钛合金熔焊缝防表面氧化工艺研究

伍大为赵鹏程

摘要：钛合金具有比强度高,耐蚀性好，耐热强度高，重量轻的特点，广泛应用在航空发动机压气机盘、叶片、机匣等重要零件。钛及钛合金的化学性质非常活泼,常温下，其对氧有明显的亲和力；焊接熔化时，除非用惰性气体保护，使其与大气隔绝，否则零件的表层将受到氧和氮、氢气体的严重污染。本文通过对某机大型钛合金典型零件熔焊的焊前清理、优化焊接参数、局部保护、增强冷却等一系列的防止熔焊缝表面氧化工艺进行了研究，特别针对拖罩有效气体泄露和对电弧柱周边的超高温区域的保护进行了改进，设计了一种新型的双路腹腔式拖罩效果明显。表明大型复杂型面钛及钛合金零件熔焊缝防表面氧化，采用局部保护的技术完全可以满足要求，并且经济实用，对其它大型飞机的钛及钛合金零件熔焊缝表面防氧化具有借鉴参考价值。

关键词：钛及钛合金；熔焊；表面氧化

1、技术难点

1.1零件简介

某机支撑环组件由两件机加件对接焊接而成。两条焊缝周长各3000mm多，焊后形成封闭的死腔，焊接处厚度2.4mm，零件材料为Ti230。焊缝距外侧端面5mm，中间呈环状封闭腔体。

1.2材料简介

Ti230钛铜合金具有比强度高、抗氧化能力强、塑性及加工性良好，可热处理强化，其焊接性能良好。表1列出了Ti230的化学成份。

表1Ti230化学成份

1.3钛及钛合金特性

1.3.1钛及钛合金的化学性质非常活泼，溶解氮、氢、氧的能力很大。其在540℃以上钛表面生成的氧化膜较疏松，随着温度的升高，容易被空气、水分、油脂等污染，使钛与氮、氢、氧的反应速度加快，降低焊接接头的塑性和韧性。无保护的钛及钛合金在300℃以上吸氢，400℃以上吸氧，600℃以上吸氮。容易使钛合金焊缝的脆化，表面氧化，冷裂纹倾向严重，焊缝气孔较多。致使焊缝性能降低。

1.3.2钛合金熔点高、热容量大、导热性差，焊接时，温度超过300℃以上的范围较大，加之该零件焊缝长度长，焊接厚度厚，需输入的焊接热能量大，采用局部保护措施，对焊缝和热影响区（包括焊缝背面）的保护技术难度大。

2、技术途径

钛及钛合金的焊缝和热影响区（包括焊缝背面）的表面色泽是保护效果及焊接过程是否合适综合的反映。

2.1焊前清理

钛及钛合金的焊接接头质量和焊缝表面氧化在很大程度上取决于焊接夹具、焊件、焊丝的焊前清理。焊接夹具、焊件、焊丝表面吸附的杂质气体、存在的灰尘、油脂、水渍等有害介质在焊接过程中，受高温后,有害介质进行弥漫扩散，造成钛及钛合金焊缝及热影响区表面受污染而产生氧化变色。

2.1.1清理夹具

用干净纱布蘸丙酮清理干净夹具表面的油污、水渍等有害物质。

2.1.2清理焊丝

用金相砂纸抛光，并露出金属光泽以去除焊丝表面氧化膜。并用脱脂棉球蘸丙酮清理干净焊丝表面。

2.1.3清理零件

由于零件为机加表面，仅采用脱脂棉球蘸丙酮清理干净零件内外表面即可。特别要清理干净零件内表面及V型坡口表面，否则，一旦定位焊接后，形成封闭的死腔，无法再进行清理返修。

2.2焊接参数的优化

钛及钛合金焊接工艺参数的选择，既要防止焊缝出现晶粒粗大，又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织。钛及钛合金焊接，都有晶粒长大的倾向，晶粒长大后，难以用热处理方法加以消除。所以，钛及钛合金焊接应采用较小的焊接线能量，如果焊接线能量过大，零件受热量多，温度增高，则焊缝容易被污染氧化而形成缺陷。通过试验确定了合理的氩气流量，焊前导气，焊后滞气，焊接速度，电流，电压等。试验后的焊接参数见表2、表3。焊接设备名称：圆周自动焊机，设备型号：40VP-2RMB。

