50 mm 厚板TC4 及TA17 鈦合金真空電子束焊接工藝研究

李大東，白 威，鄧 健，陳 容，耿乃濤

（釩鈦資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,攀鋼集團(tuán)研究院有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、耐腐蝕、加工性能良好等特性，廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件及管道[1?2]。而鈦及其合金結(jié)構(gòu)件于上述工程領(lǐng)域的應(yīng)用更是離不開(kāi)各類(lèi)焊接技術(shù)。目前，適宜于鈦及其合金的焊接技術(shù)主要包括激光焊、鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊、等離子弧焊及真空電子束焊。近年來(lái)，鈦合金在核能、載人深潛器、航空航天等尖端領(lǐng)域的大量應(yīng)用，更是對(duì)鈦合金焊接缺陷防治、接頭服役性能提升等方面提出了更高要求。對(duì)比研究表明[3?4]，真空電子束焊接工藝具有能量密度高、焊縫熔深大、焊接變形小、工藝重現(xiàn)性好等優(yōu)勢(shì)，特別適合于對(duì)焊縫質(zhì)量要求較高的厚板鈦合金的焊接。為研究50 mm 厚度的TC4 和TA17 為典型代表的鈦合金真空電子束焊縫成形性，建立焊接數(shù)據(jù)庫(kù)快速應(yīng)用于焊接工藝制定，筆者開(kāi)展了加速電壓為150 kV 高壓和85 kV 中壓、不同焊接束流、不同焊接速度條件下的真空電子束焊接試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及物理特性差異

1.1 焊接試板及墊板

采用了實(shí)驗(yàn)室冶煉、鍛造生產(chǎn)的50 mm 厚度TC4 和TA17 鈦合金材料，其化學(xué)成分如表1 所示，產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足GB/T 3620.1?2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》相關(guān)要求。經(jīng)機(jī)械加工成650 mm×150 mm×50 mm 的焊接試板供真空電子束焊接試驗(yàn)。

表 1 TC4 和TA17 鈦合金化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical compositions of TC4 and TA17 titanium alloys %

為了避免束流相對(duì)過(guò)大造成焊接試板嚴(yán)重穿透焊漏，采用同樣成分的TC4 和TA17 鈦合金加工了20.0 mm×15.0 mm 帶5.0 mm×2.0 mm 凹槽墊板輔助焊縫成形，見(jiàn)圖1 所示。墊板有助于焊縫背部成形，避免嚴(yán)重穿透焊漏，以及消除底部氣孔和釘尖缺陷，提升焊縫成形質(zhì)量。

1.2 物理特性

采用JMATPRO 熱力學(xué)軟件分析了表1 中TC4 及TA17 鈦合金在25～1 800 ℃加熱溫度下的密度、比熱及熱導(dǎo)率變化情況，見(jiàn)圖2 和表2 。特別是比熱和熱導(dǎo)率熱物理性能的差異性評(píng)價(jià)，為后續(xù)電子束焊縫成型研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

表 2 25～1 800 ℃溫度區(qū)間內(nèi)鈦合金熱物理參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of thermophysical parameters of titanium alloys in the temperature range of 25～1 800 ℃

圖 1 焊縫墊板Fig.1 Weld backing plate

圖 2 TC4 和TA17 鈦合金熱物理參數(shù)曲線(xiàn)Fig.2 Thermophysical parameter curves of TC4 and TA17 titanium alloys

由圖2 和表2 可見(jiàn)，JMATPRO 熱力學(xué)軟件計(jì)算的TC4 及TA17 兩種鈦合金熱物理參數(shù)均隨著溫度的上升而連續(xù)變化。溫度在1 670 ℃左右時(shí)，由于溫度達(dá)到了材料熔點(diǎn)，導(dǎo)致鈦合金的比熱和熱導(dǎo)率物理參數(shù)變化顯著，TA17 鈦合金的熱導(dǎo)率卻明顯低于TC4 鈦合金。

2 真空電子束焊接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

厚度50 mm 的TC4 和TA17 試板表面經(jīng)機(jī)加工磨削后，用丙酮反復(fù)擦洗表面，以避免油污、雜質(zhì)等對(duì)試板焊接質(zhì)量的影響。同時(shí)墊板同樣采取丙酮擦洗表面油污。

為節(jié)約鈦合金焊接試板，安排焊縫長(zhǎng)度沿試板150 mm 寬度方向分布，焊縫橫向間隔30 mm，每條焊縫長(zhǎng)度110 mm。在焊接工件與電子束槍距離固定為200 mm、表面下聚焦（表面聚焦后上聚焦電流減20 mA）、電子束X/Y 軸圓形掃描200 Hz 的前提條件下，通過(guò)調(diào)整加速電壓、束流、焊接速度針對(duì)TC4 和TA17 鈦合金開(kāi)展不同工藝條件下的電子束焊接試驗(yàn)，從而研究不同焊接工藝條件對(duì)鈦合金焊縫表面形貌、熔寬、熔深及焊縫成形系數(shù)等的影響作用。

