钛合金及其焊接评述.doc

钛合金及其焊接性评述【摘要】钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。分析钛及其合金的焊接性，掌握钛合金在焊接时容易出现的问题和预防措施、TC4钛合金电子束的相关技术来进行钛合金及其焊接性的综合评述。以及了解为了提高焊接质量对ZCY 系列真空充氩箱的开发和应用。【关键词】钛合金，钛合金焊接性，TC4钛合金，电子束, 缺陷，预防，局部热处理,真空充氩箱1 引言钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，焊接作为钛合金加工中的重要手段, 有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面独特的优势。因此钛合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视1 。近年来, 人们把研究重点从研究钛合金焊缝及热影响区与母材性能的差异转移到研究钛合金焊接冶金上。只有从冶金因素上找出产生焊缝与母材性能不同的原因, 才能从根本上解决钛合金焊接存在的问题。2 钛合金及其焊接性研究进展钛合金焊接主要特点可概括为高温时钛对气氛的高活性，加热时晶粒长大的倾向大以及焊接接头冷却时形成脆性相。过去人们评价钛合金焊接性一直集中于研究焊缝金属性能与母材性能不同的工艺因素, 近十几年来, 人们开始研究焊缝金属性能与母材性能不同的冶金因素。钛合金焊接冶金是一个十分复杂的问题,它主要包括熔化和凝固, 连续冷却相变, 焊后热处理以及组织和性能的关系。尽管优化了焊接工艺参数, 选用了冶金和焊后热处理等措施, 使钛合金焊缝金属的静载强度和塑性提高到母材的水平, 但是由于焊缝金属中粗大柱状晶的存在, 使钛合金焊缝金属动载强度和抗介质腐蚀性能显著降低。近些年来, 对钛合金焊接冶金原理的理解越来越深入, 但一些重要问题仍不是很清楚, 有待于更深入地开展研究。其中计算机辅助热流分析的应用, 将会利用焊接冶金知识预测和控制焊缝组织和性能,而不需要大量的实验。高分辨电子显微镜的发展会使复杂的相变能够更准确地判定, 这将有助于提高连续冷却相变图的准确性2。3 TC4钛合金焊接性钛合金的种类有很多，其中TC4钛合金由于比强度高、耐腐蚀性好、综合性能优越等特点，在航空航天、化工机械、医药工程和休闲行业中得到了广泛的应用。目前，钛合金的焊接通常采用传统的钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊或等离子弧焊进行焊接，但这几种焊接方法需要填充焊接材料，由于保护气氛、纯度以及保护效果等因素的限制，容易出现焊缝区脆化、焊接气孔及裂纹等3。电子束焊接技术与其它熔化焊相比，具有功率密度大、深宽比大、焊接区变形小、能耗低、易于控制实现自动化等优点，得到了各个行业的高度重视及应用发展。采用能量集中的电子束作为TC4钛合金熔焊的热源，无疑成为TC4钛合金焊接加工的首选方法之一。TC4 钛合金的焊接性较好，它们可以在退火状态或固溶时效状态下焊接，焊接接头具有满意的性能。TC4 钛合金焊接接头的组织与性能，除了与母材的原始成分和组织形态有关外，还与焊接热循环有很大关系。当焊接线能量增加时，使接头最高加热温度升高，高温停留时间增长，冷却速度减慢，热影响区范围扩大，促使 晶粒严重过热长大，从而导致接头塑性下降。采用较小的焊接线能量，可以减小缝合热影响区的脆性，提高接头的性能。多数TC4 钛合金的焊缝塑性低，就是在焊缝及热影响区中存在相变的缘故。4 TC4钛合金电子束焊缝质量缺陷及预防措施TC4钛合金电子束焊缝质量缺陷有焊接裂纹，焊接气孔，焊接咬边4，因此应对其加以防治。防止延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头上氢的来源，必要时也可进行真空退火处理，以减少焊接接头的含氢量。