引言
鈦合金因其具有強度高、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，焊接過程穩(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焊進行焊接試驗，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、試驗方法
試驗材料采用3mm厚的TC4-M鈦合金板，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。焊接試樣尺寸為360 mmx300 mmx3 mm，焊接試驗采用手工TIG焊。
表1 TC4-M化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
| Al | V V | Fe | C | N | H | 0 | Ti |
| 6.6 | 4.3 | 0.17 | 0.01 | <0.01 | 0.003 1 | 0.16 | 其余 |
表2 TC4-M力學(xué)性能
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A(%) |
| 1045 | 1025 | 16 |
采用X射線按NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分:射線檢測》對焊接試板進行探傷，要求滿足QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級要求。
試板焊接完成后根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》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，采用萬能電子試驗機進行常溫拉伸性能試驗。
2、焊接工藝
2.1焊接材料
鈦及鈦合金焊接時，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TC4-M材料，選用Φ3mm的TC4-M(GB/T3623-2007)焊絲進行焊接試驗，其化學(xué)成分見表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))(%)
| Al | V | Fe | C | N | H | 0 | Ti |
| 6.30 | 4.04 | 0.17 | 0.08 | <0.03 | 0.0035 | 0.039 | 其余 |
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，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3mm試板，選擇60°對接坡口焊，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，采用合金鋼打磨頭清理焊接坡口及周圍30mm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，對焊絲進行干燥處理后采用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，及時用干燥空氣吹干。清洗完的焊絲存放時間為24h，超過24h的焊絲應(yīng)重新清理。
2.4焊接保護
由于鈦合金對H,O,N具有極強的親和力,焊接過程中容易吸收空氣，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，焊縫正面采用口徑為30mm的濾網(wǎng)磁嘴保護，如圖3所示。焊縫正面采用焊接拖罩保護，拖罩長140mm，寬50mm，如圖4所示。
為了加強保護焊縫背面，研制了焊縫背面保護裝置，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，并短暫儲存在墊板的小槽內(nèi)，保護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%，分別用于保護拖罩、背面保護裝置和焊槍，采用丙酮清洗與焊件接觸部位，校正鎢極，使其處于噴嘴中心位置，點固焊試板，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，焊接時鎢極和焊絲之間的夾角為15°~30°，其擺動不能過大，只允許輕微擺動，試件焊接如圖6所示。
3、試驗結(jié)果及分析
采用Φ2.5mm的鈰鎢極進行焊接，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)見表4。
表4焊接參數(shù)
| 序號 | 焊接層數(shù) | 焊接電流/A | 氬氣流量/(L·min-1) |
| 主噴嘴 | 拖罩 | 背面 |
| 1 |
| 60 | 14~16 | 16~25 | 14~22 |
| 70 |
| 80 |
| 90 |
| 100 |
| 120 |
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，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)藍色，熱影響區(qū)氧化嚴(yán)重,認(rèn)為這是由于焊接電流過小,需要降低焊接速度以滿足焊縫的熔深,焊接速度過低導(dǎo)致局部熱輸入過高，焊接熱影響區(qū)高溫停留時間過長，超出拖罩保護時間，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)藍色，氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，這是由于焊接時焊接電流過大，焊接熱輸入增大，焊縫及熱影響區(qū)高溫停留時間過長，焊接熱影響區(qū)擴大，焊接保護拖罩外側(cè)仍然處于300℃以上，高溫焊縫長時間暴露在空氣中，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，說明焊接參數(shù)匹配較好，焊縫保護良好，均無氧化層生成。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射線按NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分:射線檢測》對焊縫進行探傷，焊縫不存在咬邊、未熔合、未焊透、裂紋、氣孔等缺陷，滿足QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級要求，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為拉伸試驗結(jié)果。原材料室溫抗拉強度 Rm =1045 MPa，屈服強度Rp0.2=1025 MPa。GB/T 3621-2022《鈦及鈦合金板材》規(guī)定退火狀態(tài)TC4-M鈦合金板材抗拉強度 Rm要求大于895 MPa，屈服強度 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度Rm=978 MPa，平均屈服強度Rp0.2=928 MPa，分別為母材強度的93.6%和90.5%，大于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強度值，滿足QJ 1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級焊縫對力學(xué)性能的要求。
表5試樣試驗結(jié)果
| 試樣編號 | 牌號 | 規(guī)格/mm | Rm/MPa | 平均Rm/MPa | Rp0.2/MPa | 平均Rp0.2/MPa | A(%) | 平均A(%) | 斷裂位置 |
| 試樣1 | TC4-M | 3 | 963 | 978 | 929 | 928 | 4 | 3.7 | 熔合線 |
| 試樣2 | 1004 | 944 |
|
| 試樣3 | 966 | 911 | 3.5 | 熔合線 |
| 3.5 | 熔合線 |
3.4焊接接頭彎曲性能
根據(jù)GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》從焊件上截取彎曲試樣，在彎曲試驗機上進行面彎試驗，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)生任何開口缺陷。
4、結(jié)論
(1)通過焊接材料選擇、坡口設(shè)計、焊接工藝參數(shù)、焊接保護措施、試件清理、焊縫質(zhì)量檢測方面開展研究，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工藝措施，實現(xiàn)了薄壁鈦合金手工TIG焊接工藝方法。
(2)通過X射線檢測及力學(xué)性能試驗，確定采用手工TIG焊焊接薄壁鈦合金，焊接質(zhì)量能夠滿足QJ 1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》中I級焊縫要求。
參考文獻:
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（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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