雷達鈦合金天線骨架焊接工藝研究

國營第零八七一總廠 （安徽六安 237010） 過石正

1. 概述

某雷達天線外形尺寸為12 000mm×5000mm（長×寬），是一個由壁厚3～6mm鈦合金管材經焊接成桁架結構的大型受力件，分五塊拼裝成形。為減輕該雷達天線的重量，滿足其快速架設的機動性指標，提高該產品的抗腐蝕性能，其天線骨架采用了鈦合金管材、板材經焊接成一體的結構形式。由于天線骨架需要承受十二級的風載荷以及天線的重力、天線轉動的慣性力等，因此如何解決好鈦合金的焊接是天線骨架能否成功的關鍵。

2. 鈦合金焊接難點

鈦合金的焊接一直是焊接工藝上的難題，這是由于以下原因使得鈦材的焊接產生了很多困難。

（1）鈦材化學活性大，不僅在熔化狀態下，即使在400℃以上的高溫固態下，也極易被空氣、潮濕、油脂、氧化膜等污染，吸收氧、氮、氫、碳等雜質，使焊接接頭的塑性和韌性顯著降低，并極易引起氣孔。因此，焊接時不僅要保護熔池、焊縫，同時對焊接部位附近溫度≥400℃的部位均需保護。

（2）由于鈦的熔點高、熱容量大、導熱性差，焊接接頭易產生晶粒長大的傾向，從而引起接頭塑性降低，因此對焊接的熱輸入要嚴格控制。另外，采用小電流、快速焊接的方法。

（3）焊接時由于在氫和焊接殘余應力的作用下，鈦材易導致冷裂紋，所以要控制焊接接頭的含氫量。另外，對復雜的焊接結構，需要在焊后進行消除應力處理。

（4）鈦的彈性模量是鋼的一半，因此焊接變形大，校正變形將相當困難。

3. 焊接鈦合金天線骨架特點

針對上述焊接難點，以往鈦材是將工件置于真空充氮氣的爐內進行焊接，顯然此焊接工藝方法的生產成本高、效率低，實用性受限制，特別是當天線骨架單塊外形尺寸在4719mm×1920mm×2034mm(長×寬×高)時的空間桁架結構件（見圖1）。五塊天線骨架經裝配后外形尺寸為12 000mm×5000mm×3500mm(長×寬×高)的大型結構件。這時由于工件尺寸太大，無法進真空爐內焊接，如在大氣環境中進行焊接，又極易因焊接開裂等缺陷而報廢。

圖1 某雷達天線骨架左一段

由于天線骨架需要承受十二級的風載荷以及天線自身的重力、天線轉動慣性力等的綜合作用，天線骨架焊縫的連接強度σs≥490MP，所以對焊接工藝提出了很高的要求，其焊接質量直接關系到產品和人身的安全性。

4. 焊接工藝

經大量工藝研究與試驗，并經方案評審與工藝確認后，形成了一種針對大型鈦材結構件進行氬氣保護的特種焊接工藝方法，其主要工藝技術如下。

（1）焊接設備 焊接設備：YC—300WX或YC—500WXⅡ交直流氬弧焊機，包括電源、控制箱、供氣供水系統。輔助設備：焊接十字平板、移動水箱、專用工裝。其他：防護面罩、噴嘴、鎢電極焊槍。

（2）特殊表面處理 焊前兩天內進行酸洗，配方如下：250mL/L HCl ，50g/L NaF，700gH2O。焊件在此溶液中浸泡15min，然后用流動水徹底沖洗干凈，低溫100℃烘干1h，使金屬表面呈全光亮銀白色。

（3）鎢極裝夾及伸出長度 焊接中應使鎢極處于整個噴嘴中心，不得偏斜，伸出長度適宜為5mm，鎢極頭部應磨成圓錐形，以使電弧燃燒集中、穩定。

（4）特殊的氣體保護 采取一邊焊接一邊手持噴槍射噴氬氣的保護方法，一人用焊槍焊完長30mm左右的焊縫后，然后由另一人向焊區及過熱區連續吹氬氣，并密切觀察焊縫的顏色。焊縫顏色是焊區溫度的另一種表現特征，待焊件冷卻到350℃以下時才可停止氬氣保護，一邊焊接一邊氬氣保護，不斷循環。焊接時不僅要用氬氣保護熔池、焊縫，同時還要對焊接區域附近≥350℃的部位均采取措施給予噴射氬氣保護，一邊施焊一邊保護的示意如圖2所示。這是一種特殊的氣體保護措施，也是焊接能否成功的關鍵所在。