2.2 TC4 及TA17 鈦合金焊接工藝

表3 為不同工藝下TC4 及TA17 鈦合金電子束焊接工藝參數(shù)及焊縫背部成形對(duì)比情況。由表3可見(jiàn)，加速電壓、束流、焊接速度三個(gè)主要的工藝參數(shù)對(duì)焊縫正背面成形質(zhì)量影響最為顯著。其中束流對(duì)焊縫熔深影響尤為突出，隨著束流的增加，熔深顯著增大，熔寬緩慢降低，試板背面逐漸被熔透。為確保焊件被充分熔透，應(yīng)適當(dāng)提升焊接束流。而當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，由于功率不變，將導(dǎo)致熱輸入下降，有效熔深下降，不利于焊縫的熔透。TC4 和TA17鈦合金焊縫分別用C 和A 表示。

2.2.1 焊縫表面形貌

TC4 及TA17 鈦合金電子束焊縫表面形貌見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)。可見(jiàn)，焊接工藝參數(shù)變化直接影響到焊縫熔寬及表面成形，即使在同樣工藝參數(shù)條件下，TC4 與TA17 焊縫成形特別是熔透深度存在差異，主要體現(xiàn)在墊板背部匙孔的多與少，以及焊穿長(zhǎng)度95 mm 和65 mm 的差異性。直觀地表明，同樣焊接參數(shù)條件下TC4 較TA17 鈦合金容易熔透，這主要是相同溫度條件下TA17 熱導(dǎo)率較TC4 小的原因，TC4 更容易傳熱導(dǎo)致熔深相對(duì)較大。150 kV 高壓和85 kV 中壓的真空電子束焊接相比，同樣束流時(shí)，150 kV 高壓真空電子束焊接的熔深相對(duì)較大。所以對(duì)于中厚板鈦合金，應(yīng)該首選150 kV的高壓進(jìn)行焊接。

圖 3 TC4 及TA17 鈦合金焊縫外觀形貌Fig.3 Appearance of TC4 and TA17 titanium alloys weld

采用X 射線(xiàn)檢驗(yàn)了TC4 及TA17 試板上的28條焊縫（焊漏的C12、A12 焊縫除外）內(nèi)在質(zhì)量，確認(rèn)全部焊縫無(wú)氣孔缺陷，表明TC4 及TA17 鈦合金在真空電子束工藝條件下焊接性能良好。

表 3 TC4 及TA17 電子束焊接工藝參數(shù)及焊縫成形情況Table 3 EBW process parameters and weld forming situation of TC4 and TA17

2.2.2 焊縫橫斷面形貌

為了排除引弧和收弧處焊縫的不穩(wěn)定性因素的影響，在焊縫長(zhǎng)度方向的中心處鋸切取樣25 mm 厚度的焊縫試塊，磨削后制備焊縫橫截面低倍試樣。經(jīng)10%HF+13%HNO3水溶液浸蝕后顯示TC4 和TA17 焊縫橫截面低倍宏觀形貌，見(jiàn)圖4、5。截面觀察表明：所有焊縫成形良好，無(wú)氣孔、夾雜及裂紋等常見(jiàn)缺陷。采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量焊縫熔寬、熔深數(shù)據(jù)，計(jì)算焊縫成形系數(shù)，不同焊接工藝的焊縫熔寬、熔深及焊縫成形系數(shù)見(jiàn)表4、5。

圖 4 TC4 焊縫截面宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of TC4 weld section

圖 5 TA17 焊縫截面宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of TA17 weld section

由表4、5 可知，無(wú)論高壓150 kV 還是中壓85 kV 的真空電子束焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，熔深隨焊接束流增加而顯著增加，焊縫成形系數(shù)隨束流增加而緩慢增加。高壓150 kV 條件下的熔寬隨束流增加而緩慢減少；中壓85 kV 條件下的熔寬隨束流增加而緩慢增加。相同焊接工藝參數(shù)時(shí)，TC4 焊縫熔寬小于TA17，但熔深大于TA17，導(dǎo)致TC4 焊縫成形系數(shù)大于T17。

3 分析與討論

表1 中顯示TC4 鈦合金化學(xué)成分中主要元素Al、V 含量高于TA17，導(dǎo)致了兩種鈦合金在25～1 800 ℃溫度區(qū)間的密度、比熱、熱導(dǎo)率等參數(shù)各不相同?？傮w而言，TA17 鈦合金的密度略高于TC4 鈦合金，但其熱物理參數(shù)，特別是熱導(dǎo)率卻明顯低于TC4 鈦合金，表明TA17 鈦合金在真空電子束焊接熱循環(huán)下的熱傳導(dǎo)性能將遜色于TC4 鈦合金，主要表現(xiàn)在相同焊接參數(shù)條件下，TC4 鈦合金的熔深和焊縫成形系數(shù)大于TA17。焊縫C11 焊接后背部墊板出現(xiàn)密集型匙孔，而A11 背部墊板卻無(wú)匙孔，以及焊縫C12 和A12 焊穿長(zhǎng)度差異達(dá)到30 mm，這些宏觀現(xiàn)象也證實(shí)了兩種鈦合金熱傳導(dǎo)性能導(dǎo)致的差異。表4、5 更進(jìn)一步詳細(xì)地表明TC4 和TA17鈦合金成分差異導(dǎo)致相同焊接工藝參數(shù)條件下的熔深和焊縫成形系數(shù)之間的差異，TC4 相對(duì)TA17 鈦合金更容易焊接熔透。

