引言

鈦合金因其具有強度高、耐腐蝕、耐高溫等優異的綜合性能，廣泛應用于航空、航天、航海、化工等領域。隨著我國航空航天裝備的快速發展，大型化、復雜化的鈦合金結構件的應用逐漸增多，相比于傳統的結構鋼、鋁合金、不銹鋼，鈦合金結構件能夠在更加惡劣的工作環境中使用，能夠承擔更大的工作壓力，滿足航空航天領域對可靠性和持久性的要求  [1?3]。

薄壁鈦合金在航空航天中主要應用于蒙皮和壓力容器等產品，目前薄壁鈦合金的生產制造主要通過焊接完成，常用的焊接方法有激光焊、鎢極氬弧焊(TIG)、真空電子束焊，而鎢極氬弧焊由于工藝靈活性強，焊接過程穩定，適應全位置焊接，應用最為廣泛[4-5]。

本文以3mm厚TC4-M鈦合金為材料，采用手工TIG焊進行焊接試驗，研究薄壁鈦合金TIG焊焊接工藝和力學性能，為鈦合金TIG焊的應用提供指導與參考。

1、試驗方法

試驗材料采用3mm厚的TC4-M鈦合金板，其化學成分及力學性能分別見表1和表2。焊接試樣尺寸為360 mmx300 mmx3 mm，焊接試驗采用手工TIG焊。

表1 TC4-M化學成分(質量分數)(%)

表2 TC4-M力學性能

采用X射線按NB/T47013.2-2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》對焊接試板進行探傷，要求滿足QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術要求》中I級要求。

試板焊接完成后根據GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》的規定要求，采取垂直焊縫截面切割拉伸試樣，尺寸如圖1所示。截取3件拉伸試件，試件焊縫處于拉伸試樣中間，去除焊縫余高，采用萬能電子試驗機進行常溫拉伸性能試驗。

2、焊接工藝

2.1焊接材料

鈦及鈦合金焊接時，填充焊絲的成分一般應與母材的成分相同，為提高焊接接頭的塑韌性，可選用強度比母材稍低的焊絲，但要保證焊絲中的雜質含量比母材低，僅為一半左右。焊絲要求以真空退火狀態供貨，表面不得有燒皮、裂紋、氧化色、非金屬夾雜等缺陷存在。針對TC4-M材料，選用Φ3mm的TC4-M(GB/T3623-2007)焊絲進行焊接試驗，其化學成分見表3。要求焊接前嚴格篩選焊絲，若有夾渣、氧化物等雜質，應將這些部分剪去。

表3 TC4-M焊絲化學成分(質量分數)(%)

2.2坡口選擇

為減少焊縫的累積吸氣量，選擇坡口形式和尺寸時，盡量減少焊接層數和金屬填充量，以防止接頭塑性下降。因此針對3mm試板，選擇60°對接坡口焊，鈍邊高度為0.5mm，如圖2所示。

2.3試件清理

鈦合金表面附著的油污、雜質等可能引起焊接氣孔、裂紋等缺陷，嚴重影響焊縫質量，故焊前需在室溫條件下采用  φ(HF)3% +  φ (HNO₃ ) 35% +  H₂O的溶液清洗20 min，用清水清洗干凈并烘干。焊接時，采用合金鋼打磨頭清理焊接坡口及周圍30mm范圍，然后用丙酮清洗打磨部位，并采用干燥壓縮空氣吹干，打磨清理后的試板在4h內完成焊接。

焊絲使用前兩端剪去2~3mm，對焊絲進行干燥處理后采用600目金鋼砂紙整體打磨焊絲，保證表面光滑，為銀白色，并采用丙酮清洗干凈，及時用干燥空氣吹干。清洗完的焊絲存放時間為24h，超過24h的焊絲應重新清理。

2.4焊接保護

由于鈦合金對H,O,N具有極強的親和力,焊接過程中容易吸收空氣，導致焊縫氣孔和析出相增多，焊接接頭變脆，力學性能下降，因此需要嚴格保護焊接區域，使焊接熔池及300℃以上的熱影響區(包括焊件的正反面)與空氣隔絕。

焊接時，焊縫正面采用口徑為30mm的濾網磁嘴保護，如圖3所示。焊縫正面采用焊接拖罩保護，拖罩長140mm，寬50mm，如圖4所示。

為了加強保護焊縫背面，研制了焊縫背面保護裝置，背面帶有通氣孔的銅墊板，氬氣從焊件背面的銅墊板出氣孔流出，并短暫儲存在墊板的小槽內，保護焊縫背面不受有害氣體侵害，如圖5所示。

