钛比钢轻45％，比铝重60％，比其中任何一种都强三倍以上。虽然它比许多其他金属贵得多，但它具有更高的耐腐蚀性，更低的生命周期成本，更长的使用寿命，以及比大多数更低的维护和维修成本。钛的常见应用包括军事，航空航天，船舶，化工，发电，石油和天然气开采以及医疗设备。
钛是一种活性金属，易与氧气相互作用，易于氧化和污染，并且难以焊接。然而，细致的准备，稳定的手法和大量的练习可完成成功的焊接。
本文重点介绍使用ASTM Gr5，国内TC4（Ti6Al4V）作为参考的钛管、钛合金管和管道上的气体保护钨极电弧焊（GTAW，也称为TIG焊或钨极惰性气体保护焊）。
清洁是至关重要的
焊接钛管需要极其清洁 - 基础金属，填充金属和焊接环境必须完美无暇。焊接工人如果擦了护手霜等身体乳，成型和拉伸过程中的油污，车间灰尘，油漆，污垢，切削液和润滑剂都会导致脆化和焊接失效。
首先清洁工作区域并清除各种碎屑，并确保选择气流最小的地方，尽量保证环境无风，以免在焊接过程中干扰保护气体。接下来对填充棒和基底金属上的油污清洁：戴上专门用于此目的的丁腈手套，以防止操作工手上的护手霜或者其他手上附着的油污擦到待焊接钛管上。然后将甲基乙基酮（MEK）涂在干净的无绒布上并擦拭钛以去除任何残留的表面污染物。此时将填充棒放入密封容器中以防止进一步污染。
在焊接之前，除去管道表面钛与氧气反应时形成的氧化皮。该氧化物层为钛提供了显着的耐腐蚀性。但是，必须在焊接之前将其去除，因为它在比钛更高的温度下熔化并且可以进入熔融焊池以产生使夹层变弱的夹杂物。
无论是带有硬质合金去毛刺工具的模具磨床还是专用于钛合金的硬质合金锉刀，都能最好地从焊接接头上去除氧化层。建议不要使用钢丝绒和磨料，因为它们会造成污染。请记住使用低磨削速度以防止过热。在将氧化层磨掉后，用MEK或丙酮浸湿的布再次擦拭接头。因为某些溶剂具有低闪点， 等所以要待溶剂在撞击电弧之前完全蒸发。
完美契合
对于钛管而言，装配可能比任何其他金属管更重要，因为它对于防止氧气进入焊缝至关重要。接头应为方形（不要形成V形缺口），这有助于减少填充接头所需的热量和焊接金属量; 这反过来又降低了烧穿和污染的可能性。
将零件夹在定位器或工作站上，以确保两端尽可能紧密，准确地对接在一起。
大多数薄壁钛管和管道不需要预热。但是，如果您计划焊接厚度超过1/3英寸的钛管，请咨询您的焊接设备供应商，因为某些预热和后加热可能是有益的。
屏蔽气体覆盖的重要性
建议使用纯氩气来焊接钛，因为它具有高纯度和低水分含量。可以使用75/25的氩/氦混合物来提高稳定性并仅在指定时增加渗透。
美国焊接协会（AWS）建议测量焊接气体纯度，以确保其符合每种应用的标准。保护气体的纯度至少为99.995％，不超过百万分之20（PPM）的氧气，露点高于-76华氏度。其他应用需要99.999％的纯氩气流量。
用尾部护罩装备焊枪是至关重要的 - 否则氧气污染的风险会增加，并且随之而来的是开裂的可能性。一些焊工会制造自己的尾随防护罩，虽然有很多款式可供购买。尾随护罩符合管子的形状，并沿着管子的GTAW割炬。在割炬及其氩气流通过后，护罩在焊缝上提供额外的氩保护。将割炬和尾随保护气流设置为20立方英尺/小时（CFH）可提供最佳保护气体覆盖率。
始终使用干净，无孔的塑料软管将保护气体输送到割炬，尾随护罩和吹扫。
填充金属选择
焊接厚度大于0.010英寸的钛管时，请使用填充金属（参见图1）。通常，您应该将填充金属与焊接的钛的等级相匹配 - 理论上该是完全匹配的。某些应用允许例外，例如屈服强度低于母材的填充金属，以提高延展性。但是，任何变化都应经过仔细测试和调查，以确保其符合工艺要求和规格。
| 推荐的钛填充金属合金 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 基础填充 | AWS A5.16 ERTi-2 | AWS A5.16 ERTi-2 | AWS A5.16 ERTi-3 | AWS A5.16 ERTi-5 | AWS A5.16 ERTi-9和ERTi-9ELI |
AWS A.16 ERTi-23 |
