李廣東，石岳良

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

鑄造鈦合金因?yàn)槠涿芏刃　⒈葟?qiáng)度高、塑韌性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)合精密鑄造技術(shù)基礎(chǔ)上，各類鈦合金鑄件被廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海、造船、化工、五金零件、體育用品、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。鑄造鈦合金在成形過程中，會存在鑄造缺陷如縮孔、氣孔、裂紋、夾雜等，這些缺陷可以通過補(bǔ)焊技術(shù)消除。鑄造鈦合金補(bǔ)焊質(zhì)量直接關(guān)系到鑄件的性能和使用壽命，因此，需要充分掌握鑄造鈦合金的補(bǔ)焊特性、補(bǔ)焊工藝特點(diǎn)、補(bǔ)焊方法適用性、補(bǔ)焊產(chǎn)生的缺陷控制和消除，并且在補(bǔ)焊之前做好充分的焊前準(zhǔn)備，選擇合適的補(bǔ)焊參數(shù)，焊后進(jìn)行合理的冷卻方法，必要時進(jìn)行合適的后處理方法，從而最終確保鈦及鈦合金制件的補(bǔ)焊質(zhì)量?？捎糜阼T造鈦合金的補(bǔ)焊方法有氬弧焊、電子束焊、等離子焊、激光焊等，為此，需要綜合各方面因素考慮，選擇最佳的補(bǔ)焊方法。

1 鑄造鈦合金補(bǔ)焊特性

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的，但是，在補(bǔ)焊過程中，合金在熔滴和熔池狀態(tài)下與氫、氧、氮等元素發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，如果沒有很好的氣氛保護(hù)，在鈦合金補(bǔ)焊后極易表面氧化、氣孔和脆化缺陷。氣孔的出現(xiàn)會使鈦合金補(bǔ)焊區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，并減小受力面積，嚴(yán)重影響補(bǔ)焊區(qū)強(qiáng)度。脆化也會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋，造成產(chǎn)品性能失效。

圖1 補(bǔ)焊缺陷照片F(xiàn)ig.1 Welding repair of defect

2 鑄造鈦合金補(bǔ)焊缺陷影響因素

2.1 氧

氧的吸入會使鈦合金在高溫時發(fā)生氧化，形成新的氧化物，如氧化鈦、二氧化鈦，這些氧化物的產(chǎn)生會導(dǎo)致補(bǔ)焊區(qū)塑性下降，在殘余應(yīng)力作用下，嚴(yán)重時會發(fā)生脆性裂紋，因此，為了得到極好的補(bǔ)焊性能，需要在補(bǔ)焊過程中防止補(bǔ)焊區(qū)和熱影響區(qū)吸氧而發(fā)生氧化。通常，補(bǔ)焊區(qū)和補(bǔ)焊熱影響區(qū)的表面顏色是氧化程度的標(biāo)志。銀白色表示無氧化，淺黃色、黃色表示輕微氧化，淺藍(lán)色、藍(lán)色表示氧化較嚴(yán)重，深藍(lán)色或灰色表示氧化極其嚴(yán)重。

2.2 碳

在鈦合金補(bǔ)焊中，碳的存在會使金屬塑性有所下降，在補(bǔ)焊應(yīng)力作用下，極容易出現(xiàn)裂紋。碳的來源主要是氣氛、鑄件表面污染、石墨工裝等。

2.3 氫

氫脆問題一直是鈦合金使用過程中被廣泛關(guān)注的問題。氫元素極易在高溫下擴(kuò)散入鈦合金基體中，會導(dǎo)致補(bǔ)焊區(qū)裂紋出現(xiàn)。這是由過量氫形成的氫化物所造成的。在鈦合金補(bǔ)焊中，如果有氫的吸入，會使補(bǔ)焊區(qū)產(chǎn)生較大力學(xué)性能的變化，其塑性和韌性顯著降低。

2.4 氮

氮對補(bǔ)焊質(zhì)量的主要影響是在補(bǔ)焊區(qū)產(chǎn)生氣孔和裂紋，出現(xiàn)這些缺陷后，補(bǔ)焊區(qū)的抗拉強(qiáng)度、硬度均會產(chǎn)生較大的變化。

3 鑄造鈦合金補(bǔ)焊后缺陷的檢測方法

鑄造鈦合金補(bǔ)焊后檢測的方法包括目視檢查、尺寸檢查、熒光滲透檢查、X光紅色線檢查等。目視檢查主要是為了評估氣體保護(hù)的好壞，通過焊后表面的顏色來判斷焊后可接受，還是不可接受。尺寸檢查主要是通過測量儀（如GOM光學(xué)測量儀、三坐標(biāo)測量儀等）對焊后的變形、塌陷、凹凸、扭曲等做出判斷。滲透檢測主要是通過磁粉、熒光液等對焊后表面是否產(chǎn)生了表面裂紋進(jìn)行確認(rèn)。X光射線檢測主要是對焊后補(bǔ)焊區(qū)內(nèi)部進(jìn)行探傷，來確認(rèn)是否產(chǎn)生焊后的未熔合、氣孔、裂紋、夾雜等內(nèi)部缺陷，因此，射線檢測也成為了鈦合金焊后表面氣孔和裂紋、內(nèi)部氣孔和裂紋的應(yīng)用較廣泛的檢測方法。

