引言

鈦合金因其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異的綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、化工等領(lǐng)域。隨著我國(guó)航空航天裝備的快速發(fā)展，大型化、復(fù)雜化的鈦合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用逐漸增多，相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、不銹鋼，鈦合金結(jié)構(gòu)件能夠在更加惡劣的工作環(huán)境中使用，能夠承擔(dān)更大的工作壓力，滿(mǎn)足航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃院统志眯缘囊? [1?3]。

薄壁鈦合金在航空航天中主要應(yīng)用于蒙皮和壓力容器等產(chǎn)品，目前薄壁鈦合金的生產(chǎn)制造主要通過(guò)焊接完成，常用的焊接方法有激光焊、鎢極氬弧焊(TIG)、真空電子束焊，而鎢極氬弧焊由于工藝靈活性強(qiáng)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，適應(yīng)全位置焊接，應(yīng)用最為廣泛[4-5]。

本文以3mm厚TC4-M鈦合金為材料，采用手工TIG焊進(jìn)行焊接試驗(yàn)，研究薄壁鈦合金TIG焊焊接工藝和力學(xué)性能，為鈦合金TIG焊的應(yīng)用提供指導(dǎo)與參考。

1、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料采用3mm厚的TC4-M鈦合金板，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。焊接試樣尺寸為360 mmx300 mmx3 mm，焊接試驗(yàn)采用手工TIG焊。

表1 TC4-M化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

表2 TC4-M力學(xué)性能

采用X射線(xiàn)按NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分:射線(xiàn)檢測(cè)》對(duì)焊接試板進(jìn)行探傷，要求滿(mǎn)足QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級(jí)要求。

試板焊接完成后根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》的規(guī)定要求，采取垂直焊縫截面切割拉伸試樣，尺寸如圖1所示。截取3件拉伸試件，試件焊縫處于拉伸試樣中間，去除焊縫余高，采用萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸性能試驗(yàn)。

2、焊接工藝

2.1焊接材料

鈦及鈦合金焊接時(shí)，填充焊絲的成分一般應(yīng)與母材的成分相同，為提高焊接接頭的塑韌性，可選用強(qiáng)度比母材稍低的焊絲，但要保證焊絲中的雜質(zhì)含量比母材低，僅為一半左右。焊絲要求以真空退火狀態(tài)供貨，表面不得有燒皮、裂紋、氧化色、非金屬夾雜等缺陷存在。針對(duì)TC4-M材料，選用Φ3mm的TC4-M(GB/T3623-2007)焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。要求焊接前嚴(yán)格篩選焊絲，若有夾渣、氧化物等雜質(zhì)，應(yīng)將這些部分剪去。

表3 TC4-M焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

2.2坡口選擇

為減少焊縫的累積吸氣量，選擇坡口形式和尺寸時(shí)，盡量減少焊接層數(shù)和金屬填充量，以防止接頭塑性下降。因此針對(duì)3mm試板，選擇60°對(duì)接坡口焊，鈍邊高度為0.5mm，如圖2所示。

2.3試件清理

鈦合金表面附著的油污、雜質(zhì)等可能引起焊接氣孔、裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，故焊前需在室溫條件下采用  φ(HF)3% +  φ (HNO₃ ) 35% +  H₂O的溶液清洗20 min，用清水清洗干凈并烘干。焊接時(shí)，采用合金鋼打磨頭清理焊接坡口及周?chē)?0mm范圍，然后用丙酮清洗打磨部位，并采用干燥壓縮空氣吹干，打磨清理后的試板在4h內(nèi)完成焊接。

焊絲使用前兩端剪去2~3mm，對(duì)焊絲進(jìn)行干燥處理后采用600目金鋼砂紙整體打磨焊絲，保證表面光滑，為銀白色，并采用丙酮清洗干凈，及時(shí)用干燥空氣吹干。清洗完的焊絲存放時(shí)間為24h，超過(guò)24h的焊絲應(yīng)重新清理。

2.4焊接保護(hù)

由于鈦合金對(duì)H,O,N具有極強(qiáng)的親和力,焊接過(guò)程中容易吸收空氣，導(dǎo)致焊縫氣孔和析出相增多，焊接接頭變脆，力學(xué)性能下降，因此需要嚴(yán)格保護(hù)焊接區(qū)域，使焊接熔池及300℃以上的熱影響區(qū)(包括焊件的正反面)與空氣隔絕。

焊接時(shí)，焊縫正面采用口徑為30mm的濾網(wǎng)磁嘴保護(hù)，如圖3所示。焊縫正面采用焊接拖罩保護(hù)，拖罩長(zhǎng)140mm，寬50mm，如圖4所示。

為了加強(qiáng)保護(hù)焊縫背面，研制了焊縫背面保護(hù)裝置，背面帶有通氣孔的銅墊板，氬氣從焊件背面的銅墊板出氣孔流出，并短暫儲(chǔ)存在墊板的小槽內(nèi)，保護(hù)焊縫背面不受有害氣體侵害，如圖5所示。

2.5焊接操作

焊前準(zhǔn)備3瓶氬氣，純度為  φ(Ar)99.999%，分別用于保護(hù)拖罩、背面保護(hù)裝置和焊槍?zhuān)捎帽逑磁c焊件接觸部位，校正鎢極，使其處于噴嘴中心位置，點(diǎn)固焊試板，設(shè)置3°~5°反變形量，焊接前預(yù)先通氣20~30s，焊后滯后停氣20~30s，焊接時(shí)鎢極和焊絲之間的夾角為15°~30°，其擺動(dòng)不能過(guò)大，只允許輕微擺動(dòng)，試件焊接如圖6所示。