圖2 一邊施焊一邊氣體保護方法

（5）焊接熱輸入 在保證焊縫充分焊透的條件下，選取小電流快速低熱輸入的焊接工藝方法，對于壁厚3～6mm管材，焊接電流取90A，以降低焊接區的溫度，焊接速度取15cm/min，這樣才能防止焊接接頭產生晶粒長大的傾向，同時又要保證焊縫的填實填滿，可靠地保證焊縫質量。

（6）氬氣流量參數 要選取合適的氬氣流量，氬氣流量太小，易受外來空氣的干擾；反之，氬氣流量過大，易產生紊流，最佳的流量在試驗中為18L/min，比焊接鋁合金材料大20%。

（7）噴嘴與焊件距離 應盡可能地縮短噴嘴與焊件的距離，為操作方便適宜取5mm。增大噴嘴直徑能增大保護區域，但過大會妨礙操作，宜取14mm，有些特殊位置如小角度處可以取8 mm。

（8）焊槍、焊件、焊絲間角度 采用短弧焊技術，并保持電弧的長度不變，焊槍、焊件、焊絲三者間的角度應正確，否則也很難得到理想的焊接效果。經大量的焊接試驗后得到焊槍、工件、焊條三者間的最佳角度，如圖3所示。

圖3 焊槍、工件、焊條三者間最佳角度示意

（9）氬氣保護區域與時間 焊前先對工件的焊接區域通氬氣25s，以使焊接區域內充滿氬氣，同樣，在焊完且斷弧后要繼續通氬氣保護，一般為35 s，直到焊件冷卻到350℃以下，否則將減弱氬氣的保護作用。

（10）焊接環境 ①焊接現場，包括專用工裝、通用工裝、焊件、焊槍、焊絲、工作場所均要保持清潔、干燥，無灰塵、油污、汗跡等，焊前均需清洗處理，不得用裸手直接接觸待焊部位。②施工環境溫度≥10℃，濕度≤70%。③施焊區域絕對禁止水或水汽滲入，不得有流動風。④當已組裝完成但來不及施焊的組件，應對焊接部位進行覆蓋保護，嚴禁落入灰塵或用手撫摸，并在焊接前對焊接部位再清潔一次。

（11）焊縫質量檢測 ①觀察焊縫外觀顏色來判別焊縫質量：焊縫外觀顏色從銀白色、淡黃色、金黃色、淡藍色、深藍色、直至灰色，焊縫的污染將加劇。焊縫外觀顏色是銀白色為優良；銀白色為主帶少量淡黃色、金黃色或淡藍色為合格，否則為不合格。②外觀宏觀檢測：主要借助眼睛、放大鏡等觀察焊縫，以檢查焊縫外部缺陷，如未焊透、焊瘤、燒穿、弧坑、表面裂紋及氣孔。焊縫不允許有裂紋、燒穿、未焊透、焊瘤及弧坑缺陷。③外觀尺寸檢測：借助測量工具測量焊件尺寸、形位公差。判定合格與否的依據是圖樣、工藝文件。④氣密性檢測：焊件內部充0.3MPa氣壓，表面涂肥皂水，或浸入水池中，觀察有無汽泡產生。判定合格的標準是充氣壓后保證密封。⑤無損探傷檢測：用超聲波檢測，以檢測內部氣孔、裂紋、夾渣、未焊透等缺陷符合圖樣工藝文件要求。焊縫內部不允許有裂紋、未焊透缺陷。

（12）焊后應力處理 對復雜的焊接結構件在焊后應進行去應力處理，一般用振動時效消除焊接應力，而不宜對焊件進行火焰或爐內退火。

5. 結語

用特殊的鎢極氬弧焊工藝方法來焊接某雷達鈦材天線大型骨架，經試樣拉伸測試其焊縫的抗拉強度σs≥535MPa，實現焊縫的連接強度與鈦母材等強度的要求，同時焊縫經X射線探傷檢測，焊縫外觀與內在質量均為Ⅰ級，焊縫經充氣檢測達到氣密封要求，尺寸、形位公差符合圖樣要求。

此焊接工藝方法不僅已成功應用于某雷達天線骨架上的多個批次，而且該雷達多年架設在沿海大風、鹽霧惡劣的環境中，由此證實此焊接工藝技術的可行性與實用性。