前言

钛及钛合金具有比重量轻、比强度高、耐高温、抗腐蚀等优异的性能，且其工作温度范围较宽、焊接性能良好，因此在航空工业中得到了广泛的应用[1 − 6]。

某机零件材料为退火状态 TA1，α 相纯钛组织，具有良好的成形性及焊接性[7 − 10]。外型最大斜度超过20° ，为典型的薄壁环形曲面钛合金产品，由于冷成形时的拉深量大，变形量达到极限时，会从最薄弱的部位开裂，而焊缝抗拉强度往往较母材低，尤其焊缝与成形所受的拉力垂直时，焊缝承受的拉力最大，将成为最初的开裂部位。因此，亟需开展提升钣金成形件焊缝承载力的技术研究。

1、 试验方法

试验材料为 TA1，材料化学成分见表 1。焊接试板规格为 150 mm × 75 mm，厚度为 1.0 mm，采用对接接头形式，焊丝材料为 HTA1；焊后对焊缝宽度、焊缝厚度、焊接缺陷（X 射线检查）、拉伸性能和热处理后的硬度进行检测。

手工氩弧焊设备选用日本三社焊机 SanRex-300P；纵向自动氩弧焊焊机选用美国 JETLINE 焊机 LWS-48/LWP-24，分别采用了手工焊及自动焊的焊接方法，直流及脉冲的电流种类，填丝及不填丝的填充方式，辅以调整自动焊的焊接速度，试验具体焊接工艺及参数见表 2。

2 、焊接试验结果及分析

对试板进行焊接后，焊缝进行 X 射线检查、室温拉伸性能测试，记录断裂位置情况，计算焊缝抗拉强度，测量焊缝宽度、焊缝厚度，相关检查结果对比见表 3。

2.1 抗拉强度

根据 GJB 2505—1995《航空用钛及钛合金板、带材规范》规定，TA1 板材的室温抗拉强度应为 370～530 MPa，根据产品焊接标准要求，室温抗拉强度添加丝焊应不小于 90% 母材强度（333～477 MPa），不添加丝焊应不小于 85% 母材强度（314.5～450.5 MPa）。

从表 3 中数据可计算出添加焊丝的焊缝抗拉强度平均值为 497 MPa，不添加焊丝的焊缝抗拉强度为 484MPa，焊接试板抗拉强度均在合格范围内。

2.2 焊缝宽度

根据产品对焊缝的相关要求，1.0 mm 厚的钛合金焊缝宽度（正面和背面，一般正面宽度大于背面宽度）允许的最大值为 5.9 mm。从图 1 可知，焊缝正面宽度 4.7~7 mm，背面宽度 3.6~5.8 mm。在手工焊的情况下，因焊接速度和添加焊丝的快慢受焊工差异的影响，存在较大波动，4~6 号在同样焊接工艺参数下，焊缝宽度波动达 0.7 mm。在自动焊情况下，参数相同时，焊缝宽度波动大幅减小，11 号和 12 号焊缝宽度波动 0.1 mm，14 号和 15 号焊缝宽度波动也是 0.1 mm，相对于手动焊波动降低约 7 倍，因此，为了获得稳定的焊缝宽度，重点考虑应用自动焊接。从 10~18 号可以看出，自动焊时焊缝宽度受焊接电流的影响较大，随着焊接电流的增加，焊缝宽度不断增大；随着焊接电流的减小，焊缝宽度不断减小，主要原因是焊接电流增大导致焊接热输入增大，熔化金属增多，焊缝宽度增大。结合产品对焊缝宽度的要求不大于 5.9 mm，满足条件的参数为 10 号、11 号、13 号和 18 号。

2.3 焊缝厚度

根据产品对焊缝的相关要求，1.0 mm 厚的钛合金自动焊，焊缝厚度不能超出母材厚度的 10%，即不大于 1.1 mm。从图 2 可知，在添加焊丝的情况下，焊缝厚度显著增加（1.25 mm 以上），添加焊丝导致焊缝增高，且存在 0.06~0.11 mm 的波动，高度不均匀，会导致焊缝存在应力集中点，无法达到产品要求；在不添加焊丝的情况下，焊缝厚度在 1.2 mm 以下，手工焊接时焊缝厚度受人为因素影响波动较大；自动焊时，随着焊接工艺参数的减小，焊缝热输入较小，焊缝厚度逐渐减小，18 号焊缝厚度为 1.08 mm，能够满足产品要求。

结合以上分析，18 号既可以满足焊缝厚度要求，又可以满足焊缝宽度要求，可以达到产品焊缝标准。其焊接方式为自动氩弧焊，脉冲电流，不加丝焊。焊接过程中采用脉冲焊时，热输入随电流大小交替，热输入较少，脉冲电流对熔池有剧烈的搅拌作用，可促进气体逸出，降低了气孔缺陷出现的几率；且自动焊焊缝一致性好，焊后无需打磨即可达到产品要求。

2.4 焊后热处理

将采用自动氩弧焊、脉冲电流、不加丝焊接的18 号焊缝进行焊后真空去应力退火和真空退火 2 种不同的热处理制度，对焊缝进行硬度检测，选择有利于成形的热处理制度，提升焊缝的承载能力。去应力退火为在真空热处理炉中加热至 530 ℃，保温 15 min；真空退火为真空热处理炉中加热至 600 ℃，保温 30min。对母材及焊缝的显微硬度进行检查，检查结果见表 4。从表 4 可知，焊缝的显微硬度均高于母材硬度，这是因为在焊接时，焊缝金属经历了极速的加热熔化和凝固过程，形成了淬硬组织。在去除焊接应力以后，焊缝性能有所改善，但无法恢复至母材状态。对比真空退火和去应力退火的焊缝硬度可知，真空退火的焊缝硬度较去应力退火焊缝降低的多，更加接近母材硬度，材料软化，塑性增强，成形性能和焊缝承载能力提高。