2.5焊接操作

焊前準備3瓶氬氣，純度為  φ(Ar)99.999%，分別用于保護拖罩、背面保護裝置和焊槍，采用丙酮清洗與焊件接觸部位，校正鎢極，使其處于噴嘴中心位置，點固焊試板，設置3°~5°反變形量，焊接前預先通氣20~30s，焊后滯后停氣20~30s，焊接時鎢極和焊絲之間的夾角為15°~30°，其擺動不能過大，只允許輕微擺動，試件焊接如圖6所示。

3、試驗結果及分析

采用Φ2.5mm的鈰鎢極進行焊接，焊接電弧作用到金屬表面，焊接電流不同，焊接熱輸入也不同。本文通過調整焊接電流大小，研究不同焊接熱輸入下焊縫表面的宏觀形貌。焊接參數見表4。

表4焊接參數

3.1焊縫宏觀形貌

圖7為不同焊接電流下的焊縫宏觀形貌。

由圖7中可見，焊接電流不同，焊縫正面存在較大差異,而焊縫背面基本一致,表面呈現銀白色,無氧化現象產生。不同焊接參數，焊縫表面的顏色反應了焊接質量差異。焊接電流為70A的焊縫表面呈現銀白色，焊接熱影響區出現藍色，熱影響區氧化嚴重,認為這是由于焊接電流過小,需要降低焊接速度以滿足焊縫的熔深,焊接速度過低導致局部熱輸入過高，焊接熱影響區高溫停留時間過長，超出拖罩保護時間，熱影響區吸收空氣中的氧氣，生成了氧化鈦等氧化物。焊接電流為110A和120A的焊縫顏色呈現黃色，熱影響區出現藍色，氧化現象嚴重，這是由于焊接時焊接電流過大，焊接熱輸入增大，焊縫及熱影響區高溫停留時間過長，焊接熱影響區擴大，焊接保護拖罩外側仍然處于300℃以上，高溫焊縫長時間暴露在空氣中，導致焊縫氧化。焊接電流為80，90，100A的焊縫及熱影響區基本呈現銀白色，說明焊接參數匹配較好，焊縫保護良好，均無氧化層生成。因此，采用80~100A的焊接電流，并配合合適的焊接速度，可保證薄壁鈦合金焊接質量良好。

3.2焊縫探傷

采用X射線按NB/T47013.2-2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》對焊縫進行探傷，焊縫不存在咬邊、未熔合、未焊透、裂紋、氣孔等缺陷，滿足QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術要求》中I級要求，如圖8所示。

3.3焊縫力學性能

圖9為3mm厚的TC4-M鈦合金拉伸試樣，表5為拉伸試驗結果。原材料室溫抗拉強度  R_m  =1045 MPa，屈服強度R_p0.2=1025 MPa。GB/T 3621-2022《鈦及鈦合金板材》規定退火狀態TC4-M鈦合金板材抗拉強度  R_m要求大于895 MPa，屈服強度  Rp0.2要求大于830 MPa。

由表5結果可知，3mm厚TC4-M鈦合金焊接接頭平均抗拉強度Rm=978 MPa，平均屈服強度Rp0.2=928 MPa，分別為母材強度的93.6%和90.5%，大于母材標準規定的強度值，滿足QJ 1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術要求》中I級焊縫對力學性能的要求。

表5試樣試驗結果

3.4焊接接頭彎曲性能

根據GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》從焊件上截取彎曲試樣，在彎曲試驗機上進行面彎試驗，彎心直徑為50mm，支撐輥間距58mm。彎曲結果如圖10所示，試件經過180°彎曲，彎曲表面未產生斷裂及褶皺缺陷，各棱角處也未產生任何開口缺陷。

4、結論

(1)通過焊接材料選擇、坡口設計、焊接工藝參數、焊接保護措施、試件清理、焊縫質量檢測方面開展研究，獲得薄壁鈦合金焊接關鍵工藝參數，掌握了鈦合金焊接保護工藝措施，實現了薄壁鈦合金手工TIG焊接工藝方法。

(2)通過X射線檢測及力學性能試驗，確定采用手工TIG焊焊接薄壁鈦合金，焊接質量能夠滿足QJ 1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術要求》中I級焊縫要求。

參考文獻:

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（注，原文標題：薄壁TC4鈦合金TIG焊工藝方法和力學性能研究_張曉波）

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