α+β兩相型鈦合金中厚板箱體焊接變形控制方法

劉寧寧，景建元，趙海云，王艷玲

北京金宇順達(dá)科技股份有限公司 北京 100070

1 序言

α+β兩相型鈦合金（例如TC4）是鈦合金中最常用的材料。α+β兩相型鈦合金兼具良好的塑性和強(qiáng)度，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。鈦合金有化學(xué)性質(zhì)活潑的特點(diǎn)，在焊接過程中要注意焊接保護(hù)。另外鈦合金還有低導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，在焊后特別容易出現(xiàn)變形的情況[1，2]。由于α+β兩相型鈦合金中厚板箱體焊縫長度較大，為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，焊腳比較大，因此箱體變形比較大。為保證箱體最終形狀尺寸和后續(xù)使用，必須對(duì)焊接變形進(jìn)行控制[3]。

我公司承接某TC4中厚板箱體批量生產(chǎn)項(xiàng)目，對(duì)箱體形狀尺寸有極高的要求。所用TC4板材化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。箱體外形尺寸820mm×780mm×425mm，所用拼板厚度在5～12mm之間，主要使用8mm和10mm厚的TC4板材。此長方形箱體在高度方向2/3處設(shè)計(jì)橫向隔板，將箱體分成上下兩部分，上部分是一個(gè)空腔，下部分腔體增加兩塊貫穿的加強(qiáng)板，箱體下空腔要求焊縫具有密封性。整個(gè)箱體的外部各板均有裝配功能的方形或圓形孔，焊接過程中要注意對(duì)孔的保護(hù)。

表1 TC4板材化學(xué)成分和力學(xué)性能

采用一系列方法控制箱體的焊接變形，焊前為箱體設(shè)計(jì)專門使用的焊接夾具，夾具有定位和固定作用。箱體拼接之前在拼板邊緣處分別加工出鑲嵌凸臺(tái)和鑲嵌凹槽，這對(duì)拼板有固定作用。在焊接過程中，設(shè)定合理的焊接工藝，采用小熱輸入的方式，選用合理的焊接順序[4]，間斷焊接充分散熱。焊后對(duì)箱體整體采用真空熱處理。

2 箱體鑲嵌

為保證箱體拼接位置準(zhǔn)確，以及對(duì)焊接變形進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)出箱體的鑲嵌結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鑲嵌結(jié)構(gòu)設(shè)置在兩塊拼板上，兩塊拼板是角接關(guān)系，一塊板側(cè)面一部分搭接另一塊板上。在立板的側(cè)面設(shè)置加工出平鍵形狀的結(jié)構(gòu)，平鍵與立板連成一體，平鍵尺寸9mm×3mm。與立板對(duì)應(yīng)的底板平面邊緣位置設(shè)置鍵槽形狀的結(jié)構(gòu)，鍵槽尺寸9mm×3mm。鍵與鍵槽為過盈配合。鍵和鍵槽各自的間距均在100～200mm，鍵與鍵槽分別對(duì)應(yīng)。

圖1 箱體鑲嵌結(jié)構(gòu)

通過鑲嵌結(jié)構(gòu)的方式，立板緊密地固定在底板上，兩板之間的貼合緊密，不存在縫隙（見圖2）。兩塊板鑲嵌好之后，保持垂直狀態(tài)，然后進(jìn)行焊接，要求雙面焊接，內(nèi)部焊縫焊接后對(duì)外部焊縫位置加工出坡口，最后完成焊接。由于鑲嵌結(jié)構(gòu)的存在，兩板接觸位置不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移和變形等情況。鑲嵌結(jié)構(gòu)主要是應(yīng)用于箱體外圍拼板的拼焊。

圖2 箱體拼接后

3 焊接夾具

焊接夾具的主要功能是定位和固定。定位功能的實(shí)現(xiàn)要考慮夾具與箱體拼板的配合，利用拼板的邊緣和中間孔的位置計(jì)算出夾具的位置，通過各拼板的相對(duì)位置計(jì)算，從而確定夾具零件的相對(duì)位置。箱體焊接夾具如圖3所示，夾具設(shè)計(jì)整體固定于一個(gè)焊裝平臺(tái)上，焊裝平臺(tái)上有標(biāo)準(zhǔn)的定位孔、定位槽，夾具和箱體采用螺栓和抽銷機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定；夾具上設(shè)置滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，其連接彈簧，使夾具固定板與箱體拼板靠緊，之后固定固定板，固定板的固定使用滑塊與螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖緊。固定板的面積盡量大，保證與箱體的大面積的貼合，受力均勻。夾具各零件的相對(duì)位置要嚴(yán)格保證，這是確保焊接位置的基礎(chǔ)。