2.5 焊缝结构承载能力

筒体类产品的焊缝设计一般与轴线平行，该类产品焊缝不承受成形载荷，或承受的成形载荷非常小，不足以将焊缝拉裂，但对于结构复杂径向差大的曲面钣焊件来说，塑性变形量达到一定程度时，因不添加焊丝的焊缝抗拉强度仅为母材的 0.85 倍，焊缝在成形拉力作用下容易开裂。因此，需要设计一种承载能力更高的焊接形式。

对成形时焊缝的受力情况进行分析（图 3），最大拉力 F 沿筒体周向分布，如图 3a 所示。为了防止成形中焊缝过载，需要将垂直焊缝的力降低，将成形拉力 F 分解到不同的方向，提高产品的焊缝承载能力如图 3b 所示。为此设计焊缝与成形拉力方向的角度 α，即焊缝与拉力方向呈 α 角度时能承受成形时的拉力；焊缝的承载力主要体现在焊缝垂直方向上的承载能力 F2，与焊缝平行方向所受的分力为 F1，母材抗拉强度为 R_m。

依据三角函数可知：

F=F₂/sinα     （1）

由于焊缝垂直方向的承载力 F₂ 确定，工件成形方式为冲压成形，筒体结构为由 2 段扇形料组成的锥筒，结合以上计算分析角度 α 越小焊缝承载能力越强，但是焊缝长度随 α 的减小而增长，焊缝过长会导致焊接难度增大，因此应选择适当的 α 值，结合工程经验选择 α = 45° 。此时焊缝的整体承载能力为：

斜焊缝的成形抗载能力提升为原来的倍，此时不添加焊丝的焊缝承载能力为：

由式（3）可知焊缝的承载能力已经超过母材的抗拉强度，在成形过程中焊缝不会开裂，能够满足成形要求。斜焊缝焊接的锥筒成形后的零件示意图如图 4所示。

3 、基于试验结果和焊缝结构分析的产品加工

结合分析结果采用 18 号焊接工艺参数、真空退火和 α = 45° 斜焊缝设计的方法，满足了焊缝尺寸要求，提高了焊缝的成形塑性，焊缝的承载能力提升为母材的 1.2 倍，避免了在较低拉应力状态下焊缝开裂问题。经试验验证，获得了符合设计要求的产品，成形后的产品如图 5 所示。

4、 结论

（1）采用自动氩弧焊、脉冲峰值电流 55 A，基值电流 27.5 A，焊接速度 120 mm/min，正反面氩气流量10 L/min、不添加焊丝的焊接方法焊缝满足要求。

（2）焊后真空退火比真空去应力焊缝的硬度有明显降低，提高了焊缝的塑性，更有利于塑性成形，解决了焊缝硬度高、塑性差，成形时容易产生开裂的问题。

（3）焊缝与拉力方向呈 45° 时，既有利于焊缝的焊接，又有利于提升焊缝的承载能力，承载能力提升为原来的 1.2 倍。

参考文献

［1］李军兆, 孙清洁, 于航, 等. 薄板TC4钛合金TIG电弧和激光焊接接头晶粒尺寸与微观组织[J]. 焊接学报, 2022,43（10）：57 − 62, 70.

［2］苗玉刚, 王清龙, 李春旺, 等. 中厚板钛合金激光−CMT复合焊接工艺特性分析[J]. 焊接学报, 2022, 43（8）：42 − 47.

［3］Duan Aiqin, Wang Zhenshu, Peng Huan, et al. Effect of undercut defect on deformation behavior TC4 titanium alloy laser welded butt joint under static tensile loading[J]. China Welding, 2020, 29（2）：30 − 37.

［4］Hou Jijun, Dong Junhui, Bai Xueyu, et al. Weld shape and microstructure of TC4 laser welding with activating flux of Na2SiF6[J]. China Welding, 2020, 29（4）：19 − 24.

［5］冯靖, 吕雪岩, 周晓锋, 等. 热连轧高强钛合金厚壁管道的TIG工艺及组织和性能[J]. 焊接, 2022（1）：8 − 13.

［6］魏小红, 刘瑞君, 肖梦智, 等. 厚板钛合金等离子−钨极氩弧复合焊接接头组织与性能[J]. 焊接, 2022（10）：32 − 36.

［7］黄志超, 宋天赐, 赖家美, 等. TA1钛合金自冲铆接接头疲劳性能及失效机理分析[J]. 焊接学报, 2019, 40（3）：41 −46.

［8］卢兵兵, 董梁. 超薄钛合金激光叠焊焊接特性[J]. 焊接,2021（5）：58 − 62.

［9］李军兆, 孙清洁, 于航. 高性能钛合金先进成形技术研究现状[J]. 钢铁钒钛, 2021, 42（6）：17 − 27.

［10］王艺, 毛小南, 臧运莲, 等. 钛及钛合金板材冲压成形及有限元模拟[J]. 钛工业进展, 2017, 34（5）：1 − 5.

第一作者： 冯栋，学士，工程师；主要从事航空发动机焊接技术的研究工作；10034982@qq.com。

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