前言

鈦及鈦合金具有比重量輕、比強度高、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異的性能，且其工作溫度范圍較寬、焊接性能良好，因此在航空工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1 ? 6]。

某機零件材料為退火狀態(tài) TA1，α 相純鈦組織，具有良好的成形性及焊接性[7 ? 10]。外型最大斜度超過20° ，為典型的薄壁環(huán)形曲面鈦合金產(chǎn)品，由于冷成形時的拉深量大，變形量達到極限時，會從最薄弱的部位開裂，而焊縫抗拉強度往往較母材低，尤其焊縫與成形所受的拉力垂直時，焊縫承受的拉力最大，將成為最初的開裂部位。因此，亟需開展提升鈑金成形件焊縫承載力的技術(shù)研究。

1、 試驗方法

試驗材料為 TA1，材料化學(xué)成分見表 1。焊接試板規(guī)格為 150 mm × 75 mm，厚度為 1.0 mm，采用對接接頭形式，焊絲材料為 HTA1；焊后對焊縫寬度、焊縫厚度、焊接缺陷（X 射線檢查）、拉伸性能和熱處理后的硬度進行檢測。

手工氬弧焊設(shè)備選用日本三社焊機 SanRex-300P；縱向自動氬弧焊焊機選用美國 JETLINE 焊機 LWS-48/LWP-24，分別采用了手工焊及自動焊的焊接方法，直流及脈沖的電流種類，填絲及不填絲的填充方式，輔以調(diào)整自動焊的焊接速度，試驗具體焊接工藝及參數(shù)見表 2。

2 、焊接試驗結(jié)果及分析

對試板進行焊接后，焊縫進行 X 射線檢查、室溫拉伸性能測試，記錄斷裂位置情況，計算焊縫抗拉強度，測量焊縫寬度、焊縫厚度，相關(guān)檢查結(jié)果對比見表 3。

2.1 抗拉強度

根據(jù) GJB 2505—1995《航空用鈦及鈦合金板、帶材規(guī)范》規(guī)定，TA1 板材的室溫抗拉強度應(yīng)為 370～530 MPa，根據(jù)產(chǎn)品焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，室溫抗拉強度添加絲焊應(yīng)不小于 90% 母材強度（333～477 MPa），不添加絲焊應(yīng)不小于 85% 母材強度（314.5～450.5 MPa）。

從表 3 中數(shù)據(jù)可計算出添加焊絲的焊縫抗拉強度平均值為 497 MPa，不添加焊絲的焊縫抗拉強度為 484MPa，焊接試板抗拉強度均在合格范圍內(nèi)。

2.2 焊縫寬度

根據(jù)產(chǎn)品對焊縫的相關(guān)要求，1.0 mm 厚的鈦合金焊縫寬度（正面和背面，一般正面寬度大于背面寬度）允許的最大值為 5.9 mm。從圖 1 可知，焊縫正面寬度 4.7~7 mm，背面寬度 3.6~5.8 mm。在手工焊的情況下，因焊接速度和添加焊絲的快慢受焊工差異的影響，存在較大波動，4~6 號在同樣焊接工藝參數(shù)下，焊縫寬度波動達 0.7 mm。在自動焊情況下，參數(shù)相同時，焊縫寬度波動大幅減小，11 號和 12 號焊縫寬度波動 0.1 mm，14 號和 15 號焊縫寬度波動也是 0.1 mm，相對于手動焊波動降低約 7 倍，因此，為了獲得穩(wěn)定的焊縫寬度，重點考慮應(yīng)用自動焊接。從 10~18 號可以看出，自動焊時焊縫寬度受焊接電流的影響較大，隨著焊接電流的增加，焊縫寬度不斷增大；隨著焊接電流的減小，焊縫寬度不斷減小，主要原因是焊接電流增大導(dǎo)致焊接熱輸入增大，熔化金屬增多，焊縫寬度增大。結(jié)合產(chǎn)品對焊縫寬度的要求不大于 5.9 mm，滿足條件的參數(shù)為 10 號、11 號、13 號和 18 號。

2.3 焊縫厚度

根據(jù)產(chǎn)品對焊縫的相關(guān)要求，1.0 mm 厚的鈦合金自動焊，焊縫厚度不能超出母材厚度的 10%，即不大于 1.1 mm。從圖 2 可知，在添加焊絲的情況下，焊縫厚度顯著增加（1.25 mm 以上），添加焊絲導(dǎo)致焊縫增高，且存在 0.06~0.11 mm 的波動，高度不均勻，會導(dǎo)致焊縫存在應(yīng)力集中點，無法達到產(chǎn)品要求；在不添加焊絲的情況下，焊縫厚度在 1.2 mm 以下，手工焊接時焊縫厚度受人為因素影響波動較大；自動焊時，隨著焊接工藝參數(shù)的減小，焊縫熱輸入較小，焊縫厚度逐漸減小，18 號焊縫厚度為 1.08 mm，能夠滿足產(chǎn)品要求。

