鑄造鈦合金補焊技術研究進展

李廣東，石岳良

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發北京航空材料研究院，北京100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095）

鑄造鈦合金因為其密度小、比強度高、塑韌性好、耐腐蝕性好等優點，在結合精密鑄造技術基礎上，各類鈦合金鑄件被廣泛應用在航空、航天、航海、造船、化工、五金零件、體育用品、醫療器械等領域。鑄造鈦合金在成形過程中，會存在鑄造缺陷如縮孔、氣孔、裂紋、夾雜等，這些缺陷可以通過補焊技術消除。鑄造鈦合金補焊質量直接關系到鑄件的性能和使用壽命，因此，需要充分掌握鑄造鈦合金的補焊特性、補焊工藝特點、補焊方法適用性、補焊產生的缺陷控制和消除，并且在補焊之前做好充分的焊前準備，選擇合適的補焊參數，焊后進行合理的冷卻方法，必要時進行合適的后處理方法，從而最終確保鈦及鈦合金制件的補焊質量。可用于鑄造鈦合金的補焊方法有氬弧焊、電子束焊、等離子焊、激光焊等，為此，需要綜合各方面因素考慮，選擇最佳的補焊方法。

1 鑄造鈦合金補焊特性

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩定的，但是，在補焊過程中，合金在熔滴和熔池狀態下與氫、氧、氮等元素發生強烈的反應，如果沒有很好的氣氛保護，在鈦合金補焊后極易表面氧化、氣孔和脆化缺陷。氣孔的出現會使鈦合金補焊區出現應力集中，并減小受力面積，嚴重影響補焊區強度。脆化也會導致產品出現裂紋，造成產品性能失效。

圖1 補焊缺陷照片Fig.1 Welding repair of defect

2 鑄造鈦合金補焊缺陷影響因素

2.1 氧

氧的吸入會使鈦合金在高溫時發生氧化，形成新的氧化物，如氧化鈦、二氧化鈦，這些氧化物的產生會導致補焊區塑性下降，在殘余應力作用下，嚴重時會發生脆性裂紋，因此，為了得到極好的補焊性能，需要在補焊過程中防止補焊區和熱影響區吸氧而發生氧化。通常，補焊區和補焊熱影響區的表面顏色是氧化程度的標志。銀白色表示無氧化，淺黃色、黃色表示輕微氧化，淺藍色、藍色表示氧化較嚴重，深藍色或灰色表示氧化極其嚴重。

2.2 碳

在鈦合金補焊中，碳的存在會使金屬塑性有所下降，在補焊應力作用下，極容易出現裂紋。碳的來源主要是氣氛、鑄件表面污染、石墨工裝等。

2.3 氫

氫脆問題一直是鈦合金使用過程中被廣泛關注的問題。氫元素極易在高溫下擴散入鈦合金基體中，會導致補焊區裂紋出現。這是由過量氫形成的氫化物所造成的。在鈦合金補焊中，如果有氫的吸入，會使補焊區產生較大力學性能的變化，其塑性和韌性顯著降低。

2.4 氮

氮對補焊質量的主要影響是在補焊區產生氣孔和裂紋，出現這些缺陷后，補焊區的抗拉強度、硬度均會產生較大的變化。

3 鑄造鈦合金補焊后缺陷的檢測方法

鑄造鈦合金補焊后檢測的方法包括目視檢查、尺寸檢查、熒光滲透檢查、X光紅色線檢查等。目視檢查主要是為了評估氣體保護的好壞，通過焊后表面的顏色來判斷焊后可接受，還是不可接受。尺寸檢查主要是通過測量儀（如GOM光學測量儀、三坐標測量儀等）對焊后的變形、塌陷、凹凸、扭曲等做出判斷。滲透檢測主要是通過磁粉、熒光液等對焊后表面是否產生了表面裂紋進行確認。X光射線檢測主要是對焊后補焊區內部進行探傷，來確認是否產生焊后的未熔合、氣孔、裂紋、夾雜等內部缺陷，因此，射線檢測也成為了鈦合金焊后表面氣孔和裂紋、內部氣孔和裂紋的應用較廣泛的檢測方法。

4 鑄造鈦合金補焊缺陷的有效控制方法

4.1 鈦合金補焊氣孔的控制措施

做好焊前處理。補焊工件和焊料的表面狀況對補焊區的性能具有很大影響，因此必須選擇合適的方法去除掉工件和焊料表面的氧化皮、油污等。在鈦合金補焊領域內，常見的方法有化學清理和機械清理兩種：① 機械清理，使用硬質合金旋轉銼刀對工件表面進行刮削，以去除氧化膜，油污、雜質等； ②化學清理，使用氫氟酸和硝酸對工件及焊料進行表面清洗。

做好焊前烘干。在清洗的基礎上，補焊工件和焊料在焊前均需要使用烘箱進行烘干，確保干燥，以防止因為受潮而含有大量水分，避免在補焊過程中出現氣孔缺陷。

使用真空下惰性氣體保護。在補焊時，盡量在真空焊箱內或采用惰性氣體保護，可以有效減少氣孔和表面氧化的產生。在鈦合金補焊的實際生產應用中，常用的惰性氣體為氬氣，純度一般不低于 99.99%，露點一般在-40 ℃以下。

使用合適的補焊坡口形式。一般來講，選擇合適坡口的原則是，在滿足缺陷修復的條件下，盡量使補焊區域少、補焊填充金屬量少。因為補焊量越大補焊區域越容易吸氣、氧化，熱應力越大，易導致補焊區產生補焊缺陷的概率升高，因此鈦合金工件補焊時一般選擇開設70°～80°的“U”型坡口形式。