表2外焊缝焊接参数

表3内焊缝焊接参数

由于一次焊接后，焊缝内气孔较多，实践中常采用二次脉冲自动氩弧焊重熔焊缝，以排除焊缝内气孔。二次重熔焊接工艺参数见表4、表5。

2.3气体保护

由于钛及钛合金在高温下对空气中的氮、氢、氧等气体具有很强亲和能力，因此，必须在焊接区采取良好的保护措施，用氩气保护焊接熔池和温度超过300℃的热影响区的正、反面与空气隔绝，以防止焊缝及热影响区氧化变色。

表4外焊缝重熔焊接参数

表5内焊缝重熔焊接参数

钛及钛合金焊接气体保护可分为局部保护、充氩箱整体保护、增强冷却三种形式。由于大型零件使用充氩箱整体保护，所需设备庞大，设备费用高，因此，充氩箱整体保护不作为此次研究对象。仅研究局部保护、增强冷却这两种保护形式。

2.3.1局部保护

改进拖罩的结构，增加了保护热影响区侧板。针对单路腹腔式拖罩的缺点，我们制作了双路腹腔式拖罩。（1）增加侧面一路靠近焊枪的氩气通路，对焊枪氧化处进行保护。（2）焊枪喷嘴半包围在拖罩内，增强保护效率。（3）增大拖罩长度、高度，外形尺寸由120×30mm改为180×55mm。（4）对拖罩的两路气路出口处进行改造，使拖罩的两股氩气流与焊枪喷嘴的氩气流不发生紊流现象，避免紊流造成空气混入焊接保护区，影响保护效果。保护罩上面的进气管子朝上钻有许多φ1.5mm的出气孔，管子外面裹二层细不锈钢丝网，保护罩正面进气路设计成台阶孔，大孔内塞有细不锈钢丝网，使拖罩的保护气均匀、柔和的充满保护区，避免三股氩气气流相互影响、干涉，产生紊流现象。（5）利用拖罩上的特殊型面副侧板和耐高温胶布配合，一起形成有效的保护空间。

2.3.2背面气体保护

支撑环组件焊后形成封闭的死腔，利用零件背面的1个螺纹孔接氩气管子，给零件封闭腔内输入氩气，其余螺纹孔用耐高温胶布密封；零件正面40-φ3.25mm小孔，除留1孔排气，其余小孔用耐高温胶布密封。在封闭的死腔内形成保护区域，保护两焊缝背面。

2.3.3焊枪喷嘴

钛合金熔点高、导热系数小，焊接熔池尺寸大，因此，应选择较大的孔径喷嘴，以扩大保护区的面积。我们选用φ20mm喷嘴口径的喷嘴，保护区域足够，且气流柱挺度较好，与拖罩配合时，没有发生紊流现象。

2.4强制冷却

利用焊接夹具上的导热装置，可以将零件焊接过程中产生的热量及时传导出去，降低零件温度，缩小零件焊缝热影响区温度超过300℃的面积，从另一方面起到保护作用。零件的焊接夹具利用外定位环、内支撑环即起定位作用，又起冷却块的作用。由于零件夹具本体结构尺寸大，不用通水、通空气增强冷却，就可达到良好的冷却效果。

结语：钛合金熔焊缝与其它材料的焊接不同，它不仅要求目检、荧光、X光合格，而且要求焊缝及热影响区不允许污染氧化，由于目前公司无大型的充氩箱设备，所采取的局部保护措施技术不完善，使得钛合金焊缝污染氧化的质量问题一直没有得到彻底解决，钛合金零件焊缝及热影响区外观质量不能满足要求。

参考文献：

[1]田嘉禾,楚玉盈主编.特殊及难焊材料焊接新技术实用手册.当代中国音像出版社,2014.

[2]李铭.特殊及难焊材料的焊接.化学工业出版社，2013.