TA19鈦合金焊接工藝研究

張建國　孫艷萍　馮守勝（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧　沈陽　110043）

TA19鈦合金焊接工藝研究

張建國孫艷萍馮守勝
（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽110043）

本文研究了鍛造TA19（Ti6242）鈦合金的手工鎢極氬弧焊工藝技術，在選定的電流，保護氣體流量等工藝參數下對TA19進行焊接，利用金相顯微鏡觀察分析了焊接微觀組織，并測試焊接接頭的力學性能。研究結果表明，在選定的工藝參數條件下可以獲得優質的焊接接頭。

鈦合金；焊接性；機械性能；金相組織

1　引言

隨著鈦合金材料在航空航天領域的廣泛使用，鈦合金的加工工藝研究也俞受關注，焊接作為鈦合金加工中的重要手段，有著提高材料利用率，降低生產成本等優勢，越來越受到人們的重視。

某發動機前機匣是使用TA19鈦合金鍛件經機加工制成，在機加工過程中發現某部件內部存在局部孔洞，如不能修補，該零件則無法滿足設計要求，重新加工不僅耗時、耗力，而且新鍛毛胚仍可能無法完全避免類似的缺陷，影響研制任務。為了滿足生產的急需，需要研究缺陷補焊工藝，確保發動機產品質量和進度要求。

2　焊接工藝試驗

本文試驗采用同成分、同批次的鍛件，經線切割取樣成尺寸為100× 25×10mm的條形試片。將條形試片機加工成預制焊件坡口，單面坡口角度為30°進行焊接試驗。焊接試樣經真空爐退火處理（600℃，保溫1小時），隨后進行機械性能測試和金相組織觀察以檢驗此工藝方法下TA19鈦合金的可焊性。

2.1母材與焊絲

TA19系美國Ti6242合金的中國化名稱，其組織結構主要為α相，屬高鋁當量、近α型熱強鈦合金，該合金中同時加入鋁、錫、鋯使高溫抗蠕變能力得到明顯改善。合金中加入2%的強β相穩定元素鉬，使高溫拉伸強度和熱穩定性都得到提高。TA19是一種高強度、且有良好塑性的材料，其棒材典型的室溫力學性能指標為：σb＞895MPa，（σ0.2＞825MPa），δ＞10%（ψ＞25%）。焊接時應選用與母材同成分的焊絲。

2.2試件焊接及焊接工藝參數的選擇

2.2.1焊接試件

采用經線切割加工的試件進行焊接試驗，焊件正反面開有60°坡口，對接間隙2mm。

焊接件使用夾具進行固定，以防止焊件變形，焊縫背面加銅墊板，以提高焊接接頭區的散熱能力，焊接時焊縫兩面采用高純度氬氣進行保護，以防止焊接區氧化污染，同時應嚴格清理工件兩側表面，以保證工件的清潔，防止焊接接頭被污染。為去除試件表面因線切割帶來的過燒層，并滿足理化檢測的要求，將10mm厚的焊接試件經正反面刨削加工為6mm厚的拉力試片。由于板狀持久檢測試件取樣困難，持久試驗采用了小尺寸柱狀試樣，先將待焊接頭區用砂輪打磨，去除氧化過燒層，拋光后，用丙酮溶劑清洗待焊區。

2.2.2試樣焊接工藝

試樣焊接的設備為HOBART-300S的多功能電焊機，采用對稱焊方式施焊每一層焊縫，每層焊道厚度約為2.5mm～3.0mm。由于鈦合金金屬的元素活潑性，它在高溫狀態下與氧的親和力強，且隨溫度的提高而加強，在溫度高于649℃時，鈦的抗氧化能力急劇下降，對其必須采取保護措施，以免受到空氣的污染和受到氧和氮的作用而脆化。由于鈦的上述特點，焊接時加強了對焊接區的惰性氣體保護，并增加了焊縫背面保護措施，加大了焊槍噴嘴直徑和氬氣流量，同時在每層焊接過程中要分段完成，每段焊完后都要繼續通氣，保護高溫及熔化區，同時加強高溫區的冷卻，使焊縫保護為未受污染的銀白色金屬。

焊后焊接接頭經X射線檢驗未發現任何缺陷，焊接試片經600℃，1小時真空退火處理后進行了力學性能測試以及金相組織觀察。

3　試驗結果分析

3.1焊接接頭強度性能分析

焊接接頭試件性能見表1和表2。

從表1和表2可以看出，TA19焊接件焊接效果良好，室溫拉伸力學性能測試中，斷裂均發生在基體材料部分，這說明焊接接頭強度可能更高于母材區域。因此，采用手工鎢極氬弧焊工藝對TA19進行焊接，其焊接接頭室溫拉伸強度、高溫持久強度滿足技術條件的要求，機械性能穩定，并有保持著較高的塑性及韌性。

3.2焊接接頭的金相組織與分析

由焊接金相試樣的焊接接頭金相組織觀察可知，填充金屬與母材熔合良好，焊接接頭分為焊縫區、熔合區、熱影響區和母材，而且隨著到焊縫距離的變化熱影響區的組織也不相同。焊縫組織晶粒細小、均勻，熔合區及熱影響區沒有晶粒長大現象，并未見冶金缺陷。

表1　焊接接頭的室溫拉伸性能

表2　焊接接頭高溫持久性能

4　試驗結論

試驗表明采用手工鎢極氬弧焊方法，填充與母材相同成分的焊絲焊接TA19鍛造合金，選擇焊接電流70A，噴嘴直徑20mm，氬氣流量15L/min，背面保護氣體流量3L/min，焊接層數4層，可以獲得優質的焊接接頭。試驗結果表明，接頭有很好的連續性，未出現焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔和其他焊縫外觀缺陷，金相組織及力學性能測試均滿足技術條件的要求。該項工藝可以應用于TA19（Ti6242）鍛件缺陷的補焊。

[1]焊接手冊第四卷金屬及焊接[M].北京：機械工業出版社，1991.

[2]航空材料學[M].上海：上?？茖W技術出版社.

[3]陳祝年.焊接師手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

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