4 鑄造鈦合金補(bǔ)焊缺陷的有效控制方法

4.1 鈦合金補(bǔ)焊氣孔的控制措施

做好焊前處理。補(bǔ)焊工件和焊料的表面狀況對補(bǔ)焊區(qū)的性能具有很大影響，因此必須選擇合適的方法去除掉工件和焊料表面的氧化皮、油污等。在鈦合金補(bǔ)焊領(lǐng)域內(nèi)，常見的方法有化學(xué)清理和機(jī)械清理兩種：① 機(jī)械清理，使用硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼刀對工件表面進(jìn)行刮削，以去除氧化膜，油污、雜質(zhì)等； ②化學(xué)清理，使用氫氟酸和硝酸對工件及焊料進(jìn)行表面清洗。

做好焊前烘干。在清洗的基礎(chǔ)上，補(bǔ)焊工件和焊料在焊前均需要使用烘箱進(jìn)行烘干，確保干燥，以防止因?yàn)槭艹倍写罅克?，避免在補(bǔ)焊過程中出現(xiàn)氣孔缺陷。

使用真空下惰性氣體保護(hù)。在補(bǔ)焊時，盡量在真空焊箱內(nèi)或采用惰性氣體保護(hù)，可以有效減少氣孔和表面氧化的產(chǎn)生。在鈦合金補(bǔ)焊的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，常用的惰性氣體為氬氣，純度一般不低于 99.99%，露點(diǎn)一般在-40 ℃以下。

使用合適的補(bǔ)焊坡口形式。一般來講，選擇合適坡口的原則是，在滿足缺陷修復(fù)的條件下，盡量使補(bǔ)焊區(qū)域少、補(bǔ)焊填充金屬量少。因?yàn)檠a(bǔ)焊量越大補(bǔ)焊區(qū)域越容易吸氣、氧化，熱應(yīng)力越大，易導(dǎo)致補(bǔ)焊區(qū)產(chǎn)生補(bǔ)焊缺陷的概率升高，因此鈦合金工件補(bǔ)焊時一般選擇開設(shè)70°～80°的“U”型坡口形式。

使用合適的補(bǔ)焊工藝參數(shù)。影響鈦合金補(bǔ)焊質(zhì)量的補(bǔ)焊工藝參數(shù)主要有：保護(hù)氣體的流速、使用的補(bǔ)焊電流、補(bǔ)焊速度、焊道層數(shù)、焊絲直徑等。通常選擇合適的補(bǔ)焊工藝參數(shù)，可以提高補(bǔ)焊質(zhì)量，也可以提高工藝效率。

4.2 鑄造鈦合金補(bǔ)焊裂紋的控制措施

補(bǔ)焊工件及焊料的焊前預(yù)熱處理。在補(bǔ)焊前，需要對鈦合金工件進(jìn)行整體均勻的預(yù)熱。如果不進(jìn)行預(yù)熱，補(bǔ)焊時由于金屬局部的激熱，導(dǎo)致在補(bǔ)焊區(qū)附近產(chǎn)生較大的溫度梯度，會出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。在補(bǔ)焊前，采用預(yù)熱也就是減少這種激冷效應(yīng)，即減少應(yīng)力集中。換句話說，將工件進(jìn)行均勻的整體預(yù)熱，可以減少補(bǔ)焊區(qū)域熱影響區(qū)的溫度梯度。另外，在焊料的選擇上，一般選擇與母材金屬相同的成分，當(dāng)然，有時也是為了提高補(bǔ)焊區(qū)塑性，可經(jīng)常選擇比母材金屬低一級的焊料，這也是避免補(bǔ)焊區(qū)產(chǎn)生脆性裂紋的辦法。

焊后冷卻處理。焊后施行隨爐緩慢冷卻，可以降低冷卻速度，減少補(bǔ)焊區(qū)殘余應(yīng)力，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜易變形開裂的鈦合金結(jié)構(gòu)件，有助于降低補(bǔ)焊裂紋傾向。

焊后振動時效去應(yīng)力。使用振動時效設(shè)備對補(bǔ)焊工件進(jìn)行處理，用以消除殘余應(yīng)力。目前應(yīng)用最廣泛的方法有兩種：一種是超聲振動，另一種是機(jī)械振動。

焊后真空熱處理去應(yīng)力。補(bǔ)焊工件在焊后會產(chǎn)生補(bǔ)焊應(yīng)力，補(bǔ)焊應(yīng)力在工件中的存在會降低補(bǔ)焊區(qū)的實(shí)際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致補(bǔ)焊工件的損壞。焊后真空熱處理是通過高溫將焊后應(yīng)力進(jìn)行均勻穩(wěn)定釋放的過程。最常規(guī)的熱處理方法是將工件整體放入真空爐中，緩慢加熱到一定溫度，一般采用730～750 ℃，然后保溫一定時間，一般采用2～3 h，最后隨爐冷卻至室溫。由于鈦合金高溫下易氧化，所以必須真空熱處理或惰性保護(hù)氣氛下熱處理。