焊前对接端面进行铣刨、刮削等机械加工，去除表面氧化膜，并保持对接面棱边的尖锐，以便严格控制接头对接后的间隙，否则会影响“匙孔”的形成和稳定性，这是防止气孔产生的重要措施之一。焊接速度对气孔的影响十分显著，在焊缝的熔深不变的情况下，焊接速度与气孔数的关系呈现抛物线型5-7。通过函数发生器控制偏转线圈，使电子束按一定的波形、振幅和频率偏摆，对熔池起到搅拌作用，有利于气体的排出，减少气孔，改善焊缝成形。对于穿透焊缝，既可采用偏摆扫描改善焊缝成形，减少气孔，还可采用预热和重熔的方法降低接头冷却速度，延长熔池的高温存在时间，这些措施都有利于氢的逸出，对减少焊缝的气孔数有一定的积极作用8。消除焊接咬边最有效的措施是采用带凸缘的对接接头。焊接过程中，控制热输入和焊接速度可以有效地预防和控制咬边的形成7-9。控制热输入和焊接速度，保证焊缝金属能够随着熔池边缘适时凝固，稳定地熔化，以获得正确的熔池侧缘形状。随着TC4钛合金的广泛应用，其焊缝质量受到越来越高的重视，电子束焊接以其特有的优势成为钛合金焊接的首选方法。虽然国内已经针对TC4钛合金的焊接问题开展了大量研究，但与高质量钛合金结构件的市场需求相比，尚有较大差距。因此，需要积极开展电子束焊接TC4钛合金的焊缝质量缺陷分析与预防工作，进一步提高钛合金结构件的焊缝质量。对于钛合金构件, 焊后进行热处理可以改善电子束焊接接头的组织及力学性能。传统的焊后真空热处理工艺, 不仅时间长、费用高, 而且普通的热处理设备很难匹配大型复杂航空构件。电子束局部热处理是电子束以线热源或面热源形式, 对包含焊缝在内的局部区域进行散焦扫描加热处理的新颖热处理技术。下图为电子束局部热处理过程示意图，经过残余应力测试与分析，得出以下结论：电子束局部热处理可以改善钛合金焊缝组织性能, 使焊缝区晶粒组织得到了细化；并且经电子束局部热处理后,钛合金电子束焊接接头残余应力分布趋势得到了改善, 将有利于接头疲劳性能的提高10。5 ZCY 系列真空充氩箱的应用针对钛合金焊接常出现的缺陷和问题，研制出了一种叫做“ZCY 系列真空充氩箱”的装置，它利用刚性箱体、真空机组、焊接变位机和快速充气（氩气）系统可实现对钛及其合金材料的全方位氩气保护焊接11。ZCY 系列真空充氩焊接箱的研制与开发很好地解决了钛及其合金在空气中焊接难以保证焊接质量的难题。随着我国航空航天工业的发展，钛及其合金在国防工业中的使用比例会越来越高，ZCY 系列真空充氩箱必将在国防工业中发挥越来越重要的作用。6 结论钛合金因具有很多特点而被广泛应用，尤其是TC4钛合金，由于它比强度高、耐腐蚀性好、综合性能优越等特点，在航空航天、化工机械、医药工程和休闲行业中得到了广泛的应用。采用能量集中的电子束作为TC4钛合金熔焊的热源，无疑是TC4钛合金焊接加工的首选方法之一，由于TC4钛合金电子束焊接时存在焊接裂纹，焊接气孔，焊接咬边等焊缝质量缺陷，因此应分别对其加以预防。电子束局部热处理可以改善钛合金焊缝组织性能,有利于接头疲劳性能的提高。此外，ZCY 系列真空充氩焊接箱的研制与开发很好地解决了钛及其合金在空气中焊接难以保证焊接质量的难题，必将在国防工业中发挥越来越重要的作用。参考文献1张延生, 李朝光, 唐金蓉. 焊接J. 1982, 11: 12韩忠. 钛合金焊接冶金研究进展J材料科学与工程, 2000, (04)：107-1103刘莹，曲周德，王本贤. 钦合金TC4的研究开发与应用兵器材料科学与工程J. 2005，28(5)：47-504张永和，何俊，张涛.TC4 钛合金电子束焊缝质量缺陷分析与预防J.2010(3):17-195马翔生. 电子束焊接气孔的控制J. 航空制造工程，1995(10)：16-176杜汉斌，沈剑平，邬美华，等. 钛合金激光未穿透焊气孔形成的机理研究J. 宇航材料工艺，2006(3):51-547卢振洋，黄鹏飞，蒋观军，等. 高速熔化极气体保护焊机理及工艺研究现状J.焊接，2006(3):16-208余洋，郭鹏. Ta-W12的真空电子束焊接工艺研究及缺陷分析J. 焊接技术，2003，6(3):15-179郑虹，唐海燕，张青. 咬边缺陷分析及