摘 要：本文闡述了鈦合金材料的特點及焊接性，針對貯箱鈦合金管在手工鎢極氬弧焊接過程中出現(xiàn)的氧化和氣孔缺陷，設(shè)計了專用的防氧化工藝裝備，并制定了合理的焊接工藝，獲得了一次合格率98%的優(yōu)質(zhì)焊縫。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金；手工鎢極氬弧焊；焊接工藝

　　1 前 言

　　鈦及鈦合金具有比強度高、塑性和高溫抗蠕變性能良好等優(yōu)異特性。此外，它的韌性、高溫強度、成型性以及加工性都很優(yōu)異。因此，該合金在航天領(lǐng)域，特別是航天壓力容器的制造中應(yīng)用廣泛。

　　鈦及鈦合金具有良好的焊接性，鎢極氬弧焊、電子束焊等焊接方法在鈦及鈦合金的焊接中應(yīng)用廣泛。但是, 在焊接的過程中出現(xiàn)的氧化和氣孔問題又給焊接帶來了一定的難度。航天壓力容器研制中心針對貯箱內(nèi)芯在組焊過程中，由于結(jié)構(gòu)和空間的限制，某些管焊縫無法運用自動管焊機完成焊接，必須運用手工鎢極氬弧焊進行鈦合金管焊接的難題，通過設(shè)計專用防氧化工藝裝備和制定合理的焊接工藝，成功解決了其焊接難題，獲得了一次焊接合格率98%的優(yōu)質(zhì)焊縫。

　　2 鈦合金的焊接性

　　2.1 焊接接頭的氧化

　　鈦合金的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，與氧、氮、氫等元素有很大的親和力，在400℃以上時極易被空氣、水分、油脂、氧化物污染；超過600℃開始氧化, 650℃以上，雜質(zhì)擴散到鈦材中，達到足夠的量，產(chǎn)生脆化；超過700℃逐漸生成氧化膜，800℃以上氧化膜溶解在鈦材中。在焊接的過程中，鈦合金熔化，吸收氧、氮、氫、碳的速度快，使合金的強度和硬度增加，而塑性和韌性降低，焊縫易出現(xiàn)脆性斷裂。

　　2.2 氣孔

　　鈦合金材料在焊接過程中易出現(xiàn)氣孔。氣孔是鈦合金焊接最常見的缺陷，占缺陷的70%以上。焊接接頭中的氣孔易引起微裂紋和應(yīng)力集中，氣孔邊緣含氫量高，使焊接接頭的塑性、斷裂韌性、沖擊韌性、疲勞強度以及靜態(tài)強度均降低，甚至導(dǎo)致某些鈦合金焊接接頭發(fā)生斷裂。

　　2.3 焊接線能量對接頭性能的影響

　　為了使鈦合金焊接接頭熱影響區(qū)獲得一定的強度和良好的塑性，需要選用適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。在焊接過程中, 冷卻速度基本上是由焊接線能量決定的。隨著焊接線能量的增大，熱影響區(qū)的高溫停留時間增長，熱影響區(qū)面積增大，且晶粒變得粗大。用過大的焊接線能量進行鈦合金的焊接是不合適的，將導(dǎo)致焊接接頭塑性明顯下降。

　　3 焊接工藝

　　3.1 焊前準備

　　針對上述鈦合金的焊接特點，為了保證鈦合金管的焊接質(zhì)量，解決鈦合金材料焊接接頭的氧化和氣孔問題, 鈦管焊前須做以下工作：

　　3.1.1 合理選擇焊絲

　　焊接TC4鈦合金時，推薦采用TC4 鈦合金焊絲，這樣可改善焊縫的塑性。TC4鈦合金焊絲能保證鈦合金焊后無論是退火還是熱處理強化狀態(tài)，都有足夠高的強度和最大沖擊韌性。焊絲成分應(yīng)保證能用于各種類型的單層焊和多層焊。在焊縫金屬重復(fù)加熱和局部熔化時，不應(yīng)形成中間脆性相。

