3所示。氩气从焊件背面的紫铜垫板出气孔流出（孔径 1mm，孔距1520mm），并短暂地储存在垫板的小槽内，以保护焊缝背面不受有害气体的侵害。为了加强冷却，垫板应采用紫铜，其凹槽的深度和宽度要适当，否则不利于氩气的流通和储存。对于厚度为4mm以内的钛板，其焊接垫板的成形槽尺寸见表3。焊缝背面不采用垫板的，可加用手工移动的氩气拖罩。批量生产钛管时，对接焊可在氩气保护罩内焊接，管子转动焊炬不动。氩气流量的选择以达到良好的焊接表面色泽为准，过大的流量不易形成稳定的气流层，而且增大焊缝的冷却速度，容易在焊缝表面出现钛马氏体。拖罩中的氩气流量不足时，焊接接头表面呈现出不同的氧化色泽；而流量过大时，将对主喷嘴的气流产生干扰。焊缝背面的氩气流量过大也会影响正面第一层焊缝的气体保护效果。焊缝和热影响区的表面色泽是保护效果的标志，钛材在电弧作用后，表面形成一层薄的氧化膜，不同温度下所形成的氧化膜颜色是不同的。一般要求焊后表面最好为银白色，其次为金黄色。工业纯钛焊缝的表面颜色与接头冷弯角的关系见表4。多层、多道焊时，不能单凭盖面层焊缝的色泽来评价焊接接头的保护效果。因为若底层焊缝已被杂质污染，而焊盖面层时保护效果良好，结果仍会由于底层的污染而明显降低接头的塑性。（5）焊接工艺参数的选择钛及钛合金焊接有晶粒长大倾向，尤以 钛合金最为显著，而晶粒长大难以用热处理方法加以调整。所以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倾向，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要的最低温度。如果线能量过大，则焊缝容易被污染而形成缺陷。表5、表6是钛及钛合金手工和自动TIG焊的工艺参数，主要适用于对接长焊缝及环焊缝。表7是钛管手工TIG焊的工艺参数。钨极氩弧焊一般采用具有恒流特性的直流弧焊电源，并采用直流正接，以获得较大的熔深和较窄的熔宽。在多层焊时，第一层一般不加焊丝，从第二层再加焊丝。已加热的焊丝应处于气体的保护之下。多层焊时，应保持层间温度尽可能低，等到前一层冷却至室温后再焊下一道焊缝，以防止过热。对于厚度在0.12.0mm的纯钛及钛合金板材、对焊接热循环敏感的钛合金以及薄壁钛管全位置焊接时，宜采用脉冲氩弧焊。该方法可成功地控制钛焊缝的成形，减少焊接接头过热和粗晶倾向，提高焊接接头的塑性。而且焊缝易于实现单面焊双面成形，获得质量高、变形量小的焊接接头。表8是厚度0.82.0mm钛板脉冲自动TIG焊的工艺参数。其中脉冲电流对焊缝的熔深起着主要作用，基值电流的作用是保持电弧稳定的燃烧，待下一次脉冲作用时不需要重新引弧。当钛及钛合金板很厚时，采用熔化极氩弧焊（MIG）可以减少焊接层数，提高焊接速度和生产率，降低成本，也可减少焊缝气孔。但MIG焊采用的是细颗粒过度，填充金属受污染的可能性大，因此对保护要求较TIG焊更严格。此外，MIG焊的飞溅较大，影响焊缝成形和保护效果。薄板焊接时通常采用短路过渡，厚板焊接时则采用喷射过渡。MIG焊时填丝较多，这就要求焊接坡口角度较大，厚度1525mm的板材，可选用90 单面V形坡口。钨极氩弧焊的拖罩可用于熔化极焊接，但由于MIG焊焊速高、高温区长，拖罩应加长，并采用流水冷却。MIG焊时焊材的选择与TIG焊相同，但是对气体纯度和焊丝表面清洁度的要求更高，焊前须对焊丝进行彻底的清理。表9是TC4钛合金自动MIG焊的工艺参数。（6）焊后热处理钛及钛合金的接头在焊接后存在着很大的残余应力。如果不消除，将会引起冷裂纹，增大应力腐蚀开裂的敏感性，降低接头的疲劳强度，因此焊后必须进行消除应力处理。按合金的化学成分、原始状态和结构使用要求，有焊后退火处理和淬火-时效处理。1）退火退火的目的是消除应力、稳定组织、改善力学性能。退火工艺分为完全退火和不完全退火两类。 和钛合金（TB2除外）一般只作退火热处理。由于完全退火的加热温度较高，为避免焊件表面被空气污染，必须在氩气或真空中进行。不完全退火由于加热度较低，可在空气中进行，空气对焊缝及焊件表面的轻微污染，可用酸洗方法去除。退火后的冷却速度对 和钛合金不敏感，对 +钛合金十分敏感。对于这种合金，须以规定的速度冷却到一定温度，然后分阶段冷却或直接空冷，而且开始空冷的温度不应低于使用温度。2）淬火-时效处理淬火-时效处理的目的是提高焊后接头的强度。但由于高温加热氧化严重，淬火时发生的变形难于矫正，而且焊件较大时不易进行淬火处理，因此一般很少采用，仅对结构简单、体积不大的压力容器适用。消除应力处理前，焊件表面须进行彻底的清理，然后在惰性气氛中进行热处理。几种钛及钛合金焊后热处理的工艺参数见表10。