圖3 箱體焊接夾具

箱體的拼板在焊裝夾具上拼接點(diǎn)焊，然后進(jìn)行焊接。焊接之后存在焊接殘余熱量，因此必須等殘余熱量全部散失之后，方可將箱體從夾具上拆卸。

4 焊接工藝控制

4.1 焊接參數(shù)選擇

箱體焊接變形主要由焊接不均勻溫度場引起，進(jìn)而產(chǎn)生殘余焊接應(yīng)力和焊接變形。殘余焊接應(yīng)力不可避免，但可盡量減小。如果焊接熱輸入少，造成的不均勻溫度場就小，進(jìn)而產(chǎn)生的殘余焊接應(yīng)力就小。減小焊接熱輸入的主要方式就是減小焊接電流，并相應(yīng)調(diào)節(jié)其他焊接參數(shù)，使其符合焊接功能實(shí)現(xiàn)。

此項(xiàng)目中箱體焊接使用手工氬弧焊的方法。采用直流正接，焊接位置大多數(shù)是角接，焊接一層即可，焊接過程使用氬氣保護(hù)，在焊縫反面使用氬氣背罩保護(hù)。對(duì)常規(guī)的5～12mm厚的板角接焊接的焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，重點(diǎn)調(diào)節(jié)焊接電流。調(diào)節(jié)后實(shí)際采用的焊接參數(shù)見表2，所用焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3。

表2 TC4中厚板箱體焊接參數(shù)

表3 焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能

4.2 焊接順序

箱體在焊接夾具上按照要求位置組裝好后，氬弧焊點(diǎn)焊固定確定好位置。接下來在焊縫全焊接時(shí)，要按照一定的焊接順序進(jìn)行。整個(gè)施焊過程采用先間斷焊后滿焊的順序。為減小不均勻溫度場，控制殘余焊接應(yīng)力，要使焊接后焊縫熱量盡快散失。采用間斷焊的方式，可使焊縫與空氣相對(duì)接觸面積增大，加快熱量散失。間斷焊縫長度為60～100mm，焊縫的間距同為60～100mm。間斷焊接后對(duì)焊接接口位置進(jìn)行清理。待熱量完全散失之后，對(duì)焊縫間斷缺口進(jìn)行補(bǔ)全。

由于箱體中的焊縫比較長，因此對(duì)焊接的方向做出規(guī)定。箱體焊接時(shí)增加了之前鑲嵌結(jié)構(gòu)，還有焊接夾具，這為焊接時(shí)增加了約束。在有約束的情況下，如焊接方向?yàn)橥环较颍v向應(yīng)力較大，則焊接變形沿焊接方向會(huì)更大。如圖4所示，長方形示意為箱體上的某一拼板，四邊都有焊縫，四邊上的焊縫都規(guī)定為自中間向兩邊的方向進(jìn)行焊接，采用此焊接方向，焊縫縱向應(yīng)力會(huì)小，可減小焊接變形。

圖4 焊接方向設(shè)計(jì)

5 去應(yīng)力熱處理

通過上述多種方法的改進(jìn)，箱體焊接之后焊接變形控制問題基本得以解決。但是箱體中還存在著很大的殘余應(yīng)力，如果不消除會(huì)導(dǎo)致延遲變形，還可能引起冷裂紋，降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，因此焊后必須進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。

箱體焊后采用完全退火的方式，為避免箱體表面氧化污染，退火要在真空環(huán)境中進(jìn)行，真空度≤1×10-1Pa；在真空爐達(dá)到退火溫度之后，將箱體放進(jìn)爐中進(jìn)行退火；保溫一定時(shí)間后，箱體隨爐冷卻或者冷卻至300℃后空冷，去應(yīng)力退火工藝參數(shù)見表4。箱體去應(yīng)力退火之后，對(duì)其表面進(jìn)行徹底清理。

表4 TC4中厚板箱體焊后退火工藝參數(shù)

6 結(jié)束語

以TC4為代表的α+β兩相型鈦合金中厚板箱體焊接變形較大，影響最終使用，我公司承接中厚板箱體形狀尺寸要求嚴(yán)格。本文為控制焊接變形，采用一系列的方法，箱體拼裝時(shí)引入鑲嵌結(jié)構(gòu)、焊接過程夾具設(shè)計(jì)使用、焊接過程中進(jìn)行工藝控制，包括焊接參數(shù)的控制和焊接方向的選擇、箱體焊后去應(yīng)力熱處理。通過這一系列的特殊方法應(yīng)用，項(xiàng)目中的箱體焊接變形得到有效的控制，焊接變形控制在1mm/1000mm以下。

通過控制方法的研究，使產(chǎn)品得以優(yōu)質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行交付，產(chǎn)品質(zhì)量得到各方人員的肯定。此外，產(chǎn)品的良好使用效果，為這一系列方法在α+β兩相型鈦合金中厚板箱體焊接中的應(yīng)用提供了明確的佐證，可為其他類似工程生產(chǎn)提供良好的借鑒。