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航空航天领域用TC4钛合金材料的常用焊接工艺

发布时间:2021-07-06 05:36:35 浏览次数 :

钛具有高比强度、耐高温、高韧性、低密度、导热性能好、较宽的工作温度范围和抗疲劳性好等优点,尤其是具有优异的抗腐蚀性能,能在大多数酸、碱、盐及海水中不腐蚀。因此,钛在国防、航空、航天、石油、化工等领域得到了广泛的应用,钛及钛合金已经成为航空航天工业的支柱之一。目前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,即实现压气机全钛化方案。在实践中针对TC4钛合金叶片(表1),分析其焊接方法,总结出最佳工艺参数。

钛合金叶轮

表1 TC4钛合金化学成分

化学成分组主要化学成分/%杂质(%)不大于
TiAIVFeSiCNHO
Ti-6AI-4V5.5~6.83.5~4.50.300.150.100.050.0150.15

1、焊接方法的分析比较

TC4钛合金具有较好的焊接性和塑性,由于钛是一种活泼金属,焊接后出现的突出问题是气体等杂质污染而引起焊接接头脆化、气孔和裂纹。

1.1 钨极氩弧焊

TC4钛合金化学性质非常活泼,极易与氢、氧等气体发生作用,因此焊接时要严格控制焊接材料纯度,氩气纯度不低于99.99%, 氧含量应小于0.002%, 氮含量应小于0.005%, 氢含盘应小于0.002% 。常用的钨极氩弧焊方法存在能量密度低、焊接熔深浅等不足,直接影响其效果。焊接前,先将焊剂粉末用无水乙醇稀释成糊状,并刷涂在装夹好的试件对接焊缝上表面,焊剂层的宽度约为10~15mm , 厚度约0.03mm。正、反面都要用氢气保护。焊接规范如表2所示。

表2 TC4钛合金手工钨极氩弧焊规范

板厚   / mm钨极宜径/ mm焊丝直   径/mm焊接层数焊接电流/A电弧电压/V喷嘴直   径/nm氩气流量/ (L.min-1)
喷嘴焊缝背面
≤22~32150~8011~1316~1813~156~10
3~432. 52~380~12012~1416~1813~156~10
5~83~42.5~3多边多只120~15013~1616~1813~156~10

1.2 等高子弧焊

等离子弧的能责密度介千电弧与电子束之间,用等离子弧焊接钛及钛合金,能获得优质的焊接接头。与氩弧焊比较具有热影响区小、焊件变形较小的优点。同时,由于钛比重小,液态钛表面张力较大,所以有利于进行“小孔效应”等离子弧焊,可焊接更厚一些的板材而不需要开坡口。既不必填充材料,又能一次焊好,减轻了基体金属的过热程度。有利于焊接区少受气体污染,从而更进一步提高了接头的机械性能。

TC4钛合金板

以8mm厚TC4钛板为例,采用 等离子弧焊比采用钨极氩弧焊提高效率5~6倍。其焊接规范见表3。

表3  8mm厚TC4钛板等离子弧焊接规范

参数数值参数数值
喷嘴孔径/mm3. 2填充丝速度 / ( m/ h)96
钨极直径/mm5填充丝直径/ mm1.0
钨极内缩/mm1.2离子气 / (Li b)350
焊接电流/A250熔池保护气 / (L/ h)1200
焊接电压/V25拖 罩保护气/ (Li b)1500
焊接速度/ (m/h)9背面保护气 (/ L/ h)1500

1.3 真空电子束焊

应用真空电子束焊焊接TC4钛合金能获得很高的接头质量。因为电子束能量密度大,温度极高,焊缝深宽比可达25:1, 焊件不开坡口,可单边快速焊接厚达50mm以上的钛及钛合金板,也能焊极薄的焊件。电子束接头的热影响区很窄,焊接变形盘很小,故可以焊接经机械加工及热处理后的精密零件。另外由于在真空室中(10-5mmHg ,1mmHg = 133.322Pa)焊接,气氛非常纯净,焊缝所含氧 、氮、氢 昼远较氩弧焊低 ,再加上焊接接头中晶粒长大倾向很小,故整个焊接接头性能优良。

1.4 激光焊

激光焊具有其他焊接方法不具备的优势,激光具有其他普通光所完全不具备的特性,即方向性好、亮度高、单色性好以及相干性好等特性。激光焊主要利用激光光束的高度平行性、单色性和极高的功率密度或能量密度等特点,焊接时采用 YAG 激光器,最大功率为4kW, 工作表面被迅速加热升温、熔化并发生剧烈的汽化,巨大的金属蒸汽反冲压力使 液体金属表面向下凹陷,形成凹坑,周图熔化的金属和内部金屑蒸汽等离子体形成焊接热源。激光焊焊接速度快,热影响区小。

钛合金焊接时,气孔是最容易出现的缺陷,占所有缺陷的一半以上。为防止气孔,试件表面涂碱金属-碱土金属的卤化物,结果气孔明显减少,而且焊缝宽度减半,熔深增加一倍以上,这是因为碱金属-碱土金属的卤化物导入电弧区能使焊缝变窄,熔深增加。焊接过程中,氢氩气从焊枪和焊接夹具两面同时加人,正反面保护气流进都在10~26L/min之间变化,一般提前 送气与延时闭气时间为20~35s。

为了提高接头激光焊后的性能,对接头部位进行了焊后热处理,热处理机制为480℃固溶强化+空冷+80 ℃时效10h热 处理后接头的强度有很大的提高,约为母材的95% , 有些试样的抗拉强度甚至与母材相当,但塑性略有下降。

TC4钛管

2、结论

通过对TC4钛合金常用的焊接方法进行总结(如表4表示 ),得出最佳工艺参数 ,重点研究了YAG激光焊接,通过对比可以看出激光焊接效果最好。

表4  TC4钛合金焊接接头一些性能的比较

焊接方法板厚  /mm焊缝宽度  /mm热影响区宽度/ mm热影响区晶粒尺寸/ mm
钨极氩弧焊1.651.9~9.52.500.89
铅极氩弧焊2.369.5~11.13.56~4.570.89
高压电子束焊接1.272.180.050.25~0.54
高压电子束焊接2.411.520.050.25~0.64
低压电子束焊接3.l83.561.270.25~0.64
激光焊接2.870. 650. 030. 12~0. 26

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