TA19鈦合金焊接工藝研究

張建國　孫艷萍　馮守勝（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧　沈陽　110043）

TA19鈦合金焊接工藝研究

張建國孫艷萍馮守勝
（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110043）

本文研究了鍛造TA19（Ti6242）鈦合金的手工鎢極氬弧焊工藝技術(shù)，在選定的電流，保護(hù)氣體流量等工藝參數(shù)下對(duì)TA19進(jìn)行焊接，利用金相顯微鏡觀察分析了焊接微觀組織，并測(cè)試焊接接頭的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，在選定的工藝參數(shù)條件下可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

鈦合金；焊接性；機(jī)械性能；金相組織

1　引言

隨著鈦合金材料在航空航天領(lǐng)域的廣泛使用，鈦合金的加工工藝研究也俞受關(guān)注，焊接作為鈦合金加工中的重要手段，有著提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的重視。

某發(fā)動(dòng)機(jī)前機(jī)匣是使用TA19鈦合金鍛件經(jīng)機(jī)加工制成，在機(jī)加工過程中發(fā)現(xiàn)某部件內(nèi)部存在局部孔洞，如不能修補(bǔ)，該零件則無法滿足設(shè)計(jì)要求，重新加工不僅耗時(shí)、耗力，而且新鍛毛胚仍可能無法完全避免類似的缺陷，影響研制任務(wù)。為了滿足生產(chǎn)的急需，需要研究缺陷補(bǔ)焊工藝，確保發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度要求。

2　焊接工藝試驗(yàn)

本文試驗(yàn)采用同成分、同批次的鍛件，經(jīng)線切割取樣成尺寸為100× 25×10mm的條形試片。將條形試片機(jī)加工成預(yù)制焊件坡口，單面坡口角度為30°進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接試樣經(jīng)真空爐退火處理（600℃，保溫1小時(shí)），隨后進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試和金相組織觀察以檢驗(yàn)此工藝方法下TA19鈦合金的可焊性。

2.1母材與焊絲

TA19系美國Ti6242合金的中國化名稱，其組織結(jié)構(gòu)主要為α相，屬高鋁當(dāng)量、近α型熱強(qiáng)鈦合金，該合金中同時(shí)加入鋁、錫、鋯使高溫抗蠕變能力得到明顯改善。合金中加入2%的強(qiáng)β相穩(wěn)定元素鉬，使高溫拉伸強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性都得到提高。TA19是一種高強(qiáng)度、且有良好塑性的材料，其棒材典型的室溫力學(xué)性能指標(biāo)為：σb＞895MPa，（σ0.2＞825MPa），δ＞10%（ψ＞25%）。焊接時(shí)應(yīng)選用與母材同成分的焊絲。

2.2試件焊接及焊接工藝參數(shù)的選擇

2.2.1焊接試件

采用經(jīng)線切割加工的試件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊件正反面開有60°坡口，對(duì)接間隙2mm。

焊接件使用夾具進(jìn)行固定，以防止焊件變形，焊縫背面加銅墊板，以提高焊接接頭區(qū)的散熱能力，焊接時(shí)焊縫兩面采用高純度氬氣進(jìn)行保護(hù)，以防止焊接區(qū)氧化污染，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格清理工件兩側(cè)表面，以保證工件的清潔，防止焊接接頭被污染。為去除試件表面因線切割帶來的過燒層，并滿足理化檢測(cè)的要求，將10mm厚的焊接試件經(jīng)正反面刨削加工為6mm厚的拉力試片。由于板狀持久檢測(cè)試件取樣困難，持久試驗(yàn)采用了小尺寸柱狀試樣，先將待焊接頭區(qū)用砂輪打磨，去除氧化過燒層，拋光后，用丙酮溶劑清洗待焊區(qū)。

2.2.2試樣焊接工藝

試樣焊接的設(shè)備為HOBART-300S的多功能電焊機(jī)，采用對(duì)稱焊方式施焊每一層焊縫，每層焊道厚度約為2.5mm～3.0mm。由于鈦合金金屬的元素活潑性，它在高溫狀態(tài)下與氧的親和力強(qiáng)，且隨溫度的提高而加強(qiáng)，在溫度高于649℃時(shí)，鈦的抗氧化能力急劇下降，對(duì)其必須采取保護(hù)措施，以免受到空氣的污染和受到氧和氮的作用而脆化。由于鈦的上述特點(diǎn)，焊接時(shí)加強(qiáng)了對(duì)焊接區(qū)的惰性氣體保護(hù)，并增加了焊縫背面保護(hù)措施，加大了焊槍噴嘴直徑和氬氣流量，同時(shí)在每層焊接過程中要分段完成，每段焊完后都要繼續(xù)通氣，保護(hù)高溫及熔化區(qū)，同時(shí)加強(qiáng)高溫區(qū)的冷卻，使焊縫保護(hù)為未受污染的銀白色金屬。

焊后焊接接頭經(jīng)X射線檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，焊接試片經(jīng)600℃，1小時(shí)真空退火處理后進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試以及金相組織觀察。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1焊接接頭強(qiáng)度性能分析

焊接接頭試件性能見表1和表2。

從表1和表2可以看出，TA19焊接件焊接效果良好，室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試中，斷裂均發(fā)生在基體材料部分，這說明焊接接頭強(qiáng)度可能更高于母材區(qū)域。因此，采用手工鎢極氬弧焊工藝對(duì)TA19進(jìn)行焊接，其焊接接頭室溫拉伸強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度滿足技術(shù)條件的要求，機(jī)械性能穩(wěn)定，并有保持著較高的塑性及韌性。

3.2焊接接頭的金相組織與分析

由焊接金相試樣的焊接接頭金相組織觀察可知，填充金屬與母材熔合良好，焊接接頭分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材，而且隨著到焊縫距離的變化熱影響區(qū)的組織也不相同。焊縫組織晶粒細(xì)小、均勻，熔合區(qū)及熱影響區(qū)沒有晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，并未見冶金缺陷。

表1　焊接接頭的室溫拉伸性能

表2　焊接接頭高溫持久性能

4　試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)表明采用手工鎢極氬弧焊方法，填充與母材相同成分的焊絲焊接TA19鍛造合金，選擇焊接電流70A，噴嘴直徑20mm，氬氣流量15L/min，背面保護(hù)氣體流量3L/min，焊接層數(shù)4層，可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。試驗(yàn)結(jié)果表明，接頭有很好的連續(xù)性，未出現(xiàn)焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔和其他焊縫外觀缺陷，金相組織及力學(xué)性能測(cè)試均滿足技術(shù)條件的要求。該項(xiàng)工藝可以應(yīng)用于TA19（Ti6242）鍛件缺陷的補(bǔ)焊。

[1]焊接手冊(cè)第四卷金屬及焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2]航空材料學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社.

[3]陳祝年.焊接師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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