大厚度TC4钛合金球形舱体赤道缝电子束焊接制造基础性研究

大厚度TC4钛合金球形舱体赤道缝电子束焊接制造基础性研究

许德星顾康

东方汽轮机有限公司四川省德阳市618000

摘要：通过焊接线能量对大厚度TC4钛合金焊缝的熔深及横截面几何特征形貌进行了对比分析，结合横枪电子束非熔透焊的特性，建立了在拟定焊缝形貌几何尺寸下不同焊接工艺参数的优选方式，同时为实际横枪电子束非熔透焊接条件下焊缝几何尺寸不均匀性及缺陷提供了解决措施，为大厚度TC4钛合金球形舱体赤道缝电子束焊接制造提供了技术支持。

关键词：大厚度TC4钛合金；横枪电子束非熔透焊；几何尺寸不均匀性

0引言

TC4钛合金是目前工业生产中应用最为广泛的一种（α+β）两相型钛合金，因其具有质量轻，比强度和比刚度高，较宽的工作温度范围以及耐腐蚀等优异的综合性能，在航空航天、医药工程、化学机械及海洋工程等领域中的应用已占据重要的地位[1-2]。

钛合金具有弹性模量低、线膨胀系数小等特性；同时电子束焊接具有能量密度大、焊接速度快以及焊接变形小等特点。因此，对于大厚度钛合金大型重要承力空间构件的整体焊接制造，真空电子束焊接优势显著[3]。

1试验材料及方法

试验材料为δ60×100×200mm规格的TC4钛合金热轧板材，。焊接垂直于轧制方向进行，试板采用线切割以满足不同试验的需求，焊前对试板进行严格清理，对待焊区域及其附近20mm范围内进行机械清理，再用无水乙醇擦拭干净。

实际舱体精加工后单半舱体重量约1.8t，内径为SR1050mm，壁厚为56mm，拟通过电子束焊接赤道接缝实现上、下半舱体的合拢。鉴于实际产品尺寸大及焊接制造精度要求高的特点（舱体内壁不允许有焊接飞溅），为满足实际产品电子束焊接制造的要求，同时为确保试验的有效性和准确性，试验过程中统一选用电子束横枪进行非熔透性焊接试验。试验过程中通过焊接线能量大小考察对大厚度焊缝熔深及焊缝横截面几何形状的影响；结合横枪电子束非熔透焊的特性，通过在拟定焊缝形貌几何尺寸下对电子束焊接工艺参数进行优化选取。

2焊缝横截面典型几何特征形貌

电子束焊接具有焊缝深宽比大的特点，对于大厚度电子束焊接体现的尤为明显，大深宽比焊缝容易在熔深方向产生几何尺寸的不均匀性[4]。试验过程中对65mm厚电子束焊缝的几何特征形貌进行分析，对比、归纳出了三种典型的焊缝横截面几何特征形貌，如图1所示：

图1大厚度TC4钛合金电子束焊缝典型几何特征形貌

对上述试验结果进行对比分析可知，由于热输入大小及分布的不同，大厚度TC4钛合金电子束焊接时焊缝有三种典型的几何特征。图1中a）为典型的弧焊型焊缝类型，此种焊缝在热输入较小而未焊透的焊缝中出现，其形貌特征为上宽下窄，从焊缝顶部到底部，熔合线为连续平滑的弧形，与传统弧焊焊缝形貌相似，这种类型焊缝表现出明显的几何不均匀性。该类几何特征形貌的产生的原因主要是采用了相对较小的线能量，由于电子束斑点功率密度较小，表面金属蒸汽反作用力不够大，不足以穿透65mm厚TC4钛合金厚板，导致焊缝内的蒸汽流会向焊缝上部反冲，从而增加了焊缝上部的熔化量，出现了类似弧焊型焊缝。b）为平行型焊缝类型，其焊缝几何特征在于焊缝两侧熔合线几乎平行分布，焊缝在顶部和底部宽度接近，这种类型焊缝几何尺寸相对较规则。该类几何特征形貌产生的原因主要是因为线能量增加到一定值时，表面金属蒸汽反作用力足够大，实现了全熔透焊接，而熔透后蒸汽流从焊缝底部泻出，减小了向上的反冲作用，焊缝完全由电子束流的深穿入形成，因此两侧熔合线呈平行型分布。c）为钉型焊缝类型，其特征为焊缝上部有一焊缝明显较宽的区域，而在该区域以下的中部和下部有明显的变小。该类几何特征形貌的产生是因为焊接线能量进一步增大时，造成了热量在工件上部产生一定程度的堆积，焊缝上部熔化量较大，下部焊缝则由焊缝的深穿入形成。

