發(fā)布日期：2021-2-8 13:40:06
鈦具有高比強(qiáng)度、耐高溫、高韌性、低密度、導(dǎo)熱性能好、較寬的工作溫度范圍和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，能在大多數(shù)酸、堿、鹽及海水中不腐蝕。因此，鈦在國(guó)防、航空、航天、石油、化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，鈦及鈦合金已經(jīng)成為航空航天工業(yè)的支柱之一。目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等均由鈦合金制造，即實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)全鈦化方案。在實(shí)踐中針對(duì)TC4鈦合金葉片（表1)，分析其焊接方法，總結(jié)出最佳工藝參數(shù)。
表1 TC4鈦合金化學(xué)成分
| 化學(xué)成分組 | 主要化學(xué)成分/% | 雜質(zhì)（%）不大于 | |||||||
| Ti | AI | V | Fe | Si | C | N | H | O | |
| Ti-6AI-4V | 基 | 5.5~6.8 | 3.5~4.5 | 0.30 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.15 |
1、焊接方法的分析比較
TC4鈦合金具有較好的焊接性和塑性，由于鈦是一種活潑金屬，焊接后出現(xiàn)的突出問(wèn)題是氣體等雜質(zhì)污染而引起焊接接頭脆化、氣孔和裂紋。
1.1 鎢極氬弧焊
TC4鈦合金化學(xué)性質(zhì)非常活潑，極易與氫、氧等氣體發(fā)生作用，因此焊接時(shí)要嚴(yán)格控制焊接材料純度，氬氣純度不低于99.99%， 氧含量應(yīng)小于0.002%, 氮含量應(yīng)小于0.005%, 氫含盤(pán)應(yīng)小于0.002% 。常用的鎢極氬弧焊方法存在能量密度低、焊接熔深淺等不足，直接影響其效果。焊接前，先將焊劑粉末用無(wú)水乙醇稀釋成糊狀，并刷涂在裝夾好的試件對(duì)接焊縫上表面，焊劑層的寬度約為10~15mm , 厚度約0.03mm。正、反面都要用氫氣保護(hù)。焊接規(guī)范如表2所示。
表2 TC4鈦合金手工鎢極氬弧焊規(guī)范
| 板厚 / mm | 鎢極宜徑/ mm | 焊絲直 徑／mm | 焊接層數(shù) | 焊接電流/A | 電弧電壓/V | 噴嘴直 徑/nm | 氬氣流量/ (L.min-1) | |
| 噴嘴 | 焊縫背面 | |||||||
| ≤2 | 2~3 | 2 | 1 | 50~80 | 11~13 | 16~18 | 13~15 | 6~10 |
| 3~4 | 3 | 2. 5 | 2~3 | 80~120 | 12~14 | 16~18 | 13~15 | 6~10 |
| 5~8 | 3~4 | 2.5~3 | 多邊多只 | 120~150 | 13~16 | 16~18 | 13~15 | 6~10 |
1.2 等高子弧焊
等離子弧的能責(zé)密度介千電弧與電子束之間，用等離子弧焊接鈦及鈦合金，能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。與氬弧焊比較具有熱影響區(qū)小、焊件變形較小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于鈦比重小，液態(tài)鈦表面張力較大，所以有利于進(jìn)行“小孔效應(yīng)”等離子弧焊，可焊接更厚一些的板材而不需要開(kāi)坡口。既不必填充材料，又能一次焊好，減輕了基體金屬的過(guò)熱程度。有利于焊接區(qū)少受氣體污染，從而更進(jìn)一步提高了接頭的機(jī)械性能。
以8mm厚TC4鈦板為例，采用 等離子弧焊比采用鎢極氬弧焊提高效率5~6倍。其焊接規(guī)范見(jiàn)表3。
