TC18鈦合金高壓氣瓶電子束焊接研究

賈曉鵬，林樂(lè)剛,劉會(huì)杰

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 凱邁（洛陽(yáng)）氣源有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

TC18鈦合金材料為一種新型高強(qiáng)鈦合金，其具有強(qiáng)度高、密度小、抗腐蝕能力強(qiáng)的優(yōu)異特性，目前已廣泛應(yīng)用于航天、航空高壓貯箱、高壓氣瓶等。該型高壓氣瓶為某型飛機(jī)專用高壓氣瓶，可靠性要求高，由于鈦合金導(dǎo)熱性能差，氬弧焊熱影響區(qū)域較大，電子束焊接因具有高能量、高密度、熔深大、熱影響區(qū)小的特點(diǎn)而成為該型鈦合金首選焊接方式。但薄壁柱形高壓氣瓶電子束焊接內(nèi)部成型差、易產(chǎn)生飛濺、焊縫探傷易誤判等問(wèn)題較多，本文以4 mm厚度小型氣瓶為研究對(duì)象，提出一種合適的焊接工藝，為實(shí)際焊接生產(chǎn)提供了一定的理論支撐。

1 高壓氣瓶電子束焊接方法

1.1 原材料力學(xué)特性

該氣瓶原材料為TC18鈦合金，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

表2 力學(xué)性能

1.2 氣瓶結(jié)構(gòu)

目前鈦合金高壓氣瓶電子束焊接接頭普遍采用的對(duì)接、插接和搭接方式如圖1所示。

圖1 焊接接頭

在高壓容器的設(shè)計(jì)中，搭接焊接接頭因在容器充放氣過(guò)程中，易形成氣體渦流而影響氣瓶使用壽命及安全性，對(duì)接接頭因不好定位，易造成焊接接頭兩端基體偏差而不被使用；插接接頭因定位簡(jiǎn)單、裝夾方便而被普遍采用。該高壓氣瓶主要由瓶頭、瓶體和瓶尾焊接組成，如圖2所示。形成相對(duì)封閉的形腔，使用時(shí)，通過(guò)氣瓶上安裝的轉(zhuǎn)接塊、充氣閥，將瓶中的高壓高純氮?dú)赓A存起來(lái)。

圖2 氣瓶組成示意圖

1.3 焊接工藝

電子束焊一般是指在真空環(huán)境下，利用會(huì)聚的高速電子流轟擊工件焊縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊金屬熔合的一種焊接方法[1]。焊接過(guò)程中能量集中，電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，焊接速度快，焊接變形小，焊接接頭快速熔化，然后迅速冷卻來(lái)達(dá)到焊接目的。

該氣瓶為高壓容器，工作壓力高，焊接接頭質(zhì)量等級(jí)要求為一級(jí)，焊縫厚度為4 mm薄壁容器，要求單面焊雙面成型，焊接難度大，易出現(xiàn)氣孔、飛濺等各種缺陷。焊接設(shè)備采用中型電子束焊機(jī)，焊接工藝如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

TC18鈦合金的加工性能良好，適合真空電子束焊接，但易被空氣、水分、殘留切削液等污染，產(chǎn)生氣孔及夾渣。氣孔為電子束焊接鈦合金時(shí)常見(jiàn)的焊接缺陷，焊接速度要適宜，根據(jù)不同的尺寸規(guī)格制定與之匹配的焊接速度，在焊接前必須要對(duì)焊接接頭進(jìn)行清理，一般采用機(jī)械清理與化學(xué)清洗的辦法。機(jī)械清理主要用不銹鋼絲輪對(duì)電子束焊接區(qū)域進(jìn)行刷洗清除；化學(xué)清理是在酸液中清洗，使焊件表面去凈雜質(zhì)。因化學(xué)清理工藝比較復(fù)雜，故一般采用機(jī)械清理，在氣瓶焊接零件表面清理之后，焊前還需要用酒精或丙酮擦洗干凈焊接區(qū)域表面，一般為焊縫兩側(cè)20 mm區(qū)域。清洗完成后按照GJB 1718A-2005《電子束焊接》及工藝要求進(jìn)行焊接。電子束焊接焊縫較直、較窄，易出現(xiàn)整圈焊縫局部未熔合現(xiàn)象，大大降低了焊接效率及焊接質(zhì)量，提高焊接返修率，在氣瓶零件定位裝夾到焊接過(guò)程中，先對(duì)焊接接頭兩端進(jìn)行定位，用百分表檢測(cè)焊接接頭兩端同軸度，要求小于0.2 mm后才開(kāi)始焊接，先進(jìn)行定位點(diǎn)焊，焊點(diǎn)應(yīng)盡量小，再進(jìn)行圓周焊接，單面焊雙面成型，電子束焊接外表面成型不好，應(yīng)對(duì)外表面進(jìn)行修飾焊接，使焊縫均勻、平滑美觀。鈦合金對(duì)溫度比較敏感，在400℃以上的高溫狀態(tài)，也極易被空氣中的各種雜質(zhì)污染，使得焊接接頭的延性及韌性下降，并引起氫氣孔。因此，電子束焊接完成后，要使焊接接頭在真空狀態(tài)下緩慢冷卻到一定溫度后，才可以對(duì)真空室充氣，取出氣瓶。

2 焊接效果與分析

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

焊接接頭內(nèi)、外表面如圖3所示。高壓氣瓶在電子束焊接后，按照焊接工藝要求對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)量，外形尺寸滿足要求，焊縫均勻、平滑過(guò)渡，無(wú)飛濺、焊瘤、未熔合、未焊透等缺陷，。焊接接頭按照NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分：射線檢測(cè)》及GJB 1718A-2005《電子束焊接》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，屬于I級(jí)焊縫。

