TC18 钛合金薄壁壳体真空电子束焊接形性控制研究

杜振宾， 王卫玲， 熊 然

（1. 海军装备部， 西安710038； 2. 西安航天动力机械有限公司， 西安710038）

0 前 言

材料高强度、 轻量化是航天、 航空工业永恒的追求目标， 大量采用高比强度材料是这两个行业的必然发展趋势[1]。 TC18 钛合金是一种具有良好的综合性能的过渡型α+β 高强钛合金， 具有高强度、 高断裂韧性和高淬透性等特点， 是目前代表国际先进水平并在飞行器制造中获得实际应用的高强钛合金之一。 在我国航天、 航空工业领域， TC18 钛合金焊接工艺的应用研究起步较晚，技术成熟度较低。 目前， 钛合金的焊接方法主要有钨极氩弧焊、 等离子弧焊和真空电子束焊等。其中， 真空电子束焊接具有焊接冶金质量好、 焊缝窄、 深宽比大、 焊缝变形小、 焊缝及热影响区晶粒细、 接头性能好、 焊缝和热影响区不受空气污染等优点， 非常适用于钛及其合金的焊接[2-4]。

北京航空材料研究院的王金雪等[5]对比研究了TC18 钛合金手工TIG 焊与电子束焊焊接接头组织与性能。 结果表明， 在相同热处理条件下， TC18钛合金TIG 焊焊接接头和电子束焊接接头的强度分别为母材的80.5%和100%， 断后伸长率分别为母材的23.6%和29.7%， 但TIG 焊焊缝的冲击韧性优于电子束焊缝。 杨健[6]采用氩弧焊和电子束焊对TC18 锻坯进行焊接以及拉伸和冲击试验， 获得了焊接接头的强度系数和冲击韧性。 结果表明，TC18 钛合金电子束焊接接头更适合用于航天航空结构的制造。 韩文等[7]采用电子束焊接方法， 实现了15 mm TC18 钛合金厚板的焊接。 结果表明，随着焊接速度的增加， 焊缝区上熔宽、 中熔宽、下熔宽都明显减小， 焊缝区晶粒细化， 导致焊接接头疲劳性能增加。 随着焊接速度从10 mm/s 增加到30 mm/s， 焊缝疲劳极限提高了近29%。 此外，还比较了TC18 钛合金电子束焊接接头上、 中、 下部的组织及拉伸性能和应变硬化行为的影响。 结果表明， 底层试件的强度和延性均高于中层和上层试件[8]。 冯展鹰等[9]研究了TC18 钛合金中轴的电子束焊接， 对比了“固溶-焊接-时效” 和“退火-焊接-固溶-时效” 两种热处理顺序对焊缝力学性能的影响。 发现两种热处理方式下， 焊缝的抗拉强度和屈服强度均和母材相当， 但“退火-焊接-固溶-时效” 方式处理的焊缝， 延伸率较好， 达到了9%。 韩文等[10]研究了沿板厚方向TC18 钛合金厚板电子束焊接接头组织及疲劳性能， 发现沿板厚方向从上到下， 晶粒尺寸逐渐变小， 导致焊接接头疲劳性能逐渐增加。 胡愈刚等[11]研究了TC18钛合金焊接技术在飞机起落架制造中的应用， 形成了完整实用的电子束焊接方案， 满足了国产舰载机和其他新型飞机起落架的研制生产需求。

目前， TC18 钛合金真空电子束焊接的研究多以厚板接头为对象， 而薄壁TC18 钛合金真空电子束焊接工艺和控形措施的详细介绍比较少。 本研究开展了2.0 mm 厚薄壁TC18 钛合金壳体的真空电子束焊接工艺研究， 详细介绍了用于控形的工装夹具方案， 分析了烧穿和未焊透等焊接质量问题的原因， 最后成功焊接了2 mm 厚薄壁TC18 钛合金圆筒， 焊缝成形美观， 焊接接头性能优异。

1 试验材料

试验材料为退火态TC18 钛合金棒材， 名义成分是Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe， 满足 《航空用钛及钛合金锻件规范》 要求。 TC18 钛合金母材组织形貌如图1 所示， 母材组织为网篮组织， 晶界存在少量呈断续分布的α 相， 晶粒内也存在小尺寸片状α 相， 各片层交错排列， 因此母材具有较好的强度、 塑性和韧性匹配。 将该棒料车削加工成Φ150 mm×100 mm ×2 mm 薄壁圆筒， 试验采用2 件圆筒对接装配、 环缝连接的形式进行。 试验前使用无尘布蘸无水乙醇清理。

