TC4钛合金电子束焊缝质量缺陷分析与预防

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1、制造技术研究航天制造技术饲奄技jIc研茄TC4钛合金电子束焊缝质量缺陷分析与预防张永和何俊张涛(兰州空间技术物理研究所，兰州730000)摘要：在分析钛及其合金的焊接性的基础上，总结了电子束焊接Tc4钛合金过程中容易出现的典型焊缝质量缺陷，如裂纹、气孔以及咬边等，阐述了各种缺陷的形成机理，归纳并提出了各种缺陷的预防措施。关键词：钛合金；电子束；缺陷；预防AnalysisandPreVentionofQualityDefectsofTC4TitaIliumAlloyWreldbyElectronBeamW．eldingzh姐

2、gYon曲eHeJunZhallgTao(I舢zhouIIlstitutcofPhysics，LallZllou730000)Abstract：BasedontIleweldabilityanalysisofti谢umanditsalloys，tllispapersurmI谢zesthetypicalquah够de‰tSofTC4titaIliumalloyweldusedelec缸伽be锄welding，suchascracks，bubbleaIldundercut．nlen，fb肌ationmechaIlismof妞V

3、砸ousdef＆tSisdesc曲edandkiIldsofde钕tspfeVen矗onaresu衄撕zedandproposed．KeywOrtls：titaniumaUoy；electronbe锄weldiIlg；def＆ts；preVention1引言钛及其合金是50年代兴起的一种重要金属结构材料，TC4钛合金由于比强度高、耐腐蚀性好、综合性能优越等特点，在航空航天、化工机械、医药工程和休闲行业中得到了广泛的应用。目前，钛合金的焊接通常采用传统的钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊或等离子弧焊进行焊接，但这几种焊接方法都需要填充

4、焊接材料，由于保护气氛、纯度以及保护效果等因素的限制，容易出现焊缝区脆化、焊接气孔及裂纹等缺附卜41。电子束焊接技术与其它熔化焊相比，具有功率密度大、深宽比大、焊接区变形小、能耗低、易于控制实现自动化等优点，得到了各个行业的高度重视及应用发展。采用能量集中的电子束作为TC4钛合金熔焊的热源，无疑成为TC4钛合金焊接加工的首选方法之一【5～91。2TC4钛合金焊接性钛及钛合金的焊接性能，具有许多显著特点，这些焊接特点是由于钛及钛合金的物理、化学性能所决定的。钛的基本性质见表l，在常温下，钛是比较稳定的，但随温度的升高，吸收氢

5、、氧、氮的能力逐渐增加。焊接实践表明，在焊接过程中，液态溶滴和溶池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用。大约在250℃左右就开始熔解氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。这些气体被钛吸收后，将会引起焊接接头的脆化，对焊接质量造成很大的影响。作者简介：张永和(198卜)，工程师，材料加工工程专业；研究方向：电子束加工及表面改性技术研究。收稿}

6、期：20lo_04一1617崩造技术研究2010年6月第3期表1钛的基本性质f熔点沸点线膨胀系数比热容瓜／K密度，g·cml，×10‘℃“1，J·(kg·℃)’1194l5393

7、4．5078．64O．52TC4钛合金化学成分及物理性能分别见表2和表3。由于TC4钛合金的弹性模数低、线膨胀系数、导热系数小等特点，在同样应力作用下，焊接钛合金时变形比钢大一倍，在同样热源功率下，钛合金的熔池尺寸要增大，熔池的长度约比不锈钢大1．5倍，比低碳钢大2．3倍，比铝大16倍。故在同样规范条件下，钛合金的焊缝较宽。表2TC4钛合金的化学成分wt．％表3TC4钛合金室温下物理性能热导率比热容线膨胀系数密度I册。(皿．℃)‘l，J·豫·℃)一1，×lO。6℃’’詹锄々6．86ll9．14．44W4钛合金的焊接性较好，

8、它们可以在退火状态或固溶时效状态下焊接，焊接接头具有满意的性能。TC4钛合金焊接接头的组织与性能，除了与母材的原始成分和组织形态有关外，还与焊接热循环有很大关系。当焊接线能量增加时，使接头最高加热温度升高，高温停留时间增长，冷却速度减慢，热影响区范围扩大，促使B晶粒严重过热长大，从而导致接头塑性下降。采用较小的焊接线能量，可以减小缝合热影响区的脆性，提高接头的性能。多数T<14钛合金的焊缝塑性低，就是在焊缝及热影响区中存在相变的缘故。3TC4钛合金电子束焊缝质量缺陷3．1焊接裂纹钛和钛合金中硫、磷、碳等杂质很少，低熔点共晶

9、很难在晶界出现，有效结晶温度区间窄，加之焊缝凝固时收缩小，因此采用电子束焊接时很少出现焊接热裂纹、应力裂纹和冷裂纹【l01。钛合金焊接接头的裂纹主要是出现在热影响区的延迟裂纹，这与氢有关。由于钛合金多用作结构材料，氢致延迟裂纹有可能引起灾难性的事故，氢致钛合金延迟断裂的现象已经得18到了广泛的关注【l卜