鈦管全位置氬弧焊接頭力學性能數據分析

宋 凡，唐 磊，楊衛國，周宇浩，徐曉丹

(1.上海空間推進研究所，上海 201112； 2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

由于質輕且塑韌性、焊接性和耐熱性好，鈦管在液推姿軌控動力系統所用的各類管路中占據了主要地位[1-4]。對于鈦管之間的連接需求，目前一般采用自動全位置氬弧焊的方法來解決[5-9]。

在每一種鈦管產品的正式焊接前，先用牌號和規格相同的工藝件進行焊接試驗。焊后對工藝件接頭進行表面成形、內部質量和力學性能檢測，當所有指標都滿足標準要求時方可焊接產品[10-16]。

鈦管工藝件一般用當前產品的余料來現場制取，當余料不足時則向其他產品借用。上述方式可能導致工藝件出現生產批次和取材根號混雜的現象，所以有必要明確該類因素對焊接性能的影響程度，若兩種材料因素的影響程度較為明顯，則可加強相關技術狀態的控制力度。此外，對于不同尺寸規格的鈦管自動氬弧焊過程，一直存在著力學性能一次合格率有所差異的問題，因此需要通過歷史大數據分析來揭示相關原因，為后續的設計、工藝和質量改進打下技術基礎。

1 試驗方法

鈦管材料牌號為TA1，具體化學成分如表1所示。

鈦管工藝件采用平頭對接的形式進行裝配、定位和焊接，且在焊前須進行酸洗、清洗和烘干等預處理。

每次試驗使用同一批次的18件鈦管工藝件，其中6件不進行焊接，直接用于測試母材的力學性能(分為抗拉強度和沖擊韌性兩組)，另外12件兩兩配套進行焊接，焊后用于測試焊件的力學性能(同樣分為兩組)。根據航天行業導管焊接技術條件的要求，焊件抗拉強度和沖擊韌性的下限值應分別不低于母材對應下限值的80%和40%。

2 結果與討論

2.1 φ6×1 mm鈦管

連續測量記錄了五年來44批次的力學性能試驗數據，將這些數據按來源和表征進行分類，并按時間順序進行羅列，如圖1所示。

觀察圖1(a)和圖1(b)可知，當生產批次不同或雖批次相同但出自不同根余料時，母材工藝件的力學性能差別明顯，且表現為抗拉強度波動較小而沖擊韌性波動較大。若以生產批次為對比對象，則抗拉強度波動程度為±19.1%，沖擊韌性波動程度為±38.1%；若以所屬根號為對比對象，則抗拉強度波動程度為±6.2%，沖擊韌性波動程度為±13.6%。分析上述數據可知，批次因素對母材力學性能的影響程度大于根號因素。

對比圖1(a)和圖1(c)可知，鈦管在經歷焊接熱過程后，其抗拉強度的均值和波動程度變化較小，而沖擊韌性的均值降低且波動程度增大。從圖1(d)可以看出，沖擊韌性的波動程度從38.1%/13.6%增加到了62.3%/44.4%。

圖1 φ6×1 mm鈦管焊接試驗力學性能數據

按航天行業導管焊接技術條件的要求考察焊件力學性能的合格情況，得到φ6×1 mm鈦管母材與焊接力學性能對比如圖2所示。

圖2 φ6×1 mm鈦管母材與焊件力學性能數據對比情況

可以看出，五年來只有極少部分焊件的力學性能未達到標準的要求，其中抗拉強度的不合格率為0，沖擊韌性的不合格率為9.1%，如圖3所示。根據前述分析可知，鈦管母材之間的力學性能有顯著差異，此后又引入了焊接熱過程的不利作用，所以偶爾會出現沖擊韌性下降較多的現象。

圖3 φ6×1 mm鈦管焊接試驗合格率

為了證明性能的波動確與生產批次和所屬根號有關，在同一根鈦管上截取制作了24件工藝件，其中12件測試抗拉強度，另外12件測試沖擊韌性，所得結果如圖4所示。可以看出，當批次和根號因素被剔除后，各項數據的波動程度小于1%，證明鈦管原料的力學性能極其穩定。

圖4 φ6×1 mm鈦管同根工藝件力學性能數據

綜合上述試驗和分析結果可知，產品焊前的工藝試驗要求有待改進。具體來說，由于每次試驗所用的12件工藝件自身就存在著較大的性能差別，因此在隨機選定母材和待焊工藝件時，可能出現母材工藝件性能整體優良，而待焊工藝件性能相對較差的情況。在此基礎上進行焊接，即使焊接熱過程的不利作用較小，由于基礎沖擊韌性相差懸殊，仍然可能出現焊件沖擊韌性不合格的現象。因此，相應的改進方案是嚴控工藝件的來源，將其限定在同一根鈦管上取材，如此可真實地測出焊接熱過程對力學性能的弱化程度，實現焊接試驗的本質目的。