5 鑄造鈦合金補(bǔ)焊方法的優(yōu)缺點(diǎn)及選用原則

5.1 鎢極氬弧焊

氬弧焊是在惰性氣體氬氣的保護(hù)作用下進(jìn)行的一種加料式電弧補(bǔ)焊方法。這種補(bǔ)焊電弧熱量集中、電流密度較高、熱影響區(qū)大，得到補(bǔ)焊區(qū)的補(bǔ)焊質(zhì)量高。補(bǔ)焊方法簡單易行，設(shè)備投資較少，成本較低。鎢極氬弧焊屬于明弧操作，熔池可觀性好，便于觀察和操作，技術(shù)容易掌握，不受補(bǔ)焊工件位置限制，可進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件全位置補(bǔ)焊。目前該方法在鈦合金缺陷修復(fù)中使用最廣泛。

5.2 等離子弧焊

在鈦合金補(bǔ)焊中，等離子弧焊一般選用氬氣來進(jìn)行保護(hù)，等離子弧補(bǔ)焊方法比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。由于其重復(fù)性差，導(dǎo)致等離子弧焊在鈦合金中一直不能很好推廣，還有另外一個原因是，補(bǔ)焊設(shè)備較貴，初次投資大，等離子弧焊槍及控制線路復(fù)雜，噴嘴使用壽命低，這些均對鈦合金補(bǔ)焊工藝的發(fā)展造成了一定的影響。

5.3 電子束焊

電子束焊是靠一束加速高能密度電子流撞擊工件，在被焊工件表面很小密積區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱量，形成“小孔”效應(yīng)，從而實(shí)施深熔補(bǔ)焊。真空電子束補(bǔ)焊工藝在鈦合金補(bǔ)焊中得到的補(bǔ)焊區(qū)質(zhì)量較高。電子束補(bǔ)焊方法的能束焦點(diǎn)小，熱量非常集中，因此電子束焊后得到的補(bǔ)焊區(qū)較窄，熱影響區(qū)極其小。補(bǔ)焊區(qū)的晶粒也比較均勻，致使補(bǔ)焊接頭的強(qiáng)度較高。當(dāng)然，電子束補(bǔ)焊也具有一定的缺點(diǎn)，比如其需要在高真空環(huán)境下進(jìn)行，因此，這導(dǎo)致補(bǔ)焊工件的尺寸具有一定的局限性，這將對補(bǔ)焊工件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，因此電子束補(bǔ)焊方法在鈦合金補(bǔ)焊中無法進(jìn)行大批量的生產(chǎn)應(yīng)用，也不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的全位置補(bǔ)焊修復(fù)。

5.4 激光焊

激光補(bǔ)焊，焊料可以采用絲材和粉料，具有能量密度集中、補(bǔ)焊區(qū)成形好、操作簡單、易實(shí)現(xiàn)自動化、可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。鈦合金的激光補(bǔ)焊區(qū)成形均勻、熔深和熔寬均很小，所以焊后變形較小。達(dá)到補(bǔ)焊質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)精密補(bǔ)焊。然而，激光補(bǔ)焊成本較高，設(shè)備投資也比較昂貴，補(bǔ)焊工件位置需要非常精確，因此均需要投資制作專用工裝。在成本可控條件下，未來激光焊在鑄造鈦合金修復(fù)應(yīng)用中會越來越廣泛，是一個值得關(guān)注的新技術(shù)。

鑒于表1所述各種補(bǔ)焊方法優(yōu)缺點(diǎn)的對比，考慮到投資成本、工作效率、操作方法、質(zhì)量水平等綜合因素，鈦合金補(bǔ)焊生產(chǎn)中最優(yōu)選的是鎢極氬弧焊。鎢極氬弧焊可以獲得補(bǔ)焊質(zhì)量好、施焊效率高、操作方法易掌握、補(bǔ)焊變形較小、修復(fù)位置可達(dá)性高等較好的綜合性能。

表1 各種補(bǔ)焊方法優(yōu)缺點(diǎn)的對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of various welding repair methods

6 結(jié)論

在鑄造鈦合金補(bǔ)焊中，需要熟練掌握鈦合金的補(bǔ)焊特性，熟知產(chǎn)生補(bǔ)焊缺陷的影響因素，通過不同的檢測方法對焊后缺陷進(jìn)行識別及分析，從而對補(bǔ)焊缺陷進(jìn)行有效控制。通過優(yōu)選合適的補(bǔ)焊方法在鈦合金補(bǔ)焊中進(jìn)行推廣及應(yīng)用，可有效提高鈦合金鑄件質(zhì)量、降低廢品率、減少成本、擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

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