鈦具有高比強(qiáng)度、耐高溫、高韌性、低密度、導(dǎo)熱性能好、較寬的工作溫度范圍和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，能在大多數(shù)酸、堿、鹽及海水中不腐蝕。因此，鈦在國(guó)防、航空、航天、石油、化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，鈦及鈦合金已經(jīng)成為航空航天工業(yè)的支柱之一。目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等均由鈦合金制造，即實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)全鈦化方案。在實(shí)踐中針對(duì)TC4鈦合金葉片（表1)，分析其焊接方法，總結(jié)出最佳工藝參數(shù)。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分

化學(xué)成分組	主要化學(xué)成分/%			雜質(zhì)（%）不大于
	Ti	AI	V	Fe	Si	C	N	H	O
Ti-6AI-4V	基	5.5~6.8	3.5~4.5	0.30	0.15	0.10	0.05	0.015	0.15

1、焊接方法的分析比較

TC4鈦合金具有較好的焊接性和塑性，由于鈦是一種活潑金屬，焊接后出現(xiàn)的突出問題是氣體等雜質(zhì)污染而引起焊接接頭脆化、氣孔和裂紋。

1.1 鎢極氬弧焊

TC4鈦合金化學(xué)性質(zhì)非常活潑，極易與氫、氧等氣體發(fā)生作用，因此焊接時(shí)要嚴(yán)格控制焊接材料純度，氬氣純度不低于99.99%， 氧含量應(yīng)小于0.002%, 氮含量應(yīng)小于0.005%, 氫含盤應(yīng)小于0.002% 。常用的鎢極氬弧焊方法存在能量密度低、焊接熔深淺等不足，直接影響其效果。焊接前，先將焊劑粉末用無水乙醇稀釋成糊狀，并刷涂在裝夾好的試件對(duì)接焊縫上表面，焊劑層的寬度約為10~15mm , 厚度約0.03mm。正、反面都要用氫氣保護(hù)。焊接規(guī)范如表2所示。

表2 TC4鈦合金手工鎢極氬弧焊規(guī)范

板厚   / mm	鎢極宜徑/ mm	焊絲直   徑／mm	焊接層數(shù)	焊接電流/A	電弧電壓/V	噴嘴直   徑/nm	氬氣流量/ (L.min-1)
							噴嘴	焊縫背面
≤2	2~3	2	1	50~80	11~13	16~18	13~15	6~10
3~4	3	2. 5	2~3	80~120	12~14	16~18	13~15	6~10
5~8	3~4	2.5~3	多邊多只	120~150	13~16	16~18	13~15	6~10

1.2 等高子弧焊

等離子弧的能責(zé)密度介千電弧與電子束之間，用等離子弧焊接鈦及鈦合金，能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。與氬弧焊比較具有熱影響區(qū)小、焊件變形較小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于鈦比重小，液態(tài)鈦表面張力較大，所以有利于進(jìn)行“小孔效應(yīng)”等離子弧焊，可焊接更厚一些的板材而不需要開坡口。既不必填充材料，又能一次焊好，減輕了基體金屬的過熱程度。有利于焊接區(qū)少受氣體污染，從而更進(jìn)一步提高了接頭的機(jī)械性能。

以8mm厚TC4鈦板為例，采用 等離子弧焊比采用鎢極氬弧焊提高效率5~6倍。其焊接規(guī)范見表3。

表3  8mm厚TC4鈦板等離子弧焊接規(guī)范

參數(shù)	數(shù)值	參數(shù)	數(shù)值
噴嘴孔徑/mm	3. 2	填充絲速度 / ( m/ h)	96
鎢極直徑/mm	5	填充絲直徑/ mm	1.0
鎢極內(nèi)縮/mm	1.2	離子氣 / (Li b)	350
焊接電流/A	250	熔池保護(hù)氣 / (L/ h)	1200
焊接電壓/V	25	拖 罩保護(hù)氣/ (Li b)	1500
焊接速度/ (m/h)	9	背面保護(hù)氣 (/ L/ h)	1500