表 4 TC4 和TA17 電子束焊接不同焊接流速下的熔寬、熔深及焊縫系數(shù)Table 4 Weld width,penetration and weld forming coefficient of TC4 and TA17 using EBW at different welding beam current

表 5 TC4 和TA17 電子束焊接不同焊接速度下的熔寬、熔深及焊縫系數(shù)Table 5 Weld width,penetration and weld forming coefficient of TC4 and TA17 using EBW at different welding speed

高壓150 kV 加速電壓條件下，束流90 mA 時(shí)，當(dāng)焊接速度在150～300 mm/min 范圍內(nèi)變化，TC4焊縫成形系數(shù)在2.54～3.82，呈倒“U”形先升后降，在焊接速度250 mm/min 時(shí)達(dá)到最大值3.82，再隨焊接速度的提高，熔深降低，焊縫成形系數(shù)下降。而TA17 隨焊接速度增加，焊縫熔寬顯著降低、熔深緩慢減小導(dǎo)致成形系數(shù)緩慢增加，但焊縫系數(shù)小于相同參數(shù)的TC4，TA17 最大焊縫形成系數(shù)僅3.02。在高壓150 kV、焊接速度250 mm/min 條件下，90 mA 束流焊接的焊縫熔深和成形系數(shù)與中壓85 kV、束流160 mA 基本相當(dāng)，表明中壓85 kV 時(shí)電子束穿透效果大幅度降低，熔深/束流效率降低43.8%。焊接速度150 mm/min 條件下，高壓150 kV 熔深/束流達(dá)到0.50～0.66 mm/mA，中壓85 kV 熔深/束流達(dá)到0.34～0.38 mm/mA，高壓的熔透效果最好。真空焊接時(shí)電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束通過(guò)150 kV 電場(chǎng)加速后的動(dòng)能更大，撞擊發(fā)熱作用更大，電子束對(duì)厚板熔池的挖掘作用更強(qiáng)，更容易熔透大厚板的鈦合金試板。所以，真空電子束高壓焊接時(shí)束流大小對(duì)熔深的作用特別顯著和突出，為了焊透大厚度的焊接試板，最有效的方法就是在150 kV 高壓條件下增加束流。

真空電子束焊接試驗(yàn)還表明增加焊接試板背面的墊板尤為重要，相同焊接參數(shù)，C12 和A12 焊縫背面未添加墊板而焊漏，甚至成切割狀態(tài)，TC4 焊縫焊穿長(zhǎng)度95 mm，而TA17 焊縫焊穿65 mm，由此表明TA17 的熱傳導(dǎo)性能弱于TC4，也表明真空電子束焊接時(shí)最好在焊縫背面采取墊板工藝措施，防止焊漏并保證焊縫成形。C13 和A13 采取添加墊板后，焊縫成形優(yōu)良呈釘形，TC4 焊縫成形系數(shù)3.22，TA17 焊縫成形系數(shù)2.13。與C13 焊縫相比，A13熔寬增加7.89 mm，熔深減少3.2 mm，焊縫成形系數(shù)降低1.09。

4 結(jié)論

1）由于TC4 和TA17 鈦合金成分的差異，導(dǎo)致TC4 的熱傳導(dǎo)系數(shù)高于TA17，致使相同焊接工藝參數(shù)條件下TC4 熔深及焊縫成形系數(shù)均高于TA17，TC4 鈦合金相對(duì)更容易熔透。

2）無(wú)論是高壓150 kV 還是中壓80 kV，隨著束流的增加，TC4 及TA17 電子束焊縫低倍形貌均由“鐘罩”形向“釘”形過(guò)渡且焊縫成形系數(shù)逐漸增大。150 kV 加速電壓更適合于大厚板鈦合金的真空電子束焊接。

3）焊接熱輸入的增加，熔深也隨之增加，但束流對(duì)熔深和焊縫成形系數(shù)影響能力最為突出。

4）TA17 在150 kV、焊接速度150 mm/min 條件下熔深/束流達(dá)到0.47～0.65 mm/mA，85 kV 條件下熔深/束流達(dá)到0.36～0.40 mm/mA。與同樣焊接工藝參數(shù)條件下的TC4 相比，TA17 熔深/束流相差低約0.1～0.3 mm/mA。