鈦合金油箱漏油原因分析及其解決措施

戴 樂

（海軍駐洛陽四〇七廠軍事代表室，河南 洛陽 471039）

0 引言

油箱是某水下振源體的重要組成部分，主要給動力源液壓系統(tǒng)提供液壓油。油箱在工作中受到振源體的強烈振動，是受到交變載荷作用的焊接件，為保證水下振源體的正常工作，油箱制造材料選用一種高強、高韌、耐蝕、可焊的艦船用鈦合金（Ti80合金），但是在實際工作過程中，油箱焊縫還是出現(xiàn)了開裂情況導(dǎo)致了油箱漏油。本文主要針對油箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出解決油箱漏油的措施。

1 油箱結(jié)構(gòu)

油箱是一個半圓柱體的封閉油箱，采用整體框架式焊接結(jié)構(gòu)，外表面采用蒙皮拼裝形式，主要由油箱蒙皮、油箱底板、隔板、前隔板、環(huán)肋和穿過油箱的橫梁和環(huán)圈組成，有接口座、泄油口、進(jìn)油口和回油口等接口，如圖1所示。蒙皮、隔板、油箱底板等由板材加工而成，各部分經(jīng)焊接后成型。油箱對焊接質(zhì)量要求高，油箱上的焊縫都是連續(xù)焊縫，焊縫強度必須達(dá)到母材強度的90%，所有焊縫表面按JB4730－1994標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊后表面著色處理，達(dá)到Ⅰ級要求；所有焊縫應(yīng)通過焊后煤油滲漏，另外油箱焊接完成后還要通過氣密試驗。

圖1 原油箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 材料力學(xué)性能及焊接特點

2．1 Ti80合金的力學(xué)性能

Ti80合金是一種高強、高韌、耐蝕、可焊艦船用鈦合金，其化學(xué)成分為Ti－6Al－3Nb－2Zr－0．8Mo。Ti80合金熱穩(wěn)定性好，熱成型性能易控制，其斷裂韌性、耐海水腐蝕性能、抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良，焊接系數(shù)≥0．9。表1為Ti80合金的力學(xué)性能及其焊接接頭的力學(xué)性能。

表1 Ti80合金的力學(xué)性能及焊接接頭力學(xué)性能

2．2 Ti80合金的焊接特點

鈦合金Ti80的焊接具有許多顯著的特點：①鈦合金的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，在高溫時對氧、氫、氮等元素具有很強的親和力，為防止脆化現(xiàn)象，在焊接過程中對氣體保護(hù)的要求特別高，因此必須采取措施嚴(yán)格控制氧、氫、氮等元素進(jìn)入焊縫；②鈦合金的熔點高、熱容量大、導(dǎo)熱性差，接頭的塑性及韌性較低，焊接時易產(chǎn)生裂紋，為了避免焊縫裂開，應(yīng)進(jìn)行真空熱處理消除焊接內(nèi)應(yīng)力，減少焊接裂紋傾向；③鈦合金化學(xué)活性大，在高溫時極易被空氣、水分、油脂、氧化皮等污染，引起氣孔，為了避免產(chǎn)生氣孔，應(yīng)注意焊前清理、焊接電流和焊接速度、焊接保護(hù)等。

3 油箱漏油原因分析

水下振源體工作一段時間后，油箱出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象，對油箱進(jìn)行氣密性試驗時發(fā)現(xiàn)，前隔板與油箱底板、蒙皮和接口座、橫梁與蒙皮焊縫（前隔板側(cè)）均有泄漏現(xiàn)象。對有問題焊縫進(jìn)行著色檢驗后，發(fā)現(xiàn)橫梁與蒙皮焊縫熔合線處存在裂紋，產(chǎn)生裂紋的主要原因是由于蒙皮壁厚為5mm，而且此道焊縫操作空間狹小，不易實施焊接作業(yè)，焊接電流和背面保護(hù)氣體不易控制，操作人員在焊接收弧時焊接電流和背面保護(hù)氣體未控制好，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氧化，使熔合線部分蒙皮壁厚度減薄。產(chǎn)品出廠檢驗時，對油箱進(jìn)行的氣密性試驗是靜態(tài)試驗，沒有表現(xiàn)出泄漏，產(chǎn)品工作一段時間后，熔合線蒙皮壁厚減薄部分產(chǎn)生裂紋。前隔板與油箱底板、蒙皮和接口座焊縫出現(xiàn)漏油的主要原因是焊縫形式不對，焊縫采用單面圓周角焊縫，坡口深2mm，焊腳高2mm，制訂焊接工藝時輕視了焊縫的強度要求，造成前隔板焊縫有效厚度偏低，焊縫強度不夠，導(dǎo)致前隔板焊縫疲勞開裂。油箱在工作中承受很強的振動，所受載荷為交變載荷，使油箱承受較大的疲勞應(yīng)力，由于前隔板焊縫強度偏低和焊縫應(yīng)力集中，使焊縫疲勞開裂。油箱具體制造及裝配順序如圖2所示。