結(jié)合以上分析，18 號既可以滿足焊縫厚度要求，又可以滿足焊縫寬度要求，可以達到產(chǎn)品焊縫標(biāo)準(zhǔn)。其焊接方式為自動氬弧焊，脈沖電流，不加絲焊。焊接過程中采用脈沖焊時，熱輸入隨電流大小交替，熱輸入較少，脈沖電流對熔池有劇烈的攪拌作用，可促進氣體逸出，降低了氣孔缺陷出現(xiàn)的幾率；且自動焊焊縫一致性好，焊后無需打磨即可達到產(chǎn)品要求。

2.4 焊后熱處理

將采用自動氬弧焊、脈沖電流、不加絲焊接的18 號焊縫進行焊后真空去應(yīng)力退火和真空退火 2 種不同的熱處理制度，對焊縫進行硬度檢測，選擇有利于成形的熱處理制度，提升焊縫的承載能力。去應(yīng)力退火為在真空熱處理爐中加熱至 530 ℃，保溫 15 min；真空退火為真空熱處理爐中加熱至 600 ℃，保溫 30min。對母材及焊縫的顯微硬度進行檢查，檢查結(jié)果見表 4。從表 4 可知，焊縫的顯微硬度均高于母材硬度，這是因為在焊接時，焊縫金屬經(jīng)歷了極速的加熱熔化和凝固過程，形成了淬硬組織。在去除焊接應(yīng)力以后，焊縫性能有所改善，但無法恢復(fù)至母材狀態(tài)。對比真空退火和去應(yīng)力退火的焊縫硬度可知，真空退火的焊縫硬度較去應(yīng)力退火焊縫降低的多，更加接近母材硬度，材料軟化，塑性增強，成形性能和焊縫承載能力提高。

2.5 焊縫結(jié)構(gòu)承載能力

筒體類產(chǎn)品的焊縫設(shè)計一般與軸線平行，該類產(chǎn)品焊縫不承受成形載荷，或承受的成形載荷非常小，不足以將焊縫拉裂，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜徑向差大的曲面鈑焊件來說，塑性變形量達到一定程度時，因不添加焊絲的焊縫抗拉強度僅為母材的 0.85 倍，焊縫在成形拉力作用下容易開裂。因此，需要設(shè)計一種承載能力更高的焊接形式。

對成形時焊縫的受力情況進行分析（圖 3），最大拉力 F 沿筒體周向分布，如圖 3a 所示。為了防止成形中焊縫過載，需要將垂直焊縫的力降低，將成形拉力 F 分解到不同的方向，提高產(chǎn)品的焊縫承載能力如圖 3b 所示。為此設(shè)計焊縫與成形拉力方向的角度 α，即焊縫與拉力方向呈 α 角度時能承受成形時的拉力；焊縫的承載力主要體現(xiàn)在焊縫垂直方向上的承載能力 F2，與焊縫平行方向所受的分力為 F1，母材抗拉強度為 R_m。

依據(jù)三角函數(shù)可知：

F=F₂/sinα     （1）

由于焊縫垂直方向的承載力 F₂ 確定，工件成形方式為沖壓成形，筒體結(jié)構(gòu)為由 2 段扇形料組成的錐筒，結(jié)合以上計算分析角度 α 越小焊縫承載能力越強，但是焊縫長度隨 α 的減小而增長，焊縫過長會導(dǎo)致焊接難度增大，因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)?α 值，結(jié)合工程經(jīng)驗選擇 α = 45° 。此時焊縫的整體承載能力為：

斜焊縫的成形抗載能力提升為原來的倍，此時不添加焊絲的焊縫承載能力為：

由式（3）可知焊縫的承載能力已經(jīng)超過母材的抗拉強度，在成形過程中焊縫不會開裂，能夠滿足成形要求。斜焊縫焊接的錐筒成形后的零件示意圖如圖 4所示。

3 、基于試驗結(jié)果和焊縫結(jié)構(gòu)分析的產(chǎn)品加工

結(jié)合分析結(jié)果采用 18 號焊接工藝參數(shù)、真空退火和 α = 45° 斜焊縫設(shè)計的方法，滿足了焊縫尺寸要求，提高了焊縫的成形塑性，焊縫的承載能力提升為母材的 1.2 倍，避免了在較低拉應(yīng)力狀態(tài)下焊縫開裂問題。經(jīng)試驗驗證，獲得了符合設(shè)計要求的產(chǎn)品，成形后的產(chǎn)品如圖 5 所示。

4、 結(jié)論

（1）采用自動氬弧焊、脈沖峰值電流 55 A，基值電流 27.5 A，焊接速度 120 mm/min，正反面氬氣流量10 L/min、不添加焊絲的焊接方法焊縫滿足要求。

（2）焊后真空退火比真空去應(yīng)力焊縫的硬度有明顯降低，提高了焊縫的塑性，更有利于塑性成形，解決了焊縫硬度高、塑性差，成形時容易產(chǎn)生開裂的問題。

（3）焊縫與拉力方向呈 45° 時，既有利于焊縫的焊接，又有利于提升焊縫的承載能力，承載能力提升為原來的 1.2 倍。

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第一作者： 馮棟，學(xué)士，工程師；主要從事航空發(fā)動機焊接技術(shù)的研究工作；10034982@qq.com。

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