钛、锆及其合金凭借高比强度、优异耐蚀性及生物相容性，成为航空航天、化工及医疗领域的关键结构材料。然而，其高温下极易与O、N、H等元素反应，导致焊缝脆化、气孔及裂纹。因此，焊接过程必须在高纯惰性气体保护下进行，且工艺评定需重点关注气体纯度、热输入及污染防控等核心要素。
一、钛/锆焊接的特殊挑战
- 高化学活性：400℃以上吸氧/氮，600℃以上吸氢，形成脆性化合物（TiO2、TiN、TiH2）。
- 导热系数低：热量集中易导致晶粒粗化，需精准控热避免过热。
- 弹性模量小：焊接残余应力易引发变形，需优化装夹与焊接顺序。
- 氢脆敏感：微量氢（＞150ppm）即可诱发延迟裂纹，对保护气体纯度要求极高。
二、工艺评定关键控制点
1. 惰性气体保护体系
| 保护部位 | 气体要求 | 验证方法 |
|---|---|---|
| 正面保护 | Ar≥99.999%，露点≤-40℃ | 氧含量分析仪实时监测（＜10ppm） |
| 背面保护 | 高纯Ar+拖罩延长保护时间 | 焊缝背面颜色判定（银白/金黄为合格） |
| 环境隔离 | 充氩箱或局部密封舱 | 焊接区域O2＜50ppm |
2. 热输入与层间温度
- 热输入范围：钛合金建议10-20 kJ/cm，锆合金略低（8-15 kJ/cm），避免晶粒过度长大。
- 层间温度：控制在150℃以下，防止高温停留时间过长导致α相粗化。
- 冷却方式：自然空冷，严禁水冷或强制风冷诱发残余应力。
三、焊材选择与污染防控
焊材匹配原则：
| 母材牌号 | 推荐焊丝 | 关键要求 |
|---|---|---|
| TA2（纯钛） | ERTi-1/ERTi-2 | 高纯钛，O+N+H总量＜0.015% |
| TC4（Ti-6Al-4V） | ERTi-5（ELI） | 成分匹配，低间隙元素保证韧性 |
| Zr702（工业纯锆） | ERZr-2 | 锆基焊丝，严格控制Hf含量 |
污染防控”三严禁”：
- 严禁手部直接接触：坡口及焊丝需用丙酮清洗+无尘手套操作，避免油脂污染。
- 严禁碳钢工具接触：使用专用不锈钢/钛合金工具，防止铁离子污染诱发腐蚀。
- 严禁潮湿环境焊接：相对湿度＞60%时暂停作业，焊材使用前150℃烘干1h。
四、检测验证与验收标准
- 外观颜色判定：银白色（最优）→金黄→蓝紫→灰白（不合格），颜色越深氧化越严重。
- 无损检测：PT检测表面裂纹，RT验证内部气孔/未熔合（验收等级按NB/T 47013）。
- 力学性能：拉伸强度≥母材标准值，弯曲180°无开裂，-40℃冲击功满足设计要求。
- 氢含量检测：采用惰气熔融-热导法，焊缝氢含量≤150ppm（航空航天要求≤100ppm）。
- 耐蚀性验证：对化工设备，进行沸腾硝酸/盐酸腐蚀试验，腐蚀速率≤0.1mm/a。
总结
钛、锆及其合金焊接工艺评定的核心在于”纯净”与”精准”：高纯惰性气体保护、严格污染防控、精准热输入控制，三者缺一不可。任何环节的疏忽都可能导致焊缝吸气脆化，造成不可逆的质量损失。建议企业建立专项焊接工艺规程（WPS），并对焊工进行专项培训与资格认证，确保高活性材料焊接的一次成功率。
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