圖2 油箱具體制造及裝配順序

4 解決方法及措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，采取以下解決方法：

（1）結(jié)構(gòu)方面：①將穿過前隔板的橫梁截斷，前隔板不留穿過橫梁的缺口，前隔板處蒙皮與橫梁沒有焊縫，便于焊接的進(jìn)行，前隔板與環(huán)肋之間的橫梁與蒙皮采用雙面對稱斷續(xù)角焊縫，焊縫長100mm，間隔50 mm，焊腳高5mm；②將穿過油箱底板的環(huán)圈截斷，環(huán)圈與油箱底板相交處要斷開裝焊，油箱底板無任何缺口，油箱底板與環(huán)圈焊縫為三面角焊縫，焊腳高5 mm；③增加前隔板與油箱底板、蒙皮和接口座之間焊縫的焊接強度，增大焊縫焊腳高度和坡口深度，焊縫采用單面焊接雙面成型型式，提高焊縫的焊接強度和耐疲勞性能，前隔板與油箱底板之間焊縫為單面角焊縫，前隔板單面開坡口，坡口深5mm，焊腳高4mm，保證足夠的焊角高度；前隔板與蒙皮之間焊縫為單面角焊縫，前隔板單面開坡口，坡口深5mm，焊腳高4mm；前隔板與接口座之間焊縫為單面角焊縫，前隔板單面開坡口，坡口深5mm，焊腳高4m。圖3為改進(jìn)后的油箱結(jié)構(gòu)示意圖。

（2）焊接工藝方面：改進(jìn)焊接工藝，使焊縫表面圓滑過渡，防止焊縫表面出現(xiàn)尖角等本身缺陷，避免焊縫應(yīng)力集中，每焊一道焊縫后，立即對焊縫進(jìn)行超聲波消應(yīng)處理。超聲波消應(yīng)處理的操作方法是：將超聲波沖擊槍對準(zhǔn)焊接接頭焊趾部位，且基本垂直于焊縫；沖擊頭的沖擊針陳列沿焊縫方向排列，略施加一定的壓力，使其基本在沖擊槍的自重條件下進(jìn)行沖擊處理。超聲波消應(yīng)能夠改善焊縫焊趾區(qū)外形的幾何形狀，提高焊縫的疲勞壽命和疲勞強度。焊接完成后對水下振源體整體進(jìn)行真空熱處理以消除焊接應(yīng)力，提高焊縫的焊縫強度和疲勞性能。

圖3 改進(jìn)后的油箱結(jié)構(gòu)示意圖

為保證焊縫質(zhì)量，考慮現(xiàn)場實際操作情況及水下振源體的使用性能要求，在正式實施焊接作業(yè)前，首先對保護(hù)氣體及焊接電流進(jìn)行試驗驗證，即采用與前隔板、油箱底板、橫梁、接口座和蒙皮同材質(zhì)同厚度的材料制成試板，在擬采用的焊接電流和保護(hù)氣體下進(jìn)行焊接，驗證焊接質(zhì)量后再正式施焊。正式施焊的焊接工藝及焊接要求如下：①采用手工鎢極氬弧焊，焊絲直徑為Φ1．0；②焊縫及熱影響區(qū)表面顏色為銀白或淡黃色；③焊接時控制焊接線能量，焊接層間溫度小于50℃。具體焊接工藝規(guī)范參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝規(guī)范參數(shù)

采用以上糾正措施，使得油箱焊縫強度有很大的提高，焊縫表面質(zhì)量得到改善，改進(jìn)后油箱與原來相比具有焊接操作性好，焊接空間便于操作，焊接過程中焊縫容易實施保護(hù)，焊接質(zhì)量容易保證，焊后焊接應(yīng)力容易消除，焊縫疲勞強度和抗疲勞性能提高。焊后對油箱焊縫進(jìn)行著色檢驗，符合JB4730－1994Ⅰ級要求，所有焊縫通過焊后煤油滲漏，對油箱進(jìn)行整體氣密試驗，試驗壓力為0．5MPa，保壓30min無泄漏。在實際使用過程中，改進(jìn)后油箱一直未出現(xiàn)過焊縫開裂引起油箱漏油的問題，改進(jìn)后的油箱結(jié)構(gòu)和工藝能夠更好地滿足了產(chǎn)品的使用要求。

5 結(jié)束語

針對油箱焊縫在工作過程中出現(xiàn)焊縫開裂引起油箱漏油的問題，采用將穿過油箱的橫梁截斷、增加前隔板與油箱底板和蒙皮之間的焊接強度，焊接過程中采用超聲消應(yīng)處理和整體真空熱處理消應(yīng)的方法，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。該方法可應(yīng)用于承受強烈振動作用的焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，為焊接件的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。

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