表3 8mm厚TC4鈦板等離子弧焊接規(guī)范
| 參數(shù) | 數(shù)值 | 參數(shù) | 數(shù)值 |
| 噴嘴孔徑/mm | 3. 2 | 填充絲速度 / ( m/ h) | 96 |
| 鎢極直徑/mm | 5 | 填充絲直徑/ mm | 1.0 |
| 鎢極內(nèi)縮/mm | 1.2 | 離子氣 / (Li b) | 350 |
| 焊接電流/A | 250 | 熔池保護(hù)氣 / (L/ h) | 1200 |
| 焊接電壓/V | 25 | 拖 罩保護(hù)氣/ (Li b) | 1500 |
| 焊接速度/ (m/h) | 9 | 背面保護(hù)氣 (/ L/ h) | 1500 |
1.3 真空電子束焊
應(yīng)用真空電子束焊焊接TC4鈦合金能獲得很高的接頭質(zhì)量。因?yàn)殡娮邮芰棵芏却螅瑴囟葮O高，焊縫深寬比可達(dá)25:1, 焊件不開(kāi)坡口，可單邊快速焊接厚達(dá)50mm以上的鈦及鈦合金板，也能焊極薄的焊件。電子束接頭的熱影響區(qū)很窄，焊接變形盤(pán)很小，故可以焊接經(jīng)機(jī)械加工及熱處理后的精密零件。另外由于在真空室中(10-5mmHg ,1mmHg = 133.322Pa)焊接，氣氛非常純凈，焊縫所含氧 、氮、氫 晝遠(yuǎn)較氬弧焊低 ，再加上焊接接頭中晶粒長(zhǎng)大傾向很小，故整個(gè)焊接接頭性能優(yōu)良。
1.4 激光焊
激光焊具有其他焊接方法不具備的優(yōu)勢(shì)，激光具有其他普通光所完全不具備的特性，即方向性好、亮度高、單色性好以及相干性好等特性。激光焊主要利用激光光束的高度平行性、單色性和極高的功率密度或能量密度等特點(diǎn)，焊接時(shí)采用 YAG 激光器，最大功率為4kW, 工作表面被迅速加熱升溫、熔化并發(fā)生劇烈的汽化，巨大的金屬蒸汽反沖壓力使 液體金屬表面向下凹陷，形成凹坑，周圖熔化的金屬和內(nèi)部金屑蒸汽等離子體形成焊接熱源。激光焊焊接速度快，熱影響區(qū)小。
鈦合金焊接時(shí)，氣孔是最容易出現(xiàn)的缺陷，占所有缺陷的一半以上。為防止氣孔，試件表面涂堿金屬－堿土金屬的鹵化物，結(jié)果氣孔明顯減少，而且焊縫寬度減半，熔深增加一倍以上，這是因?yàn)閴A金屬－堿土金屬的鹵化物導(dǎo)入電弧區(qū)能使焊縫變窄，熔深增加。焊接過(guò)程中，氫氬氣從焊槍和焊接夾具兩面同時(shí)加人，正反面保護(hù)氣流進(jìn)都在10~26L/min之間變化，一般提前 送氣與延時(shí)閉氣時(shí)間為20~35s。
為了提高接頭激光焊后的性能，對(duì)接頭部位進(jìn)行了焊后熱處理，熱處理機(jī)制為480℃固溶強(qiáng)化＋空冷＋80 ℃時(shí)效10h熱 處理后接頭的強(qiáng)度有很大的提高，約為母材的95% , 有些試樣的抗拉強(qiáng)度甚至與母材相當(dāng)，但塑性略有下降。
2、結(jié)論
通過(guò)對(duì)TC4鈦合金常用的焊接方法進(jìn)行總結(jié)（如表4表示 ），得出最佳工藝參數(shù) ，重點(diǎn)研究了YAG激光焊接，通過(guò)對(duì)比可以看出激光焊接效果最好。
表4 TC4鈦合金焊接接頭一些性能的比較
| 焊接方法 | 板厚 /mm | 焊縫寬度 /mm | 熱影響區(qū)寬度/ mm | 熱影響區(qū)晶粒尺寸/ mm |
| 鎢極氬弧焊 | 1.65 | 1.9~9.5 | 2.50 | 0.89 |
| 鉛極氬弧焊 | 2.36 | 9.5~11.1 | 3.56~4.57 | 0.89 |
| 高壓電子束焊接 | 1.27 | 2.18 | 0.05 | 0.25~0.54 |
| 高壓電子束焊接 | 2.41 | 1.52 | 0.05 | 0.25~0.64 |
| 低壓電子束焊接 | 3.l8 | 3.56 | 1.27 | 0.25~0.64 |
| 激光焊接 | 2.87 | 0. 65 | 0. 03 | 0. 12~0. 26 |