使用合適的補焊工藝參數。影響鈦合金補焊質量的補焊工藝參數主要有：保護氣體的流速、使用的補焊電流、補焊速度、焊道層數、焊絲直徑等。通常選擇合適的補焊工藝參數，可以提高補焊質量，也可以提高工藝效率。

4.2 鑄造鈦合金補焊裂紋的控制措施

補焊工件及焊料的焊前預熱處理。在補焊前，需要對鈦合金工件進行整體均勻的預熱。如果不進行預熱，補焊時由于金屬局部的激熱，導致在補焊區附近產生較大的溫度梯度，會出現應力裂紋。在補焊前，采用預熱也就是減少這種激冷效應，即減少應力集中。換句話說，將工件進行均勻的整體預熱，可以減少補焊區域熱影響區的溫度梯度。另外，在焊料的選擇上，一般選擇與母材金屬相同的成分，當然，有時也是為了提高補焊區塑性，可經常選擇比母材金屬低一級的焊料，這也是避免補焊區產生脆性裂紋的辦法。

焊后冷卻處理。焊后施行隨爐緩慢冷卻，可以降低冷卻速度，減少補焊區殘余應力，對于結構復雜易變形開裂的鈦合金結構件，有助于降低補焊裂紋傾向。

焊后振動時效去應力。使用振動時效設備對補焊工件進行處理，用以消除殘余應力。目前應用最廣泛的方法有兩種：一種是超聲振動，另一種是機械振動。

焊后真空熱處理去應力。補焊工件在焊后會產生補焊應力，補焊應力在工件中的存在會降低補焊區的實際承載能力，產生塑性變形，嚴重時還會導致補焊工件的損壞。焊后真空熱處理是通過高溫將焊后應力進行均勻穩定釋放的過程。最常規的熱處理方法是將工件整體放入真空爐中，緩慢加熱到一定溫度，一般采用730～750 ℃，然后保溫一定時間，一般采用2～3 h，最后隨爐冷卻至室溫。由于鈦合金高溫下易氧化，所以必須真空熱處理或惰性保護氣氛下熱處理。

5 鑄造鈦合金補焊方法的優缺點及選用原則

5.1 鎢極氬弧焊

氬弧焊是在惰性氣體氬氣的保護作用下進行的一種加料式電弧補焊方法。這種補焊電弧熱量集中、電流密度較高、熱影響區大，得到補焊區的補焊質量高。補焊方法簡單易行，設備投資較少，成本較低。鎢極氬弧焊屬于明弧操作，熔池可觀性好，便于觀察和操作，技術容易掌握，不受補焊工件位置限制，可進行復雜構件全位置補焊。目前該方法在鈦合金缺陷修復中使用最廣泛。

5.2 等離子弧焊

在鈦合金補焊中，等離子弧焊一般選用氬氣來進行保護，等離子弧補焊方法比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。由于其重復性差，導致等離子弧焊在鈦合金中一直不能很好推廣，還有另外一個原因是，補焊設備較貴，初次投資大，等離子弧焊槍及控制線路復雜，噴嘴使用壽命低，這些均對鈦合金補焊工藝的發展造成了一定的影響。

5.3 電子束焊

電子束焊是靠一束加速高能密度電子流撞擊工件，在被焊工件表面很小密積區域內產生巨大的熱量，形成“小孔”效應，從而實施深熔補焊。真空電子束補焊工藝在鈦合金補焊中得到的補焊區質量較高。電子束補焊方法的能束焦點小，熱量非常集中，因此電子束焊后得到的補焊區較窄，熱影響區極其小。補焊區的晶粒也比較均勻，致使補焊接頭的強度較高。當然，電子束補焊也具有一定的缺點，比如其需要在高真空環境下進行，因此，這導致補焊工件的尺寸具有一定的局限性，這將對補焊工件裝配質量要求嚴格，因此電子束補焊方法在鈦合金補焊中無法進行大批量的生產應用，也不適合復雜結構件的全位置補焊修復。

5.4 激光焊

激光補焊，焊料可以采用絲材和粉料，具有能量密度集中、補焊區成形好、操作簡單、易實現自動化、可以實現精準修復等優點。鈦合金的激光補焊區成形均勻、熔深和熔寬均很小，所以焊后變形較小。達到補焊質量好，可實現精密補焊。然而，激光補焊成本較高，設備投資也比較昂貴，補焊工件位置需要非常精確，因此均需要投資制作專用工裝。在成本可控條件下，未來激光焊在鑄造鈦合金修復應用中會越來越廣泛，是一個值得關注的新技術。

鑒于表1所述各種補焊方法優缺點的對比，考慮到投資成本、工作效率、操作方法、質量水平等綜合因素，鈦合金補焊生產中最優選的是鎢極氬弧焊。鎢極氬弧焊可以獲得補焊質量好、施焊效率高、操作方法易掌握、補焊變形較小、修復位置可達性高等較好的綜合性能。

表1 各種補焊方法優缺點的對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of various welding repair methods

6 結論

在鑄造鈦合金補焊中，需要熟練掌握鈦合金的補焊特性，熟知產生補焊缺陷的影響因素，通過不同的檢測方法對焊后缺陷進行識別及分析，從而對補焊缺陷進行有效控制。通過優選合適的補焊方法在鈦合金補焊中進行推廣及應用，可有效提高鈦合金鑄件質量、降低廢品率、減少成本、擴大應用范圍。

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