1.3 真空電子束焊

應(yīng)用真空電子束焊焊接TC4鈦合金能獲得很高的接頭質(zhì)量。因?yàn)殡娮邮�能量密度大，溫度極高，焊縫深寬比可達(dá)25:1, 焊件不開坡口，可單邊快速焊接厚達(dá)50mm以上的鈦及鈦合金板，也能焊極薄的焊件。電子束接頭的熱影響區(qū)很窄，焊接變形盤很小，故可以焊接經(jīng)機(jī)械加工及熱處理后的精密零件。另外由于在真空室中(10-5mmHg ,1mmHg = 133.322Pa)焊接，氣氛非常純凈，焊縫所含氧 、氮、氫 晝遠(yuǎn)較氬弧焊低 ，再加上焊接接頭中晶粒長(zhǎng)大傾向很小，故整個(gè)焊接接頭性能優(yōu)良。

1.4 激光焊

激光焊具有其他焊接方法不具備的優(yōu)勢(shì)，激光具有其他普通光所完全不具備的特性，即方向性好、亮度高、單色性好以及相干性好等特性。激光焊主要利用激光光束的高度平行性、單色性和極高的功率密度或能量密度等特點(diǎn)，焊接時(shí)采用 YAG 激光器，最大功率為4kW, 工作表面被迅速加熱升溫、熔化并發(fā)生劇烈的汽化，巨大的金屬蒸汽反沖壓力使 液體金屬表面向下凹陷，形成凹坑，周圖熔化的金屬和內(nèi)部金屑蒸汽等離子體形成焊接熱源。激光焊焊接速度快，熱影響區(qū)小。

鈦合金焊接時(shí)，氣孔是最容易出現(xiàn)的缺陷，占所有缺陷的一半以上。為防止氣孔，試件表面涂堿金屬－堿土金屬的鹵化物，結(jié)果氣孔明顯減少，而且焊縫寬度減半，熔深增加一倍以上，這是因?yàn)閴A金屬－堿土金屬的鹵化物導(dǎo)入電弧區(qū)能使焊縫變窄，熔深增加。焊接過程中，氫氬氣從焊槍和焊接夾具兩面同時(shí)加人，正反面保護(hù)氣流進(jìn)都在10~26L/min之間變化，一般提前 送氣與延時(shí)閉氣時(shí)間為20~35s。

為了提高接頭激光焊后的性能，對(duì)接頭部位進(jìn)行了焊后熱處理，熱處理機(jī)制為480℃固溶強(qiáng)化＋空冷＋80 ℃時(shí)效10h熱 處理后接頭的強(qiáng)度有很大的提高，約為母材的95% , 有些試樣的抗拉強(qiáng)度甚至與母材相當(dāng)，但塑性略有下降。

2、結(jié)論

通過對(duì)TC4鈦合金常用的焊接方法進(jìn)行總結(jié)（如表4表示 ），得出最佳工藝參數(shù) ，重點(diǎn)研究了YAG激光焊接，通過對(duì)比可以看出激光焊接效果最好。

表4  TC4鈦合金焊接接頭一些性能的比較

焊接方法	板厚  /mm	焊縫寬度  /mm	熱影響區(qū)寬度/ mm	熱影響區(qū)晶粒尺寸/ mm
鎢極氬弧焊	1.65	1.9~9.5	2.50	0.89
鉛極氬弧焊	2.36	9.5~11.1	3.56~4.57	0.89
高壓電子束焊接	1.27	2.18	0.05	0.25~0.54
高壓電子束焊接	2.41	1.52	0.05	0.25~0.64
低壓電子束焊接	3.l8	3.56	1.27	0.25~0.64
激光焊接	2.87	0. 65	0. 03	0. 12~0. 26

 

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