鈦合金自動TIG 焊工藝技術(shù)研究

鄧少平，漆 誠，萬 慧，鄧衛(wèi)華，廖 可，黃江龍，陳啟芳，張 龍

（航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責(zé)任公司，江西 南昌 330024）

鈦有“第三金屬”之稱，比重輕，塑性韌性較好，其最大優(yōu)點是比強度大。同時，還具有良好的耐熱性、抗腐蝕性，其耐腐蝕性可超過1Crl8Ni9Ti 十倍。但是鈦合金在高溫下對氧、氮、氫和碳具有極大的親合力，鈦從250℃開始吸氫，從400℃開始吸氧，從600℃開始吸氮[1]，這給焊接帶來了一定的難度。

目前國內(nèi)企業(yè)如沈飛、成飛，已具備鈦合金焊接技術(shù)。沈飛研究鈦合金焊接技術(shù)已有多年的歷史，它在多種鈦合金焊接方法上有所運用，鈦合金的手工氬弧焊和自動氬弧焊已經(jīng)成功地應(yīng)用在鈦合金構(gòu)件中，其先進的焊接方法，如激光焊和真空電子束也日益成熟，均能順利地加工合格產(chǎn)品。成飛生產(chǎn)的殲十戰(zhàn)機鈦合金用量比歷年飛機更多，在鈦合金焊接方面也有一些應(yīng)用。

由于鈦合金具有良好的焊接性，所以飛機中的主承力焊接結(jié)構(gòu)以鈦合金為主[2]。飛機鈦合金焊接方法以電子束焊、激光焊和氬弧焊為主，雖然高能束焊被稱為先進焊接方法，且在關(guān)鍵重要結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，但因為氬弧焊對裝配精度要求較低，操作靈活，對非線性焊縫適應(yīng)性強，所以飛機上應(yīng)用最多的仍然是氬弧焊[3]。鈦合金焊接性能與鋼材料焊接性能有明顯差異，尤其焊接過程中高于400℃區(qū)域的保護要求極高，為此需要開展鈦合金焊接研究，現(xiàn)對鈦合金自動氬弧焊工藝進行了試驗研究。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 材料

表1 脈沖TIG 焊參數(shù)

圖3 焊縫正、反面示意圖

取TA32-M 材料工藝試板，加工后的尺寸規(guī)格為800mm×100mm×1.5mm 和300mm×100mm×1.5mm。試驗采用無填充焊絲TIG 焊接，需要準(zhǔn)備好輔助材料：白手套、刮刀、丙酮、乙醇、不銹鋼鋼絲刷、砂布、干凈抹布、3mm 厚小尺寸薄板兩件和三個氬氣瓶。

1.2 設(shè)備

試驗采用交直流TIG 縱縫自動焊機（見圖1）和焊縫正面的氬氣保護拖罩，焊接采用心軸與銅襯墊板組合，銅襯上開有均勻的小孔。試驗還需使用到數(shù)控切割機床，用于鈦板下料和切割焊接件（注意鈦板不能用剪板機切割）。無損檢測采用X 射線探傷儀和X 光底片，力學(xué)性能測試需使用拉伸試驗機，鈦板焊前需采用酸洗設(shè)備進行酸洗，零件焊后熱處理還需采用熱處理爐。

2 試驗方案設(shè)計

第一步：

選用尺寸規(guī)格為300mm×100mm×1.5mm 的鈦板并進行酸洗，酸洗后采用不銹鋼鋼絲刷清理板材待焊側(cè)的正反面附近15-20mm，直至板材表面呈金屬光澤。然后采用刮刀沿一個方向刮兩板材對接面，最后采用蘸有丙酮和乙醇的抹布將板材上的油污和水依次擦除。

試片焊接前用蘸有丙酮的抹布清理干凈焊接臺面。將一塊鈦板從心軸一側(cè)底部塞入，將兩塊3mm 厚薄板的厚度方向沿焊接方向放置在銅襯的6mm 寬槽子里，焊接起始端和收弧端各放置一塊薄板，待薄板貼緊槽口中位于薄板的反向側(cè)時將鈦板壓住，將另一塊薄板從心軸另一側(cè)塞入，待薄板頂住前面已壓緊的薄板時再將鈦板壓住（見圖2）。

焊接之前對焊縫進行對中并向焊槍和保護裝置通氬氣半分鐘，將焊接起始點設(shè)在離端面5mm 處，收弧點設(shè)在離尾端5mm 處，焊縫應(yīng)一次焊完，收弧應(yīng)填滿弧坑、衰減電流，熄弧后繼續(xù)供氣防止氧化，工藝參數(shù)見表1。

將焊接后成形良好的試片進行X 光檢測，同時試片按工藝要求規(guī)定進行熱處理，熱后對焊接件進行力學(xué)性能測試，確定最合適的焊接工藝參數(shù)。

第二步：

選用尺寸規(guī)格為800mm×100mm×1.5mm 的鈦板，與規(guī)格為300mm×100mm×1.5mm 的鈦板進行大致相同的操作。與之不同的是，焊接時采用的工藝參數(shù)是前期已確定最合適的工藝參數(shù)，焊接件僅進行X 光檢測。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 焊縫外觀

鈦合金焊縫表面顏色能夠直接反映氬氣保護效果，優(yōu)質(zhì)焊縫表面為光亮的銀白色，其次是草黃色、棕色，再者是紫色、藍(lán)色。

表2 TA32 接頭抗拉強度值

采用脈沖TIG 焊方法，使用以上參數(shù)焊接的試片，正面焊縫除個別部位略呈草黃色外，其他都接近銀白色，正面熱影響區(qū)呈草黃色條帶；背面焊縫除幾個點是草黃、棕色外，其他都接近銀白色，背面熱影響區(qū)除個別兩處是草黃色外，其余均接近銀白色。對照工藝標(biāo)準(zhǔn)可知，以上表面顏色均符合HB/Z 120 中二級焊縫要求，見圖3 所示。

3.2 X 射線檢查

經(jīng)過X 光檢測可知，TA32 鈦合金自動鎢極氬弧焊焊縫只存在氣孔，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜等其他缺陷，且氣孔數(shù)量和大小均符合HB/Z 120 中二級焊縫要求。

3.3 力學(xué)性能測試

為了評定接頭的力學(xué)性能，對接頭拉伸性能進行了測試，在電子萬能材料試驗機上試驗，軸向加載，按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在室溫下進行測試。試片焊接后按工藝要求進行熱處理，熱后進行拉伸試驗，TA32 鈦合金焊接接頭拉伸試驗結(jié)果如表2 所示。

由試驗結(jié)果可以看出，TIG 焊接頭的室溫抗拉強度為母材抗拉強度的90.7%。

4 結(jié)論

（1）采用合適的工藝參數(shù)對1.5mmTA32 鈦板進行對接焊試驗，可以獲得外觀合格的焊縫。

（2）TA32 鈦合金自動鎢極氬弧焊焊縫只存在氣孔，且氣孔數(shù)量和大小均符合要求。

（3）對接頭拉伸性能進行了測試，TIG 焊接頭的室溫抗拉強度可以達到母材強度的90%。