1、鈦及鈦合金的介紹
鈦及鈦合金具有比強度高、塑性和高溫抗蠕變性能良好等優(yōu)異特性。此外，它的韌性、高溫強度、成型性以及加工性都很優(yōu)異。因此，該合金在航天領(lǐng)域，特別是航天壓力容器的制造中應用廣泛。
鈦及鈦合金具有良好的焊接性，鎢極氬弧焊、電子束焊等焊接方法在鈦及鈦合金的焊接中應用廣泛。但是, 在焊接的過(guò)程中出現的氧化和氣孔問(wèn)題又給焊接帶來(lái)了一定的難度。航天壓力容器研制中心針對貯箱內芯在組焊過(guò)程中，由于結構和空間的限制，某些管焊縫無(wú)法運用自動(dòng)管焊機完成焊接，必須運用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行鈦合金管焊接的難題，通過(guò)設計專(zhuān)用防氧化工藝裝備和制定合理的焊接工藝，成功解決了其焊接難題，獲得了一次焊接合格率98%的優(yōu)質(zhì)焊縫。
2 、鈦合金的焊接性
2.1 焊接接頭的氧化
鈦合金的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，與氧、氮、氫等元素有很大的親和力，在400℃以上時(shí)極易被空氣、水分、油脂、氧化物污染；超過(guò)600℃開(kāi)始氧化, 650℃以上，雜質(zhì)擴散到鈦材中，達到足夠的量，產(chǎn)生脆化；超過(guò)700℃逐漸生成氧化膜，800℃以上氧化膜溶解在鈦材中。在焊接的過(guò)程中，鈦合金熔化，吸收氧、氮、氫、碳的速度快，使合金的強度和硬度增加，而塑性和韌性降低，焊縫易出現脆性斷裂。
2.2 氣孔
鈦合金材料在焊接過(guò)程中易出現氣孔。氣孔是鈦合金焊接最常見(jiàn)的缺陷，占缺陷的70%以上。焊接接頭中的氣孔易引起微裂紋和應力集中，氣孔邊緣含氫量高，使焊接接頭的塑性、斷裂韌性、沖擊韌性、疲勞強度以及靜態(tài)強度均降低，甚至導致某些鈦合金焊接接頭發(fā)生斷裂。
2.3 焊接線(xiàn)能量對接頭性能的影響
為了使鈦合金焊接接頭熱影響區獲得一定的強度和良好的塑性，需要選用適當的冷卻速度。在焊接過(guò)程中, 冷卻速度基本上是由焊接線(xiàn)能量決定的。隨著(zhù)焊接線(xiàn)能量的增大，熱影響區的高溫停留時(shí)間增長(cháng)，熱影響區面積增大，且晶粒變得粗大。用過(guò)大的焊接線(xiàn)能量進(jìn)行鈦合金的焊接是不合適的，將導致焊接接頭塑性明顯下降。
3、 焊接工藝
3.1 焊前準備
針對上述鈦合金的焊接特點(diǎn)，為了保證鈦合金管的焊接質(zhì)量，解決鈦合金材料焊接接頭的氧化和氣孔問(wèn)題, 鈦管焊前須做以下工作：
3.1.1 合理選擇焊絲
焊接TC4鈦合金時(shí)，推薦采用TC4 鈦合金焊絲，這樣可改善焊縫的塑性。TC4鈦合金焊絲能保證鈦合金焊后無(wú)論是退火還是熱處理強化狀態(tài)，都有足夠高的強度和最大沖擊韌性。焊絲成分應保證能用于各種類(lèi)型的單層焊和多層焊。在焊縫金屬重復加熱和局部熔化時(shí)，不應形成中間脆性相。
3.1.2 焊前焊件清理
焊前對鈦管表面上的氧化膜及油污等有機物進(jìn)行徹底清理；對焊絲表面的水分、手印痕跡、油污、氧化膜以及灰塵等污染物進(jìn)行徹底清理。如果焊接端面有剪切痕，要進(jìn)行機械加工去除。
將鈦管和焊絲在5%HF+25%HNO3 +70%蒸餾水溶液中酸洗15~30s，酸洗液溫度為27~71℃。酸洗后先用熱水、冷水沖洗，并用白布擦拭鈦管內外表面，置于200℃烘箱內烘干。已清洗的鈦管放置時(shí)間不宜超過(guò)24h，為保持焊接件坡口處的清潔，干燥完畢后將鈦管裝入潔凈的塑料袋中，封口。焊絲應放于150~200℃的烘箱內待用。
3.1.3 焊接保護氣
焊接過(guò)程中采用高純度低露點(diǎn)氬氣，氬氣純度須≥99.99%，防氧化工藝裝備的通氣管道不宜采用橡皮管，以尼龍軟管為好。
3.2 焊接坡口
為了降低焊接接頭的應力值，防止焊接裂紋，坡口結構不但考慮熔透, 而且盡量減少根部熔合比。再者，鈦合金熔化時(shí)流動(dòng)性大，為此取較小的坡口鈍邊，為0.5~1mm。坡口角度不宜過(guò)大，為60°~65°，以減少填充金屬量。坡口型式如圖1所示。
3.3 防氧化工藝裝備 在鈦管焊接時(shí)，保護區域包括三部分：熔池的保護、焊縫熱影響區的保護以及鈦管的內部保護。為了有效解決鈦管焊接的保護問(wèn)題，獲得良好的焊接接頭，我們設計了專(zhuān)用的防氧化工藝裝備，結構示意如圖2所示。焊接前，將完成定位點(diǎn)焊的鈦管及焊絲置于防氧化室內，通過(guò)抽氣和充氬為鈦管的焊接提供一個(gè)良好的防氧化氛圍。
3.4 焊接工藝規范 手工鎢極氬弧焊焊接鈦管的焊接參數主要包括鎢極直徑、焊接電流、焊接電壓、焊絲直徑、焊接速度等。根據鈦合金材料的焊接特性分析，鈦管的焊接一般采用較小的焊接線(xiàn)能量, 推薦的焊接規范參數范圍如附表所示。
3.5 焊接 在正式焊接之前必須先焊接試件, 試件坡口形狀尺寸、焊接規范參數、氬氣純度、焊前準備等必須和正式產(chǎn)品一致，目的是檢驗選擇的焊接規范參數是否合適，是否達到最佳。試件的焊縫經(jīng)檢驗合格后，方可進(jìn)行正式產(chǎn)品的焊接。鈦管焊接流程見(jiàn)圖3。
4 結束語(yǔ) 航天壓力容器研制中心通過(guò)設計專(zhuān)用防氧化工藝裝備和制定合理的焊接工藝，成功攻克了鈦合金管鎢極氬弧焊的難題。通過(guò)以上工藝方法對鈦合金管施焊，經(jīng)X射線(xiàn)檢查，所有焊縫均達到了Ⅰ級焊縫要求。運用該焊接成果完成焊接的航天壓力容器用鈦合金管，焊接一次合格率達到了98%。
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