鑄造鈦合金補焊技術(shù)研究進展

李廣東，石岳良

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鑄造鈦合金因為其密度小、比強度高、塑韌性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點，在結(jié)合精密鑄造技術(shù)基礎(chǔ)上，各類鈦合金鑄件被廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海、造船、化工、五金零件、體育用品、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。鑄造鈦合金在成形過程中，會存在鑄造缺陷如縮孔、氣孔、裂紋、夾雜等，這些缺陷可以通過補焊技術(shù)消除。鑄造鈦合金補焊質(zhì)量直接關(guān)系到鑄件的性能和使用壽命，因此，需要充分掌握鑄造鈦合金的補焊特性、補焊工藝特點、補焊方法適用性、補焊產(chǎn)生的缺陷控制和消除，并且在補焊之前做好充分的焊前準備，選擇合適的補焊參數(shù)，焊后進行合理的冷卻方法，必要時進行合適的后處理方法，從而最終確保鈦及鈦合金制件的補焊質(zhì)量?？捎糜阼T造鈦合金的補焊方法有氬弧焊、電子束焊、等離子焊、激光焊等，為此，需要綜合各方面因素考慮，選擇最佳的補焊方法。

1 鑄造鈦合金補焊特性

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的，但是，在補焊過程中，合金在熔滴和熔池狀態(tài)下與氫、氧、氮等元素發(fā)生強烈的反應(yīng)，如果沒有很好的氣氛保護，在鈦合金補焊后極易表面氧化、氣孔和脆化缺陷。氣孔的出現(xiàn)會使鈦合金補焊區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，并減小受力面積，嚴重影響補焊區(qū)強度。脆化也會導致產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋，造成產(chǎn)品性能失效。

圖1 補焊缺陷照片F(xiàn)ig.1 Welding repair of defect

2 鑄造鈦合金補焊缺陷影響因素

2.1 氧

氧的吸入會使鈦合金在高溫時發(fā)生氧化，形成新的氧化物，如氧化鈦、二氧化鈦，這些氧化物的產(chǎn)生會導致補焊區(qū)塑性下降，在殘余應(yīng)力作用下，嚴重時會發(fā)生脆性裂紋，因此，為了得到極好的補焊性能，需要在補焊過程中防止補焊區(qū)和熱影響區(qū)吸氧而發(fā)生氧化。通常，補焊區(qū)和補焊熱影響區(qū)的表面顏色是氧化程度的標志。銀白色表示無氧化，淺黃色、黃色表示輕微氧化，淺藍色、藍色表示氧化較嚴重，深藍色或灰色表示氧化極其嚴重。

2.2 碳

在鈦合金補焊中，碳的存在會使金屬塑性有所下降，在補焊應(yīng)力作用下，極容易出現(xiàn)裂紋。碳的來源主要是氣氛、鑄件表面污染、石墨工裝等。

2.3 氫

氫脆問題一直是鈦合金使用過程中被廣泛關(guān)注的問題。氫元素極易在高溫下擴散入鈦合金基體中，會導致補焊區(qū)裂紋出現(xiàn)。這是由過量氫形成的氫化物所造成的。在鈦合金補焊中，如果有氫的吸入，會使補焊區(qū)產(chǎn)生較大力學性能的變化，其塑性和韌性顯著降低。

2.4 氮

氮對補焊質(zhì)量的主要影響是在補焊區(qū)產(chǎn)生氣孔和裂紋，出現(xiàn)這些缺陷后，補焊區(qū)的抗拉強度、硬度均會產(chǎn)生較大的變化。

3 鑄造鈦合金補焊后缺陷的檢測方法

鑄造鈦合金補焊后檢測的方法包括目視檢查、尺寸檢查、熒光滲透檢查、X光紅色線檢查等。目視檢查主要是為了評估氣體保護的好壞，通過焊后表面的顏色來判斷焊后可接受，還是不可接受。尺寸檢查主要是通過測量儀（如GOM光學測量儀、三坐標測量儀等）對焊后的變形、塌陷、凹凸、扭曲等做出判斷。滲透檢測主要是通過磁粉、熒光液等對焊后表面是否產(chǎn)生了表面裂紋進行確認。X光射線檢測主要是對焊后補焊區(qū)內(nèi)部進行探傷，來確認是否產(chǎn)生焊后的未熔合、氣孔、裂紋、夾雜等內(nèi)部缺陷，因此，射線檢測也成為了鈦合金焊后表面氣孔和裂紋、內(nèi)部氣孔和裂紋的應(yīng)用較廣泛的檢測方法。