2.2 其他外徑鈦管

本節針對其他規格鈦管的試驗數據進行分析，以探尋外徑因素對鈦管母材及焊接接頭力學性能的影響規律。

先以壁厚為常量(0.8 mm)，外徑為變量(6、8、10、12、14 mm)，將母材力學性能數據進行羅列，所得結果如圖5所示。

圖5 不同外徑鈦管母材力學性能數據

從圖5(a)可以看出，對于任意外徑的鈦管母材，其力學性能都會因批次、根號因素的變化而波動，且沖擊韌性的波動程度同樣更大。根據圖5(b)所示的量化值，當鈦管外徑逐漸增大時，母材抗拉強度的波動程度依次是±12.3%、±18.8%、±13.4%、±11.9%和±18.9%，母材沖擊韌性的波動程度依次是±15.1%、±41.7%、±51.8%、±34.8%和±15.5% 。統計可知，抗拉強度的波動現象基本只受批次、根號因素的影響，而沖擊韌性的波動現象還額外與尺寸因素有關。具體為當管徑介于8～12 mm之間時，批次、根號因素的影響程度會被明顯放大。

為了減少批次和根號因素的影響，探討外徑對鈦管母材性能的真實作用規律，先將數據極值排除，然后再以壁厚值為常量、外徑值為變量，將母材和焊件的性能數據進行羅列，所得結果如圖6所示。

圖6 不同外徑鈦管母材力學性能數據(去極值)

由圖6可知，鈦管母材的抗拉強度受外徑影響很小，而沖擊韌性受外徑影響較大，且后者大致成正比例關系。根據材料力學相關研究理論[17-19]可知，抗拉強度是與化學成分、組元構成、晶粒形態和加工工藝相關的材料固有屬性，與工件結構并無定性關系；而沖擊韌性不僅同樣與前述四種因素有關，還與載荷大小、缺口造型、工件形狀、結構尺寸等因素有較大關系，本次試驗母材性能的表現與上述理論相符。將對應的焊件力學性能數據進行羅列，所得結果如圖7所示。

圖7 不同外徑鈦管焊件力學性能數據

對比圖5和圖7可知，在經歷焊接熱過程后，焊件抗拉強度的均值和波動程度相比母材同樣變化較小，而沖擊韌性方面的變化情況較為復雜，具體來說，僅φ6接頭發生了可見的均值降低和波動放大的現象，而更大外徑的接頭基本未受影響。分析認為，在所需熔透的壁厚相同時，不同外徑鈦管需要的熱輸入線能量非常接近，而尺寸較小的焊接接頭散熱效果顯著更差，因此其熱影響區的晶粒粗大情況更嚴重，導致沖擊韌性劣化的可能性更高，表現為波動程度的大幅提高[20]。按航天行業導管焊接技術條件的要求考察焊件力學性能的合格情況，制作了如圖8所示的對比圖。

圖8 不同外徑鈦管母材與焊件力學性能數據對比情況

可以看出，當鈦管外徑有別時，焊件抗拉強度的不合格率全部為0，而沖擊韌性僅在外徑為6的接頭中出現12.5%的不合格率，如圖9所示。

圖9 不同外徑鈦管焊接試驗合格率

綜合上述試驗和分析結果可知，產品焊前的工藝試驗要求有待改進。具體來說，對于不同外徑的鈦管產品，沖擊韌性的合格指標不應固定為40%，最好設定成與外徑成正比的系列值，如此可更真實地體現出焊接熱過程的影響程度，避免相同質量的焊接參數在不同產品上得到迥異的合格率。

針對以上研究結論，得出對應的優化措施，例如將工藝件限定在同一根鈦管上取材，將沖擊韌性的合格指標從固定值(40%)改為與外徑成正比的系列值。在貫徹上述措施后，焊接力學性能試驗的一次合格率從72.7%提升至90.9%。

3 結論

1)當取材來源足夠廣泛時，鈦管工藝件母材之間的力學性能存在明顯差異。具體來說，當生產批次不同時，抗拉強度和沖擊韌性的波動程度分別可達±19.1%和±38.1%；當批次相同但出自不同根余料時，兩種性能的波動程度分別可達±6.2%和±13.6%。

2) 焊接熱過程既會使力學性能的均值降低，也會使力學性能的波動程度增大。相較而言，抗拉強度受此影響很小，而沖擊韌性受此影響較大。

3) 當工藝件外徑逐漸增大時，母材的抗拉強度均值和波動程度幾乎不變，而沖擊韌性均值逐漸提高，且波動程度先增大后減小。在經歷同樣的焊接熱過程后，小外徑焊件的沖擊韌性波動程度明顯增大。

4) 可對試驗細節進行改進，例如將工藝件限定在同一根鈦管上取材，如此可去除比較基準的波動影響。同時建議對試驗要求進行細化，例如將沖擊韌性的合格指標從固定值(40%)改為與外徑成正比的系列值(40%～50%)。