图1 TC18 钛合金母材组织形貌

2 试验方法

2.1 焊前准备

（1） 零件加工。 根据电子束焊接标准要求，焊件对接面应平整、 光洁、 无毛刺， 并保持棱角， 表面粗糙度Ra最大允许值为3.2 μm。 因此，焊前车削加工焊件对接面， 保证表面粗糙度。

（2） 零件清理。 焊前将接头处的锈迹、 油污、 氧化物及异物等应清理干净。 用酸洗液（HF∶HNO3∶H2O=1∶5∶100） 对试样进行清洗， 去除试样表面的氧化层， 然后再用丙酮擦洗并晾干，焊接试验在清洗结束后4 h 内完成。

2.2 焊前装配

图2 TC18 钛合金试验圆筒装配工装

图3 TC18 钛合金薄壁圆筒定位焊用卡箍工装示意图

真空电子束焊接属于高能束精密焊接， 其焊接质量与工件装配质量密切相关。 根据电子束焊接相关标准， 对于壁厚2.0 mm 的工件， 其对接接头允许的局部最大装配间隙不超过0.12 mm。 为使装配间隙满足要求， 采取： ①车削加工， 保证装配工件具有良好尺寸配合精度； ②设计和使用专用装配工装， 提高质量， 控制焊接变形。

通过对整个焊接流程、 产品特性等多方面因素综合分析与考虑， 设计出图2 所示的试验圆筒装配工装。 整套装配工装由螺杆、 螺盘、 卡盘、挡束环、 卡箍、 弹簧垫片6 部分组成。 装配时卡箍对两截试验圆筒的对接处具有卡紧作用， 并通过卡箍内型面调整圆筒的外型面， 使其装配错边量满足焊接要求。 螺杆、 螺盘、 卡盘、 弹簧垫片的作用是对试验圆筒进行顶紧， 保证装配间隙，并方便装卡在焊机三爪卡盘上进行焊接。 其中卡箍工装（如图3 所示） 用于零件定位焊， 定位后取下该工装再进行后续焊接。 另外， 在零件整个装配过程中需穿戴专用手套， 以防手上的油污、汗渍等污物对零件造成污染， 影响焊接质量。

2.3 焊接

2.3.1 焊接过程

（1） 定位焊。 正式焊接前必须先进行定位焊， 以避免零件在焊接开始后一经受热会产生较大的变形， 导致错边， 影响焊接质量。 定位焊热输入量小， 且使用了卡箍工装， 能减小零件变形量， 从而减小错边。 定位焊后， 零件的错边量和间隙都不易再发生变化， 能保证后续的焊接工作顺利进行， 并得到高质量的焊缝。

（2） 焊接。 定位焊后取下卡箍工装， 再对零件待焊处进行焊接。

（3） 修饰焊。 由于电子束无需添加焊丝的特性， 其焊缝形貌不美观， 因此， 焊后需对焊缝表面进行修饰焊， 清除焊缝表面缺陷， 获得光滑焊缝并改善焊缝形状。

2.3.2 焊接影响因素

真空电子束焊接的主要焊接参数有聚焦电流、 扫描方式、 焊接速度及焊接电流等， 这些参数综合影响着焊缝的成形及内部质量。

（1） 聚焦电流。 聚焦电流对于焊缝的深宽比及成形有很大影响， 当焊件厚度小于10 mm 时，应采用表面聚焦焊 （即焦点处于焊件表面）， 根据试验圆筒薄壁的特点， 焊接时选取表面聚焦的方式。

（2） 扫描方式。 电子束可通过扫描方式控制束流的能量密度， 从而控制焊缝内在质量和表观质量。 熔深不均匀与电子束焊接时熔池的形成和金属的流动有密切的关系， 加大小孔直径可消除这种缺陷。 因此， 焊接时采用圆形扫描， 有利于消除熔深不均现象， 同时圆形扫描可以使小孔呈现圆柱形下潜， 焊接受热区域较大， 焊缝熔宽均匀， 避免液态金属凝固过快， 可防止裂纹产生。

（3） 焊接速度和焊接束流。 在保持聚焦和扫描方式下， 焊接速度和焊接束流的良好匹配可获得成形良好的焊缝。 通过在焊接试板上进行多组对比试验， 发现由于零件为薄壁结构，对焊接速度和束流较为敏感， 参数过大， 会出现烧穿现象； 参数过小， 会出现未焊透， 即在焊缝背面出现白线。 烧穿及未焊透缺陷如图4所示。

图4 真空电子束焊接缺陷形貌

多组数据对比分析后， 最终确定了2.0 mm厚试验圆筒真空电子束焊接的工艺参数， 具体数据见表1。 在该参数下进行焊接， 可获得正反面成形美观的电子束焊缝。

表1 2.0 mm 厚TC18 钛合金电子束焊接工艺参数

2.4 焊后热处理

焊接完成后需对试验圆筒进行真空热处理。TC18 钛合金为热处理强化钛合金， 为了消除焊接残余应力， 提高材料性能， 采用双重退火热处理制度。 热处理制度及步骤如下： 840 ℃保温2 h，随炉冷至750 ℃保温1 h， 再冷却至室温→630 ℃保温6 h， 再冷却至室温。