4 鑄造鈦合金補焊缺陷的有效控制方法

4.1 鈦合金補焊氣孔的控制措施

做好焊前處理。補焊工件和焊料的表面狀況對補焊區(qū)的性能具有很大影響，因此必須選擇合適的方法去除掉工件和焊料表面的氧化皮、油污等。在鈦合金補焊領(lǐng)域內(nèi)，常見的方法有化學清理和機械清理兩種：① 機械清理，使用硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼刀對工件表面進行刮削，以去除氧化膜，油污、雜質(zhì)等； ②化學清理，使用氫氟酸和硝酸對工件及焊料進行表面清洗。

做好焊前烘干。在清洗的基礎(chǔ)上，補焊工件和焊料在焊前均需要使用烘箱進行烘干，確保干燥，以防止因為受潮而含有大量水分，避免在補焊過程中出現(xiàn)氣孔缺陷。

使用真空下惰性氣體保護。在補焊時，盡量在真空焊箱內(nèi)或采用惰性氣體保護，可以有效減少氣孔和表面氧化的產(chǎn)生。在鈦合金補焊的實際生產(chǎn)應(yīng)用中，常用的惰性氣體為氬氣，純度一般不低于 99.99%，露點一般在-40 ℃以下。

使用合適的補焊坡口形式。一般來講，選擇合適坡口的原則是，在滿足缺陷修復的條件下，盡量使補焊區(qū)域少、補焊填充金屬量少。因為補焊量越大補焊區(qū)域越容易吸氣、氧化，熱應(yīng)力越大，易導致補焊區(qū)產(chǎn)生補焊缺陷的概率升高，因此鈦合金工件補焊時一般選擇開設(shè)70°～80°的“U”型坡口形式。

使用合適的補焊工藝參數(shù)。影響鈦合金補焊質(zhì)量的補焊工藝參數(shù)主要有：保護氣體的流速、使用的補焊電流、補焊速度、焊道層數(shù)、焊絲直徑等。通常選擇合適的補焊工藝參數(shù)，可以提高補焊質(zhì)量，也可以提高工藝效率。

4.2 鑄造鈦合金補焊裂紋的控制措施

補焊工件及焊料的焊前預(yù)熱處理。在補焊前，需要對鈦合金工件進行整體均勻的預(yù)熱。如果不進行預(yù)熱，補焊時由于金屬局部的激熱，導致在補焊區(qū)附近產(chǎn)生較大的溫度梯度，會出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。在補焊前，采用預(yù)熱也就是減少這種激冷效應(yīng)，即減少應(yīng)力集中。換句話說，將工件進行均勻的整體預(yù)熱，可以減少補焊區(qū)域熱影響區(qū)的溫度梯度。另外，在焊料的選擇上，一般選擇與母材金屬相同的成分，當然，有時也是為了提高補焊區(qū)塑性，可經(jīng)常選擇比母材金屬低一級的焊料，這也是避免補焊區(qū)產(chǎn)生脆性裂紋的辦法。

焊后冷卻處理。焊后施行隨爐緩慢冷卻，可以降低冷卻速度，減少補焊區(qū)殘余應(yīng)力，對于結(jié)構(gòu)復雜易變形開裂的鈦合金結(jié)構(gòu)件，有助于降低補焊裂紋傾向。

焊后振動時效去應(yīng)力。使用振動時效設(shè)備對補焊工件進行處理，用以消除殘余應(yīng)力。目前應(yīng)用最廣泛的方法有兩種：一種是超聲振動，另一種是機械振動。

