鈦合金在航空航天應(yīng)用中的焊接技術(shù)

方連軍 闞田田 譚偉龍

（沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

鈦及鈦合金是一種密度小、強度高、耐熱性好、韌性高、導熱性及抗疲勞性好、有著較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的抗海水腐蝕性能及超低溫性能等一系列優(yōu)異性能的工程結(jié)構(gòu)材料。因此，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鈦及鈦合金已經(jīng)成為航空航天工業(yè)的支柱之一，相關(guān)資料表明，高性能鈦及鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用占到了鈦材總產(chǎn)量的70%左右。鈦制設(shè)備雖然一次性投資較高，但全壽命費用較低，經(jīng)濟效益明顯，目前高性能的飛機、坦克正在采用鈦合金部件，先進發(fā)動機的壓氣機盤、壓氣機葉片、風扇葉片以及機匣等均由鈦合金制造。并且在石油化工部門中鈦合金的范圍也在逐漸擴展。而鈦合金在飛機及其發(fā)動機等部方面的應(yīng)用，不可避免的需要使用焊接手段進行連接，因此，鈦合金的焊接方法在擴大鈦合金的應(yīng)用范圍上具有重要作用。

1.鈦合金的電子束焊

電子束焊目前越來越多地應(yīng)用到鈦合金的焊接中。電子束焊接是利用匯聚的高速電子轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使其加熱、熔化、冷卻結(jié)晶，形成焊縫的一種新型焊接技術(shù)。真空電子束焊，由于焊接過程是在真空環(huán)境中進行，杜絕了空氣對焊縫的影響，所以焊縫的保護效果很好。可完全防止大氣污染，易獲得質(zhì)量高于非真空環(huán)境下的焊縫。真空電子束焊焊接鈦及鈦合金具有獨特的優(yōu)勢，表現(xiàn)為焊接冶金質(zhì)量好，焊縫窄，深寬比大，焊接角變形小，焊縫及熱影響區(qū)晶粒細小，接頭性能好、焊接快。電子束焊焊后產(chǎn)生的晶粒大多是較均勻的等軸晶，焊接接頭有較高的強度。

由于真空電子束焊接需要真空室，所以一般不適合于室外焊接以及大尺寸工件焊接，而且焊縫中易出現(xiàn)氣孔，但塑性相對降低，結(jié)構(gòu)尺寸易受真空室限制，不適合于大批量生產(chǎn)。

2. 鈦合金的激光焊

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。自“小孔效應(yīng)”的激光深熔焊得以實現(xiàn)，激光焊接技術(shù)迅猛發(fā)展，鈦合金激光焊應(yīng)用研究也得到了廣泛重視。激光焊接具有高能量密度、熱變形小、可聚焦、無接觸加工、深穿透、高效率、高精度、熱影響區(qū)狹窄、適應(yīng)性強等優(yōu)點，激光焊能焊接高熔點、難熔、難焊的金屬，自動化和柔性化程度高，一般情況下不需要真空工作室。激光焊接具有熔池凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，焊縫的機械性能相當于或優(yōu)于母材。基于激光焊接具有的諸多優(yōu)勢，它是二十一世紀先進的制造技術(shù)之一，受到世界各國的重視，廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子輕工業(yè)等領(lǐng)域。中國的激光焊接處于世界先進水平，具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

激光焊也有其不足之處，它的穿透力不如電子束強，因此能夠焊接的板材的厚度十分有限。激光焊接系統(tǒng)的成本通常高于傳統(tǒng)的焊接設(shè)備，但由于激光焊的高生產(chǎn)率和高性能質(zhì)量足以彌補此項缺憾，使得激光焊接系統(tǒng)在技術(shù)及經(jīng)濟上具有很強的綜合競爭力。

3. 鈦合金的等離子弧焊

等離子弧焊廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，特別是航空航天等軍工和尖端工業(yè)技術(shù)中，等離子弧焊也常用于鈦及鈦合金的焊接。等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法，它有兩種基本方法：小孔型等離子弧焊及熔透型等離子弧焊。等離子弧焊具有能量集中、射流速度大、熔深大、電弧力強、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊件不開坡口等特點，等離子弧的能量密度介于電弧與電子束之間，等離子射流可以直接穿透被焊工件，由于鈦的比重較輕，重力作用較小，而且液態(tài)鈦的表面張力較大，所以有利于形成“穿孔效應(yīng)”進行等離子焊接，而且用等離子弧焊接鈦及鈦合金，能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。目前，許多高精度、高質(zhì)量的軍用裝備都已采用了等離子弧焊接方法。等離子弧焊既不需填充材料，又能一次性焊好，減輕了基體金屬的過熱程度。有利于焊接區(qū)減少氣體污染，從而進一步提高了接頭的機械性能。

4. 鈦合金的釬焊

在鈦合金構(gòu)件的制造中，釬焊也是一種有效的連接方法，主要應(yīng)用在鈦合金復雜結(jié)構(gòu)的制造中，如蜂窩結(jié)構(gòu)，小型航空精密部件等。釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的一種工藝方法。由于鈦的高溫活性強，釬焊一般在真空或隋性氣體保護下進行。

釬焊在鈦合金焊接中得到了廣泛的應(yīng)用，但是釬焊通常只用于焊接小型薄壁構(gòu)件，不適合大厚度鈦合金的焊接，另外，釬焊接頭的強度也比較低。

結(jié)語

由于鈦合金優(yōu)異的特性，它在航空航天領(lǐng)域必將有著更廣闊的應(yīng)用前景，也為焊接技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，開發(fā)研制先進的鈦合金焊接工藝也必將大大推進鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

[1]康彥，何曉梅.鈦及鈦合金焊接接頭表面納米化研究現(xiàn)狀[J].金屬材料與冶金工程，2013，41(06)：55-58.

[2]楊蘋. TC4鈦合金焊接工藝分析[J]. 機械制造，2008，46(531)：51-52.

[3]韋生，費東，田雷，等.鈦及鈦合金焊接工藝探討[J].焊工之友，2013，42(4)：73-75.

[4]劉鵬飛.鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)研究進展.金屬加工.2012， (20)：11-13.

[5]郭必新,祝長春. TC4鈦合金等離子弧焊接工藝研究. 熱加工工藝.2006，35(15)：44-45.

[6]李玉龍，楊瑾，禹業(yè)曉.鈦及鈦合金釬焊特點及現(xiàn)狀[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011，40(09)：130-133，136.