TA19钛合金焊接工艺研究

张建国　孙艳萍　冯守胜（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁　沈阳　110043）

TA19钛合金焊接工艺研究

张建国孙艳萍冯守胜
（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043）

本文研究了锻造TA19（Ti6242）钛合金的手工钨极氩弧焊工艺技术，在选定的电流，保护气体流量等工艺参数下对TA19进行焊接，利用金相显微镜观察分析了焊接微观组织，并测试焊接接头的力学性能。研究结果表明，在选定的工艺参数条件下可以获得优质的焊接接头。

钛合金；焊接性；机械性能；金相组织

1　引言

随着钛合金材料在航空航天领域的广泛使用，钛合金的加工工艺研究也俞受关注，焊接作为钛合金加工中的重要手段，有着提高材料利用率，降低生产成本等优势，越来越受到人们的重视。

某发动机前机匣是使用TA19钛合金锻件经机加工制成，在机加工过程中发现某部件内部存在局部孔洞，如不能修补，该零件则无法满足设计要求，重新加工不仅耗时、耗力，而且新锻毛胚仍可能无法完全避免类似的缺陷，影响研制任务。为了满足生产的急需，需要研究缺陷补焊工艺，确保发动机产品质量和进度要求。

2　焊接工艺试验

本文试验采用同成分、同批次的锻件，经线切割取样成尺寸为100× 25×10mm的条形试片。将条形试片机加工成预制焊件坡口，单面坡口角度为30°进行焊接试验。焊接试样经真空炉退火处理（600℃，保温1小时），随后进行机械性能测试和金相组织观察以检验此工艺方法下TA19钛合金的可焊性。

2.1母材与焊丝

TA19系美国Ti6242合金的中国化名称，其组织结构主要为α相，属高铝当量、近α型热强钛合金，该合金中同时加入铝、锡、锆使高温抗蠕变能力得到明显改善。合金中加入2%的强β相稳定元素钼，使高温拉伸强度和热稳定性都得到提高。TA19是一种高强度、且有良好塑性的材料，其棒材典型的室温力学性能指标为：σb＞895MPa，（σ0.2＞825MPa），δ＞10%（ψ＞25%）。焊接时应选用与母材同成分的焊丝。

2.2试件焊接及焊接工艺参数的选择

2.2.1焊接试件

采用经线切割加工的试件进行焊接试验，焊件正反面开有60°坡口，对接间隙2mm。

焊接件使用夹具进行固定，以防止焊件变形，焊缝背面加铜垫板，以提高焊接接头区的散热能力，焊接时焊缝两面采用高纯度氩气进行保护，以防止焊接区氧化污染，同时应严格清理工件两侧表面，以保证工件的清洁，防止焊接接头被污染。为去除试件表面因线切割带来的过烧层，并满足理化检测的要求，将10mm厚的焊接试件经正反面刨削加工为6mm厚的拉力试片。由于板状持久检测试件取样困难，持久试验采用了小尺寸柱状试样，先将待焊接头区用砂轮打磨，去除氧化过烧层，抛光后，用丙酮溶剂清洗待焊区。

2.2.2试样焊接工艺

试样焊接的设备为HOBART-300S的多功能电焊机，采用对称焊方式施焊每一层焊缝，每层焊道厚度约为2.5mm～3.0mm。由于钛合金金属的元素活泼性，它在高温状态下与氧的亲和力强，且随温度的提高而加强，在温度高于649℃时，钛的抗氧化能力急剧下降，对其必须采取保护措施，以免受到空气的污染和受到氧和氮的作用而脆化。由于钛的上述特点，焊接时加强了对焊接区的惰性气体保护，并增加了焊缝背面保护措施，加大了焊枪喷嘴直径和氩气流量，同时在每层焊接过程中要分段完成，每段焊完后都要继续通气，保护高温及熔化区，同时加强高温区的冷却，使焊缝保护为未受污染的银白色金属。

焊后焊接接头经X射线检验未发现任何缺陷，焊接试片经600℃，1小时真空退火处理后进行了力学性能测试以及金相组织观察。

3　试验结果分析

3.1焊接接头强度性能分析

焊接接头试件性能见表1和表2。

从表1和表2可以看出，TA19焊接件焊接效果良好，室温拉伸力学性能测试中，断裂均发生在基体材料部分，这说明焊接接头强度可能更高于母材区域。因此，采用手工钨极氩弧焊工艺对TA19进行焊接，其焊接接头室温拉伸强度、高温持久强度满足技术条件的要求，机械性能稳定，并有保持着较高的塑性及韧性。

3.2焊接接头的金相组织与分析

由焊接金相试样的焊接接头金相组织观察可知，填充金属与母材熔合良好，焊接接头分为焊缝区、熔合区、热影响区和母材，而且随着到焊缝距离的变化热影响区的组织也不相同。焊缝组织晶粒细小、均匀，熔合区及热影响区没有晶粒长大现象，并未见冶金缺陷。

表1　焊接接头的室温拉伸性能

表2　焊接接头高温持久性能

4　试验结论

试验表明采用手工钨极氩弧焊方法，填充与母材相同成分的焊丝焊接TA19锻造合金，选择焊接电流70A，喷嘴直径20mm，氩气流量15L/min，背面保护气体流量3L/min，焊接层数4层，可以获得优质的焊接接头。试验结果表明，接头有很好的连续性，未出现焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和其他焊缝外观缺陷，金相组织及力学性能测试均满足技术条件的要求。该项工艺可以应用于TA19（Ti6242）锻件缺陷的补焊。

[1]焊接手册第四卷金属及焊接[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2]航空材料学[M].上海：上海科学技术出版社.

[3]陈祝年.焊接师手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

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