焊后真空熱處理去應(yīng)力。補焊工件在焊后會產(chǎn)生補焊應(yīng)力，補焊應(yīng)力在工件中的存在會降低補焊區(qū)的實際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴重時還會導致補焊工件的損壞。焊后真空熱處理是通過高溫將焊后應(yīng)力進行均勻穩(wěn)定釋放的過程。最常規(guī)的熱處理方法是將工件整體放入真空爐中，緩慢加熱到一定溫度，一般采用730～750 ℃，然后保溫一定時間，一般采用2～3 h，最后隨爐冷卻至室溫。由于鈦合金高溫下易氧化，所以必須真空熱處理或惰性保護氣氛下熱處理。

5 鑄造鈦合金補焊方法的優(yōu)缺點及選用原則

5.1 鎢極氬弧焊

氬弧焊是在惰性氣體氬氣的保護作用下進行的一種加料式電弧補焊方法。這種補焊電弧熱量集中、電流密度較高、熱影響區(qū)大，得到補焊區(qū)的補焊質(zhì)量高。補焊方法簡單易行，設(shè)備投資較少，成本較低。鎢極氬弧焊屬于明弧操作，熔池可觀性好，便于觀察和操作，技術(shù)容易掌握，不受補焊工件位置限制，可進行復雜構(gòu)件全位置補焊。目前該方法在鈦合金缺陷修復中使用最廣泛。

5.2 等離子弧焊

在鈦合金補焊中，等離子弧焊一般選用氬氣來進行保護，等離子弧補焊方法比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。由于其重復性差，導致等離子弧焊在鈦合金中一直不能很好推廣，還有另外一個原因是，補焊設(shè)備較貴，初次投資大，等離子弧焊槍及控制線路復雜，噴嘴使用壽命低，這些均對鈦合金補焊工藝的發(fā)展造成了一定的影響。

5.3 電子束焊

電子束焊是靠一束加速高能密度電子流撞擊工件，在被焊工件表面很小密積區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱量，形成“小孔”效應(yīng)，從而實施深熔補焊。真空電子束補焊工藝在鈦合金補焊中得到的補焊區(qū)質(zhì)量較高。電子束補焊方法的能束焦點小，熱量非常集中，因此電子束焊后得到的補焊區(qū)較窄，熱影響區(qū)極其小。補焊區(qū)的晶粒也比較均勻，致使補焊接頭的強度較高。當然，電子束補焊也具有一定的缺點，比如其需要在高真空環(huán)境下進行，因此，這導致補焊工件的尺寸具有一定的局限性，這將對補焊工件裝配質(zhì)量要求嚴格，因此電子束補焊方法在鈦合金補焊中無法進行大批量的生產(chǎn)應(yīng)用，也不適合復雜結(jié)構(gòu)件的全位置補焊修復。

5.4 激光焊

激光補焊，焊料可以采用絲材和粉料，具有能量密度集中、補焊區(qū)成形好、操作簡單、易實現(xiàn)自動化、可以實現(xiàn)精準修復等優(yōu)點。鈦合金的激光補焊區(qū)成形均勻、熔深和熔寬均很小，所以焊后變形較小。達到補焊質(zhì)量好，可實現(xiàn)精密補焊。然而，激光補焊成本較高，設(shè)備投資也比較昂貴，補焊工件位置需要非常精確，因此均需要投資制作專用工裝。在成本可控條件下，未來激光焊在鑄造鈦合金修復應(yīng)用中會越來越廣泛，是一個值得關(guān)注的新技術(shù)。

鑒于表1所述各種補焊方法優(yōu)缺點的對比，考慮到投資成本、工作效率、操作方法、質(zhì)量水平等綜合因素，鈦合金補焊生產(chǎn)中最優(yōu)選的是鎢極氬弧焊。鎢極氬弧焊可以獲得補焊質(zhì)量好、施焊效率高、操作方法易掌握、補焊變形較小、修復位置可達性高等較好的綜合性能。

表1 各種補焊方法優(yōu)缺點的對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of various welding repair methods

6 結(jié)論

在鑄造鈦合金補焊中，需要熟練掌握鈦合金的補焊特性，熟知產(chǎn)生補焊缺陷的影響因素，通過不同的檢測方法對焊后缺陷進行識別及分析，從而對補焊缺陷進行有效控制。通過優(yōu)選合適的補焊方法在鈦合金補焊中進行推廣及應(yīng)用，可有效提高鈦合金鑄件質(zhì)量、降低廢品率、減少成本、擴大應(yīng)用范圍。

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