钛合金在航空航天应用中的焊接技术

2014-08-27方连军阚田田谭伟龙

中国新技术新产品 2014年11期

方连军阚田田谭伟龙

（沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

钛及钛合金是一种密度小、强度高、耐热性好、韧性高、导热性及抗疲劳性好、有着较宽的工作温度范围和优异的抗海水腐蚀性能及超低温性能等一系列优异性能的工程结构材料。因此，被广泛地应用于航空航天领域。钛及钛合金已经成为航空航天工业的支柱之一，相关资料表明，高性能钛及钛合金在航空航天工业中的应用占到了钛材总产量的70%左右。钛制设备虽然一次性投资较高，但全寿命费用较低，经济效益明显，目前高性能的飞机、坦克正在采用钛合金部件，先进发动机的压气机盘、压气机叶片、风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造。并且在石油化工部门中钛合金的范围也在逐渐扩展。而钛合金在飞机及其发动机等部方面的应用，不可避免的需要使用焊接手段进行连接，因此，钛合金的焊接方法在扩大钛合金的应用范围上具有重要作用。

1.钛合金的电子束焊

电子束焊目前越来越多地应用到钛合金的焊接中。电子束焊接是利用汇聚的高速电子轰击工件接缝处所产生的热能，使其加热、熔化、冷却结晶，形成焊缝的一种新型焊接技术。真空电子束焊，由于焊接过程是在真空环境中进行，杜绝了空气对焊缝的影响，所以焊缝的保护效果很好。可完全防止大气污染，易获得质量高于非真空环境下的焊缝。真空电子束焊焊接钛及钛合金具有独特的优势，表现为焊接冶金质量好，焊缝窄，深宽比大，焊接角变形小，焊缝及热影响区晶粒细小，接头性能好、焊接快。电子束焊焊后产生的晶粒大多是较均匀的等轴晶，焊接接头有较高的强度。

由于真空电子束焊接需要真空室，所以一般不适合于室外焊接以及大尺寸工件焊接，而且焊缝中易出现气孔，但塑性相对降低，结构尺寸易受真空室限制，不适合于大批量生产。

2. 钛合金的激光焊

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。自“小孔效应”的激光深熔焊得以实现，激光焊接技术迅猛发展，钛合金激光焊应用研究也得到了广泛重视。激光焊接具有高能量密度、热变形小、可聚焦、无接触加工、深穿透、高效率、高精度、热影响区狭窄、适应性强等优点，激光焊能焊接高熔点、难熔、难焊的金属，自动化和柔性化程度高，一般情况下不需要真空工作室。激光焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，焊缝的机械性能相当于或优于母材。基于激光焊接具有的诸多优势，它是二十一世纪先进的制造技术之一，受到世界各国的重视，广泛的应用于航空航天、汽车制造、电子轻工业等领域。中国的激光焊接处于世界先进水平，具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中，具有更广泛的应用前景。

激光焊也有其不足之处，它的穿透力不如电子束强，因此能够焊接的板材的厚度十分有限。激光焊接系统的成本通常高于传统的焊接设备，但由于激光焊的高生产率和高性能质量足以弥补此项缺憾，使得激光焊接系统在技术及经济上具有很强的综合竞争力。

3. 钛合金的等离子弧焊

等离子弧焊广泛用于工业生产，特别是航空航天等军工和尖端工业技术中，等离子弧焊也常用于钛及钛合金的焊接。等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法，它有两种基本方法：小孔型等离子弧焊及熔透型等离子弧焊。等离子弧焊具有能量集中、射流速度大、熔深大、电弧力强、焊缝窄、热影响区小、焊件不开坡口等特点，等离子弧的能量密度介于电弧与电子束之间，等离子射流可以直接穿透被焊工件，由于钛的比重较轻，重力作用较小，而且液态钛的表面张力较大，所以有利于形成“穿孔效应”进行等离子焊接，而且用等离子弧焊接钛及钛合金，能获得优质的焊接接头。目前，许多高精度、高质量的军用装备都已采用了等离子弧焊接方法。等离子弧焊既不需填充材料，又能一次性焊好，减轻了基体金属的过热程度。有利于焊接区减少气体污染，从而进一步提高了接头的机械性能。

4. 钛合金的钎焊

在钛合金构件的制造中，钎焊也是一种有效的连接方法，主要应用在钛合金复杂结构的制造中，如蜂窝结构，小型航空精密部件等。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的一种工艺方法。由于钛的高温活性强，钎焊一般在真空或隋性气体保护下进行。

钎焊在钛合金焊接中得到了广泛的应用，但是钎焊通常只用于焊接小型薄壁构件，不适合大厚度钛合金的焊接，另外，钎焊接头的强度也比较低。