从上述试验结果可知，焊接热输入过小或过大，都容易造成焊缝几何尺寸的不均匀性，而这种不均匀性将对焊缝接头性能造成一定程度的负面影响。

因此，焊接时应选择适中的焊接线能量，以获取几何尺寸相对均匀的平行型焊缝。

3电子束焊接工艺参数的优选

试验过程中为节约试板和提高试验效率，以目标熔深H为基础，按图2所示方式可在同一试板上进行6组不同焊接工艺参数下的熔深试验，试验过程中选择在最佳聚焦及加速电压和工作距离一定的情况下，对电子束流Ib和焊接速度V进行选择组合，同时对电子束扫描（方式、幅值、频率）用以改善焊缝质量，为满足实际产品制造精度要求，焊后分别进行锯削和线切割解剖、研磨以及在Kroll试剂（HF：HNO3：H2O=3：6：91，25s）腐蚀后焊缝横截面几何形貌对相应熔深值下的焊接工艺参数进行优选。

图2熔深试验方式

由上述分析可知，若要获取平行型焊缝，首先要保证焊缝熔透，并在熔透的前提下，应选择相对较小的焊接线能量，故在实际产品制造精度要求下的电子束非熔透焊接，不能获取平行型焊缝。焊缝上、下部分别留有5mm、8mm的加工补偿值。一方面，主要考虑到电子束非熔透焊时焊缝几何尺寸不均匀性对接头疲劳寿命的影响。其次，钛合金体积从固态到液态会增加约20%，因此在电子束非熔透焊接过程中必然会由于焊缝相变导致焊缝液态金属在焊缝表面的逸出，故在电子束横焊的过程中会使逸出的液态熔池金属在自身重力作用下造成在焊缝表面的下榻。再次，为避免电子束非熔透焊接时由于电源特性引起的针尖缺陷以及针尖位置极易出现的气孔造成对焊缝接头性能的影响。综上所述，焊前对焊缝上、下部进行合理的加工补偿值的预留，焊后进行加工截取后，不仅可以获取几何尺寸相对均匀的平行型焊缝，而且还可以避免在电子束横枪非熔透焊接过程中焊缝表面下榻及根部针尖等缺陷的产生。经24组熔深试验，最终优先出符合要求焊接工艺参数如表1所示：

表1优选出的电子束焊接工艺参数

4结论

1）通过焊接线能量大小对大厚度TC4钛合金焊缝熔深及焊缝横截面几何特征形貌进行了对比分析，建立了在拟定焊缝形貌几何尺寸下不同焊接工艺参数的优选方式；同时为实际横枪电子束非熔透焊接条件下的焊缝几何尺寸不均匀性及焊缝缺陷提供了解决措施。2）为实际大厚度TC4钛合金球形舱体赤道缝电子束焊接制造提供了理论依据和技术支持。

参考文献

[1]张秉刚，吴林，冯吉才.国内外电子束焊接技术研究现状.焊接.2004，（2）：5-8

[2]付鹏飞，黄锐，刘方军，左从进.TA12钛合金电子束焊接组织性能及残余应力分析.焊接学报.2007,28（10）：49-52

[3]许鸿吉，尹丽香.TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能.焊接学报.2005，26（11）：43-46

[4]陈玉华，戈军委，于大明等.TC4钛合金电子束焊接缺陷及其成因研究.南昌航空大学学报.2013,27（2）：69-72