運載火箭中TC4鈦合金高壓球形氣瓶的TIG焊

張起亮

（安陽技師學院，河南安陽 455000）

運載火箭中TC4鈦合金高壓球形氣瓶的TIG焊

張起亮

（安陽技師學院，河南安陽 455000）

本文對TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金的性能、焊接性作了分析。采用TIG焊方法來制作TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金高壓球形氣瓶，完全滿足運載火箭的使用要求。

TC4鈦合金；TIG焊；運載火箭

20世紀50年代后期，美國的鈦合金應用重點從航空領域轉向導彈領域。目前鈦合金在導彈上的應用較為普遍，如導彈尾翼、彈頭殼體、火箭殼體及連接座等。鈦合金高壓球形氣瓶用于運載火箭，要求質量輕、耐腐蝕，焊縫無氣孔和夾雜，有較高強度和塑性，爆破壓力達50MPa，且有抗疲勞性能要求。為此，選用淬火+時效狀態(tài)的TC4鈦合金做母材，采用TIG焊方法來制作該氣瓶。

1 母材性能

TC4（Ti-6Al-4V）是應用最廣泛的α+β鈦合金，其基本相組成是α相和β相。其化學成分如下表1。

表1 TC4（Ti-6Al-4V）的化學成分（質量分數(shù)，%）[1]

母材采用了淬火+時效狀態(tài)的TC4鈦合金，焊接處厚度為4.2mm。其力學性能如表2。

表2 TC4鈦合金的力學性能[2]

2 母材焊接性分析

2.1 焊接接頭區(qū)脆化

TC4鈦合金不僅在熔化狀態(tài)，即使在400℃以上的高溫固態(tài)也極易被空氣、水分、油脂、氧化皮等污染，并吸收氧、氮、氫、碳等元素，使焊接接頭的塑性及沖擊韌度下降，并易引起氣孔。因此，施焊時對焊接熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區(qū)都要進行保護。

2.2 易形成冷裂紋

由于TC4鈦合金中S、P、C等雜質很少，所以很少會產生熱裂紋。但是，焊接鈦及鈦合金時極易受到O、H、N等雜質污染，當這些雜質含量較高時，焊縫和熱影響性能變脆，在焊接應力作用下易產生冷裂紋。其中氫是產生冷裂紋的主要原因。氫從高溫熔池向較低溫度的熱影響區(qū)擴散，當該區(qū)氫富集到一定程度將從固溶體中析出TiH2使之脆化；隨著TiH2析出將產生較大的體積變化而引起較大的內應力。這些因素促使冷裂紋的生成，而且具有延遲性質。

2.3 焊接接頭晶粒易粗化

TC4鈦合金與其他金屬比較，具有熔點高、熱容量較小、熱導率小的特點。因此焊接接頭易產生過熱組織，晶粒長得粗大，特別是β鈦合金，易引起塑性和斷裂韌度降低。所以在選擇焊接參數(shù)時，既要保證不過熱，又要防止淬硬現(xiàn)象。

2.4 易產生氣孔

產生氣孔的氣體是氫，因為氫在鈦中的溶解度隨著溫度升高而下降，焊接時沿熔合線附近加熱溫度高，會引起氫的析出，因此氣孔常在熔合線附近形成。

3 焊接材料

3.1 氬氣

采用純度為99.99%（體積分數(shù)）的一級氬氣，露點在-40℃以下，雜質總含量＜0.02%（體積分數(shù)）相對濕度＜5%，水分＜0.001mg/L。焊接過程中氬氣瓶的壓力降至1MPa時應停止使用，以保證焊接接頭的質量。

3.2 焊絲

填充焊絲的成分一般應與母材金屬相同。為了提高焊縫金屬的塑性，可選用強度比母材金屬稍低的焊絲。因此我們采用TC3鈦合金焊絲，其化學成分如下表3。

表3 TC3（Ti-5Al-4V）焊絲的化學成分（質量分數(shù)，%）[1]

焊絲為真空退火狀態(tài)供貨，表面不得有燒皮、裂紋、氧化色、非金屬夾雜等缺陷。其力學性能如下表4。

表4 TC3（Ti-5Al-4V）焊絲的力學性能[3]

4 焊接工藝要點及焊前準備

該氣瓶焊接部位壁厚為4.2mm、坡口角為90°、鈍邊高度為2mm。焊前先酸洗去除焊絲及瓶體焊接部位油污，然后再進行拋光，最后用丙酮清洗。鈦合金氣瓶采用多層焊，焊前應提前送氬氣，第一層可不加焊絲，以0.5-1.0mm短弧焊接，弧長由自由調節(jié)器調控，焊接過程中注意層間冷卻。第二層要填絲，以2-3mm弧長進行焊接，焊接參數(shù)見表5。

表5 TC4鈦合金氣瓶TIG焊的工藝參數(shù)

5 焊后熱處理

焊后對焊件表面進行徹底清理，然后在惰性氣氛中進行淬火+時效處理，淬火溫度為925±10℃，保溫0.5-2小時，然后水冷。時效溫度為500±10℃，保溫4小時后空冷。經過淬火和時效后，焊接接頭的力學性能如下表6。

表6 TC4（Ti-6Al-4V）合金焊接接頭的力學性能

6 結論

采用TIG焊方法來制作TC4鈦合金高壓球形氣瓶完全可以滿足運載火箭的使用要求。

[1]雷毅．簡明金屬焊接手冊[M]．北京：中國石化出版社，2012：142-148．

[2]李亞江．先進難焊材料的焊接[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2011：191．

[3]王長忠．高級焊工工藝學[M]．北京：中國勞動社會保障出版社，2006：213．

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A

1003-5168(2014)04-0077-02

張起亮（1973—），男，河南安陽人，安陽技師學院講師，學士，研究方向：焊接、金屬材料。