　　3.1.2 焊前焊件清理

　　焊前對鈦管表面上的氧化膜及油污等有機物進行徹底清理；對焊絲表面的水分、手印痕跡、油污、氧化膜以及灰塵等污染物進行徹底清理。如果焊接端面有剪切痕，要進行機械加工去除。

　　將鈦管和焊絲在5%HF+25%HNO3 +70%蒸餾水溶液中酸洗15~30s，酸洗液溫度為27~71℃。酸洗后先用熱水、冷水沖洗，并用白布擦拭鈦管內(nèi)外表面，置于200℃烘箱內(nèi)烘干。已清洗的鈦管放置時間不宜超過24h，為保持焊接件坡口處的清潔，干燥完畢后將鈦管裝入潔凈的塑料袋中，封口。焊絲應(yīng)放于150~200℃的烘箱內(nèi)待用。

　　3.1.3 焊接保護氣

　　焊接過程中采用高純度低露點氬氣，氬氣純度須≥99.99%，防氧化工藝裝備的通氣管道不宜采用橡皮管，以尼龍軟管為好。

　　3.2 焊接坡口

　　為了降低焊接接頭的應(yīng)力值，防止焊接裂紋，坡口結(jié)構(gòu)不但考慮熔透, 而且盡量減少根部熔合比。再者，鈦合金熔化時流動性大，為此取較小的坡口鈍邊，為0.5~1mm。坡口角度不宜過大，為60°~65°，以減少填充金屬量。坡口型式如圖1所示。

　　焊接坡口

　　3.3 防氧化工藝裝備 在鈦管焊接時，保護區(qū)域包括三部分：熔池的保護、焊縫熱影響區(qū)的保護以及鈦管的內(nèi)部保護。為了有效解決鈦管焊接的保護問題，獲得良好的焊接接頭，我們設(shè)計了專用的防氧化工藝裝備，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。焊接前，將完成定位點焊的鈦管及焊絲置于防氧化室內(nèi)，通過抽氣和充氬為鈦管的焊接提供一個良好的防氧化氛圍。

　　3.4 焊接工藝規(guī)范 手工鎢極氬弧焊焊接鈦管的焊接參數(shù)主要包括鎢極直徑、焊接電流、焊接電壓、焊絲直徑、焊接速度等。根據(jù)鈦合金材料的焊接特性分析，鈦管的焊接一般采用較小的焊接線能量, 推薦的焊接規(guī)范參數(shù)范圍如附表所示。

　　3.5 焊接 在正式焊接之前必須先焊接試件, 試件坡口形狀尺寸、焊接規(guī)范參數(shù)、氬氣純度、焊前準備等必須和正式產(chǎn)品一致，目的是檢驗選擇的焊接規(guī)范參數(shù)是否合適，是否達到最佳。試件的焊縫經(jīng)檢驗合格后，方可進行正式產(chǎn)品的焊接。鈦管焊接流程見圖3。

　　正式焊接時，焊工要思想集中，檢查焊接電壓、焊接電流是否正確，通氣管路、電機等工作是否正常，人員齊備各負其責(zé)，這時方可進行焊接。在焊接過程中，焊工要保持好鎢極與焊縫的距離，第1遍打底焊時，要確保反面能夠成形；第2遍填絲蓋面焊時，要嚴格控制焊接線能量和送絲速度，確保焊縫成形并圓滑過渡至母材。當(dāng)焊接結(jié)束時，焊接電流衰減方式要有利于改善弧坑的焊接質(zhì)量。焊接完成10min后方可打開防氧化工藝裝備、取出工件。完成焊接的鈦管從防氧化工藝裝備取出后，對所有的焊縫均作X射線檢查，要求所有焊縫必須滿足相關(guān)標(biāo)準要求。

　　4 結(jié)束語 航天壓力容器研制中心通過設(shè)計專用防氧化工藝裝備和制定合理的焊接工藝，成功攻克了鈦合金管鎢極氬弧焊的難題。通過以上工藝方法對鈦合金管施焊，經(jīng)X射線檢查，所有焊縫均達到了Ⅰ級焊縫要求。運用該焊接成果完成焊接的航天壓力容器用鈦合金管，焊接一次合格率達到了98%。