3、試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用Φ2.5mm的鈰鎢極進(jìn)行焊接，焊接電弧作用到金屬表面，焊接電流不同，焊接熱輸入也不同。本文通過(guò)調(diào)整焊接電流大小，研究不同焊接熱輸入下焊縫表面的宏觀形貌。焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表4焊接參數(shù)

3.1焊縫宏觀形貌

圖7為不同焊接電流下的焊縫宏觀形貌。

由圖7中可見(jiàn)，焊接電流不同，焊縫正面存在較大差異,而焊縫背面基本一致,表面呈現(xiàn)銀白色,無(wú)氧化現(xiàn)象產(chǎn)生。不同焊接參數(shù)，焊縫表面的顏色反應(yīng)了焊接質(zhì)量差異。焊接電流為70A的焊縫表面呈現(xiàn)銀白色，焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)藍(lán)色，熱影響區(qū)氧化嚴(yán)重,認(rèn)為這是由于焊接電流過(guò)小,需要降低焊接速度以滿(mǎn)足焊縫的熔深,焊接速度過(guò)低導(dǎo)致局部熱輸入過(guò)高，焊接熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超出拖罩保護(hù)時(shí)間，熱影響區(qū)吸收空氣中的氧氣，生成了氧化鈦等氧化物。焊接電流為110A和120A的焊縫顏色呈現(xiàn)黃色，熱影響區(qū)出現(xiàn)藍(lán)色，氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，這是由于焊接時(shí)焊接電流過(guò)大，焊接熱輸入增大，焊縫及熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊接熱影響區(qū)擴(kuò)大，焊接保護(hù)拖罩外側(cè)仍然處于300℃以上，高溫焊縫長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，導(dǎo)致焊縫氧化。焊接電流為80，90，100A的焊縫及熱影響區(qū)基本呈現(xiàn)銀白色，說(shuō)明焊接參數(shù)匹配較好，焊縫保護(hù)良好，均無(wú)氧化層生成。因此，采用80~100A的焊接電流，并配合合適的焊接速度，可保證薄壁鈦合金焊接質(zhì)量良好。

3.2焊縫探傷

采用X射線(xiàn)按NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分:射線(xiàn)檢測(cè)》對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，焊縫不存在咬邊、未熔合、未焊透、裂紋、氣孔等缺陷，滿(mǎn)足QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級(jí)要求，如圖8所示。

3.3焊縫力學(xué)性能

圖9為3mm厚的TC4-M鈦合金拉伸試樣，表5為拉伸試驗(yàn)結(jié)果。原材料室溫抗拉強(qiáng)度  R_m  =1045 MPa，屈服強(qiáng)度R_p0.2=1025 MPa。GB/T 3621-2022《鈦及鈦合金板材》規(guī)定退火狀態(tài)TC4-M鈦合金板材抗拉強(qiáng)度  R_m要求大于895 MPa，屈服強(qiáng)度  Rp0.2要求大于830 MPa。

由表5結(jié)果可知，3mm厚TC4-M鈦合金焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度Rm=978 MPa，平均屈服強(qiáng)度Rp0.2=928 MPa，分別為母材強(qiáng)度的93.6%和90.5%，大于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度值，滿(mǎn)足QJ 1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級(jí)焊縫對(duì)力學(xué)性能的要求。

表5試樣試驗(yàn)結(jié)果

3.4焊接接頭彎曲性能

根據(jù)GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》從焊件上截取彎曲試樣，在彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行面彎試驗(yàn)，彎心直徑為50mm，支撐輥間距58mm。彎曲結(jié)果如圖10所示，試件經(jīng)過(guò)180°彎曲，彎曲表面未產(chǎn)生斷裂及褶皺缺陷，各棱角處也未產(chǎn)生任何開(kāi)口缺陷。

4、結(jié)論

(1)通過(guò)焊接材料選擇、坡口設(shè)計(jì)、焊接工藝參數(shù)、焊接保護(hù)措施、試件清理、焊縫質(zhì)量檢測(cè)方面開(kāi)展研究，獲得薄壁鈦合金焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)，掌握了鈦合金焊接保護(hù)工藝措施，實(shí)現(xiàn)了薄壁鈦合金手工TIG焊接工藝方法。

(2)通過(guò)X射線(xiàn)檢測(cè)及力學(xué)性能試驗(yàn)，確定采用手工TIG焊焊接薄壁鈦合金，焊接質(zhì)量能夠滿(mǎn)足QJ 1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級(jí)焊縫要求。

參考文獻(xiàn):

[1]吳巍，程廣福，高洪明，等.TC4合金TIG焊接頭組織轉(zhuǎn)變與力學(xué)性能分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30(7):81-84，117.

[2]黃煒，王少剛，李立澤，等.鈦合金激光焊及其接頭的顯微組織與力學(xué)性能[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2019，34(2):20-27.

[3]方靜，祁文軍，胡國(guó)玉.8mm中厚板TC4鈦合金TIG焊數(shù)值模擬及試驗(yàn)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2023，37(22):151-156.

[4]候繼軍，余軍，董軍慧.TC4鈦合金TIG焊接頭組織及力學(xué)性能[J].焊接技術(shù)，2011，40(4):15-17.

[5]閆泰起，鄭濤，陳冰清，等.Ti-6321鈦合金鎢極惰性氣體保護(hù)焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能[J].材料工程，2024，52(6):159-166.

（注，原文標(biāo)題：薄壁TC4鈦合金TIG焊工藝方法和力學(xué)性能研究_張曉波）

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