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Gr1（CP-1） [工业纯钛] |
X | |||||
| Gr2（CP-2） | X | X | ||||
| Gr3（CP-3） | ||||||
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Gr5 （Ti6A14V） |
X | |||||
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Gr9 （Ti3A12.5V） |
X | X | ||||
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Gr23 （Ti6A14V ELI） （超低 间隙） |
X | |||||
| 图1 | ||||||
挑选合适的火焰和消耗品
与任何其他焊接工艺相比，GTAW使焊工能够更好地控制热输入和熔池。具有高频电弧启动，远程电流控制功能，后流量计时器和至少250安培输出的GTAW逆变器将很好地焊接钛。
始终将机器的极性设置为直流电极负极（DCEN）。与直流电极正极（DCEP）相比，DCEN具有更深的穿透性。
使逆变器与空气或水冷割炬匹配。如果您的焊接温度低于150安培，并且其成本低于水冷式割炬，则风冷式割炬可提供良好的性能。另一方面，水冷式割炬更小，更易于操作，并且允许在更长的时间内以更高的安培数进行焊接，尽管钛上的大多数焊接都很短并且在低于150安培的输出水平下产生。
使用2％的金属钨电极接地，并与焊接电流相匹配，如下所示：
- 高达90安培：1/16英寸或更小
- 90 - 200安培：3/32英寸
- 超过200安培：1/8英寸
使用气体透镜均匀分布保护气体，并在焊接熔池上形成平稳的气流。
打一个弧并开始工作
首先，切断加注棒的末端，露出纯净，无污染的点，开始焊接。启动氩气流动几秒钟，然后撞击电弧，确保焊接区域完全覆盖。
使用变频器的高频起弧功能打弧。与焊接不锈钢相似的割炬角度，割炬速度和填充焊丝角度为焊接钛管提供了最佳条件。
用钛制造焊接熔池相当容易，但它可能不容易移动。将焊接熔池与电弧和填充棒一起推动通常可以获得最佳效果，但在焊接时必须将填充棒保持在保护气体外壳内。因为过多的热量会使焊缝破裂，所以减少热量输入也很重要。使用填充金属的dab技术（以稳定的行进速度）。
完成焊接后，允许20到25秒的后续流动以保护接缝，因为它会冷却到800华氏度以下的阈值。使氧不再与钛产生反应。某些焊接可能需要温度降至500华氏度以下。
一旦焊接完成，钛就可以显示出真正的颜色。焊接接头的最终颜色表明保护气体保护焊缝免受污染以及氧化层厚度的程度（见图2）。除目视检查外，染料渗透检查，硬度测试，X射线，超声波探伤和破坏性测试还可确定钛焊缝的质量。
| 颜色验收标准 | |
|---|---|
| 焊接颜色 | 质量指标 |
| 亮银色 | 可以接受的 |
| 银色 | 可以接受的 |
| 轻秸秆 | 可以接受的 |
| 黑暗的稻草 | 可以接受的 |
| 青铜 | 可以接受的 |
| 棕色 | 可以接受的 |
| 紫色 | 不可接受的b，c |
| 深蓝 | 不可接受的b，c |
| 浅蓝 | 不可接受的b，c |
| 绿色 | 不可接受的b，c |
| 灰色 | 不合格 |
| 白色 | 不合格 |
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图2. 注意：变色有各种色调。 |
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| 在进一步焊接之前必须去除变色。 | |
| 在焊缝和HAZ中，焊缝以外的最大值为0.03英寸。 | |
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如果要进行额外的焊接，则会导致紫罗兰色，蓝色和绿色变色。成品焊缝可以接受蓝色和绿色变色，但必须在后续加工之前将其去除。 |
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