钛合金自动TIG 焊工艺技术研究

2021-05-02邓少平邓卫华黄江龙陈启芳

科技创新与应用 2021年12期

邓少平，漆诚，万慧，邓卫华，廖可，黄江龙，陈启芳，张龙

（航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌 330024）

钛有“第三金属”之称，比重轻，塑性韧性较好，其最大优点是比强度大。同时，还具有良好的耐热性、抗腐蚀性，其耐腐蚀性可超过1Crl8Ni9Ti 十倍。但是钛合金在高温下对氧、氮、氢和碳具有极大的亲合力，钛从250℃开始吸氢，从400℃开始吸氧，从600℃开始吸氮[1]，这给焊接带来了一定的难度。

目前国内企业如沈飞、成飞，已具备钛合金焊接技术。沈飞研究钛合金焊接技术已有多年的历史，它在多种钛合金焊接方法上有所运用，钛合金的手工氩弧焊和自动氩弧焊已经成功地应用在钛合金构件中，其先进的焊接方法，如激光焊和真空电子束也日益成熟，均能顺利地加工合格产品。成飞生产的歼十战机钛合金用量比历年飞机更多，在钛合金焊接方面也有一些应用。

由于钛合金具有良好的焊接性，所以飞机中的主承力焊接结构以钛合金为主[2]。飞机钛合金焊接方法以电子束焊、激光焊和氩弧焊为主，虽然高能束焊被称为先进焊接方法，且在关键重要结构得到广泛应用，但因为氩弧焊对装配精度要求较低，操作灵活，对非线性焊缝适应性强，所以飞机上应用最多的仍然是氩弧焊[3]。钛合金焊接性能与钢材料焊接性能有明显差异，尤其焊接过程中高于400℃区域的保护要求极高，为此需要开展钛合金焊接研究，现对钛合金自动氩弧焊工艺进行了试验研究。

1 试验材料与设备

1.1 材料

表1 脉冲TIG 焊参数

图3 焊缝正、反面示意图

取TA32-M 材料工艺试板，加工后的尺寸规格为800mm×100mm×1.5mm 和300mm×100mm×1.5mm。试验采用无填充焊丝TIG 焊接，需要准备好辅助材料：白手套、刮刀、丙酮、乙醇、不锈钢钢丝刷、砂布、干净抹布、3mm 厚小尺寸薄板两件和三个氩气瓶。

1.2 设备

试验采用交直流TIG 纵缝自动焊机（见图1）和焊缝正面的氩气保护拖罩，焊接采用心轴与铜衬垫板组合，铜衬上开有均匀的小孔。试验还需使用到数控切割机床，用于钛板下料和切割焊接件（注意钛板不能用剪板机切割）。无损检测采用X 射线探伤仪和X 光底片，力学性能测试需使用拉伸试验机，钛板焊前需采用酸洗设备进行酸洗，零件焊后热处理还需采用热处理炉。

2 试验方案设计

第一步：

选用尺寸规格为300mm×100mm×1.5mm 的钛板并进行酸洗，酸洗后采用不锈钢钢丝刷清理板材待焊侧的正反面附近15-20mm，直至板材表面呈金属光泽。然后采用刮刀沿一个方向刮两板材对接面，最后采用蘸有丙酮和乙醇的抹布将板材上的油污和水依次擦除。

试片焊接前用蘸有丙酮的抹布清理干净焊接台面。将一块钛板从心轴一侧底部塞入，将两块3mm 厚薄板的厚度方向沿焊接方向放置在铜衬的6mm 宽槽子里，焊接起始端和收弧端各放置一块薄板，待薄板贴紧槽口中位于薄板的反向侧时将钛板压住，将另一块薄板从心轴另一侧塞入，待薄板顶住前面已压紧的薄板时再将钛板压住（见图2）。

焊接之前对焊缝进行对中并向焊枪和保护装置通氩气半分钟，将焊接起始点设在离端面5mm 处，收弧点设在离尾端5mm 处，焊缝应一次焊完，收弧应填满弧坑、衰减电流，熄弧后继续供气防止氧化，工艺参数见表1。

将焊接后成形良好的试片进行X 光检测，同时试片按工艺要求规定进行热处理，热后对焊接件进行力学性能测试，确定最合适的焊接工艺参数。

第二步：

选用尺寸规格为800mm×100mm×1.5mm 的钛板，与规格为300mm×100mm×1.5mm 的钛板进行大致相同的操作。与之不同的是，焊接时采用的工艺参数是前期已确定最合适的工艺参数，焊接件仅进行X 光检测。

3 试验结果及分析

3.1 焊缝外观

钛合金焊缝表面颜色能够直接反映氩气保护效果，优质焊缝表面为光亮的银白色，其次是草黄色、棕色，再者是紫色、蓝色。

表2 TA32 接头抗拉强度值

采用脉冲TIG 焊方法，使用以上参数焊接的试片，正面焊缝除个别部位略呈草黄色外，其他都接近银白色，正面热影响区呈草黄色条带；背面焊缝除几个点是草黄、棕色外，其他都接近银白色，背面热影响区除个别两处是草黄色外，其余均接近银白色。对照工艺标准可知，以上表面颜色均符合HB/Z 120 中二级焊缝要求，见图3 所示。