2.5 探伤检测

对热处理后的焊接试验圆筒进行100%的X 射线探伤， 并按GJB 1718A—2005Ⅰ级标准对焊缝进行判定。

2.6 组织性能测试

由于钛合金车铣加工难度大， 因此， 采用线切割将探伤合格的焊接试验圆筒和基材圆筒分别制作成焊接和基材试样， 双重退火真空热处理后进行力学性能测试。 在光镜和扫描电镜下观察焊接接头的显微组织， 在载荷100 g 和加载时间10 s条件下检测其显微硬度分布。

3 试验结果分析

3.1 焊缝成形及显微组织

采用适宜的电子束焊接参数实施定位焊、焊接及修饰焊后， 试验圆筒焊缝成形质量良好， 并且无咬边等表观缺陷， 焊缝背面焊透程度均匀适度， 电子束焊接环的焊缝形貌如图5所示。

图5 2.0 mm 厚TC18 壳体电子束焊接环缝形貌

TC18 电子束焊接接头组织形貌如图6 所示， 从图6 可以看出， 焊缝区为粗大柱状β晶、 晶内针状α 相和晶界处不连续的α 相，原因是由于电子束焊接冷却速度快导致的。 热影响区组织与焊缝区类似， 但晶粒尺寸较小，同时晶粒尺寸分布非常不均匀， 在大晶粒之间分布有小尺寸晶粒， 这是由于电子束焊接速度快、 热输入小、 热影响区在高温停留的时间较短， 从而导致热影响区再结晶过程没有足够的时间充分完成。

图6 TC18 电子束焊接接头组织形貌（SEM）

3.2 焊缝内在质量

采用射线探伤进行焊缝内在质量检测， 焊缝无裂纹、 气孔等钛合金焊接常见缺陷， 焊缝质量满足GJB 1718A—2005Ⅰ级接头标准。

3.3 焊接接头性能

接头横截面显微硬度分布如图7 所示。 从图7 可以看出， 焊缝区和热影响区硬度明显高于母材的显微硬度， 原因是这两个区域有大量针状α 相生成。

图7 焊接接头横截面处显微硬度分布

TC18 基材和焊接接头拉伸和弯曲性能见表3。从表3 可看出， 基材拉伸强度均值为1 083 MPa，弯曲角为55°； 真空电子束焊接接头拉伸强度均值为1 053 MPa， 是基材的97%， 弯曲角为52°； 焊接接头性能优越， 满足设计要求。

表3 TC18 基材和电子束焊接接头拉伸和弯曲性能

4 壳体焊接

在焊接工艺试验取得良好效果后， 对相关焊接与热处理工艺固化并应用于产品生产中， 产品焊接工艺流程与试验圆筒工艺流程保持一致， 其不同之处在于焊接装配工装不同， 样件产品焊接装配如图8 所示。 TC18 高强钛合金真空电子束焊接成品如图9 所示， 焊缝成形美观， 焊缝质量满足GJB 1718A—2005Ⅰ级接头标准， 所有指标均满足设计要求。

图8 TC18 钛合金薄壁壳体产品装夹示意图

图9 2 mm 厚TC18 钛合金壳体产品焊后实物照片

5 结 论

（1） 将真空电子束焊接技术成功应用于2.0 mm 厚TC18 钛合金圆筒的焊接， 焊缝成形美观， 焊接变形小， 焊接接头力学性能优异。

（2） 实现2.0 mm 厚TC18 高强钛合金优质电子束焊接的工艺方案为： 采用表面聚焦， 焊接速度v=600 mm/s， 焊接束流Ib=16 mA， 聚焦电流If=1 905 mA。

（3） 通过高能束流圆形扫描可以有效控制熔池流动传热， 使匙孔呈现圆柱形下潜， 可以有效地消除熔深不均匀导致的烧穿或未焊透缺陷。

（4） 通过组合采用高能量密度高能束热源、定位焊固定和工装拘束等多种措施， 可以有效地控制薄壁高强钛合金壳体的焊接变形。

（5） 采用上述工艺制备的2.0 mm 厚TC18真空电子束焊接接头焊缝和热影响区组织由β晶、 晶内针状α 相和晶界处不连续的α 相组成，焊缝和热影响区硬度明显高于母材。 接头抗拉强度均值为1 053 MPa， 是基材的97%， 接头弯曲角为52°， 焊接接头力学性能满足设计要求。