圖3 焊接接頭內(nèi)、外表面

根據(jù)GB/T2651—2008要求，制備焊接接頭拉伸試片進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[2]，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 焊接接頭拉伸數(shù)據(jù)

根據(jù)GJB 1718A-2005《電子束焊接》：I級(jí) 接頭的的抗拉強(qiáng)度不低于母材金屬技術(shù)條件規(guī)定的材料抗拉強(qiáng)度下限值的90%[3]，該電子束焊接接頭綜合力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，焊后接頭強(qiáng)度與基體金屬相差不大。圖4為電子束焊接接頭金相照片，電子束焊接的快速冷卻作用在焊縫區(qū)形成了馬氏體組織，熱影響區(qū)組織為細(xì)小的針狀馬氏體和原始α＋β相的混合物。

圖4 焊接接頭金相照片

2.2 常見(jiàn)問(wèn)題及原因分析

電子束焊接常見(jiàn)缺陷為：內(nèi)部飛濺、咬邊、氣孔、未熔合、未焊透、探傷誤判等。危害性最大的就是未熔合，能在瞬間形成破壞，造成機(jī)毀人亡等。如圖5所示，氣瓶經(jīng)電子束焊接熱處理后爆破考核瓶頭瓶體直接開(kāi)裂。從焊縫失效現(xiàn)象分析，焊縫為典型未熔合結(jié)構(gòu)，上部熔合，底部未熔透。

圖5 氣瓶焊縫接頭形貌圖

經(jīng)復(fù)查設(shè)計(jì)圖樣可知，氣瓶瓶頭、瓶體接頭結(jié)構(gòu)為對(duì)接形式，為了方便定位，沿用了電子束焊接典型的卡扣接口形式，如圖6所示。焊接時(shí)，產(chǎn)品在真空室中進(jìn)行，通過(guò)觀察孔找正上部卡扣結(jié)合線后，定位點(diǎn)焊，再向主焊縫方向偏移H后進(jìn)行焊接。由于瓶頭、瓶尾為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，焊接瓶頭時(shí)，本應(yīng)向瓶體方向偏移，由于操作失誤，偏向了瓶頭方向，如圖7所示，由于電子束焊為高能束焊，焊接速度快，焊縫較直，且氣瓶?jī)?nèi)外焊縫形貌一致性好。氣瓶焊縫100%進(jìn)行了X射線無(wú)損探傷，焊縫質(zhì)量按NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分：射線檢測(cè)》進(jìn)行判定，氣瓶探傷結(jié)果評(píng)判時(shí)，因未熔合在探傷底片上顯示一般在焊縫中心位置，故將氣瓶未熔合線誤判為氣瓶電子束焊縫與基體結(jié)合線，因此，判定合格。X射線底片成像如圖8所示。

圖6 氣瓶焊接接頭形式

圖7 氣瓶焊接接頭形式

圖8 瓶頭X射線底片成像圖

在電子束焊接底片評(píng)定中，焊縫內(nèi)表面局部咬邊現(xiàn)象經(jīng)常性出現(xiàn)，如圖9所示。

圖9 焊縫X射線咬邊底片成像圖

電子束焊接為不加絲熔化焊接，與其他焊接方式不同，其他焊接當(dāng)方式如氬弧焊等一般采用加絲焊接，焊縫內(nèi)外表面成型都是通過(guò)填充焊絲得以實(shí)現(xiàn)，而電子束焊接通過(guò)高能束流直接熔化焊接，無(wú)外加焊絲填充，焊縫內(nèi)表面成型凸起勢(shì)必會(huì)引起氣瓶基體其他部分的補(bǔ)償損失，故在焊接底片上顯示為咬邊現(xiàn)象。焊縫的局部咬邊不大影響焊接接頭的整體質(zhì)量，為了對(duì)有咬邊現(xiàn)象的氣瓶整體安全性進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)氣瓶進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，氣瓶試驗(yàn)壓力高于設(shè)計(jì)要求爆破壓力且未破裂，焊縫整體性能滿足要求。為焊縫咬邊射線探傷提供了強(qiáng)度試驗(yàn)保證

2.3 改進(jìn)措施

1）完善焊接工藝文件，在工藝文件明確產(chǎn)品焊接前，在瓶體距H處做上標(biāo)記，施焊前，進(jìn)行方向確認(rèn)，防止焊接方向調(diào)整錯(cuò)誤。2）焊后用內(nèi)窺鏡檢查焊縫內(nèi)部情況，同時(shí)加強(qiáng)X射線探傷評(píng)定，并對(duì)疑似焊縫進(jìn)行剖切確認(rèn)，將剖切結(jié)果作為后續(xù)產(chǎn)品評(píng)定依據(jù)。3）電子束焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)焊縫凸起部分進(jìn)行補(bǔ)償，即采用鎖底對(duì)接方式，以此來(lái)彌補(bǔ)氣瓶?jī)?nèi)表面成型造成氣瓶基體的損失，也避免引起X射線探傷的誤判，提高探傷準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

1）優(yōu)化后電子束焊接工藝，在后續(xù)氣瓶焊接過(guò)程中，焊縫內(nèi)外表面成型良好，X射線探傷檢測(cè)為I級(jí)焊接接頭，并經(jīng)氣瓶水壓強(qiáng)度爆破試驗(yàn)考核，滿足設(shè)計(jì)及工藝要求；2）為TC18鈦合金氣瓶環(huán)縫焊接接頭及焊接方式提供了一種可行的焊接工藝；3）TC18鈦合金化學(xué)活性大，極容易被空氣中雜質(zhì)所污染，電子束焊接因焊接能量集中、熱影響區(qū)小、不加絲、在高真空狀態(tài)下焊接，成為其首選理想焊接方法。