水下航行器钛合金密封壳体焊接特性研究.pdf

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1、第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&0CEANENGINEERINGV01．39No．3JurL2010DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2010．03．034水下航行器钛合金密封壳体焊接特性研究李新会(中船重工集团第七一。研究所，湖北宜昌443003)摘要：密封壳体是水下航行器最重要的部件，本文分析了TC4(Ti6A14V)的焊接特性，提出了具体的工艺方案，针对密封壳体制定了可行的焊接方案和操作规范。关键词：TCA；密封壳体；焊接；水下航行器中图分类号：U671．83文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010

2、)03一0118—04进入21世纪后，海洋的战略地位凸现，海洋科学考察、海洋环境监测、海洋资源勘探技术进入了快速发展的阶段，水下航行器得到了深入而广泛的应崩【lJ。水下航行器密封壳体材料大多使用轻合金，而目前围内还未完全掌握轻金属(铝合金、钛合金、镁合金等)焊接结构制造的关键技术，如焊接工艺、焊接接头组织和性能的控制、接头和结构寿命的评价等L2]。因此，对水下航行器壳体材料焊接性能的研究十分必要。1TC4焊接性分析焊缝和近缝区存在残余拉应力，两侧则存在与其平衡的压应力。残余拉应力的存在可能引起焊接冷裂纹、结构脆断、应力腐蚀开裂和疲劳寿命降低等不良后果；压

3、应力则可能导致薄壳结构失稳翘曲变形，从而影响焊接质量[3]。特别是航行体工作于水下，因航行体本身存在高频振动，并有可能承受水下强冲击，因此必须避免存在裂纹、气孔、变形。1．1热裂纹TC4是一种室温下呈现a+8型两相组织的钛合金，其化学成分见表1。表1TC4(Ti6A14V)的化学成分元素AlVFeSiCNHOTi雾曩二；?81j?。o．so．，s。．，o．oso．o，o．12Bal收稿日期：2010—04-08修回日期：2010—05-05作者简介：李新会(1966-)，男，学士，工程师。研究方向：海洋勘探产品开发与应用。E-mail：yclixinhu

4、i@sina．corn118由表1可知：该钛合金中S、P、C等元素含量很少，因此钛合金焊接时，由于S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上，加之有效结晶温度区间窄小，凝固时收缩量小，焊接接头产生热裂纹的可能性很小。1．2冷裂纹钛合金焊接时，热影响区可出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间，称作延迟裂纹。黄澈等L4‘7]的研究结果表明，钛元素的化学活泼性高，具有很强的亲和力，很容易与接触的杂质化合，钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，当含氧量超过0．30％，含氮量超过0．13％时，焊缝会因过脆而产生裂纹。焊接过

5、程中氢由高温熔池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出Till：量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源。1．3贯穿性裂纹贯穿性夹渣裂纹是由于打底时正、背面的焊渣未清理干净造成的；贯穿性未熔合裂纹是由于焊接线能量输入不够引起的，见图1。伞ka)夹渣裂纹b)未熔合裂纹图l贯穿性裂纹水下航行器钛合金密封壳体焊接特性研究——李新会I．4焊缝气孔气孔是钛材焊接时比较容易产生的缺陷，主要原因是板材、焊材表面不干净，

6、另外包括操作者手套上的水分、油脂及环境中的含碳物质、砂磨机磨下的沙粒、飞尘等。焊缝金属中的气孑L主要影响到接头的疲劳强度。防止产生气孑L的工艺措施主要有：1)保护氩气要纯，纯度应不低于99．99％，也可以用氦一氩混合体或纯氦实施焊接区的保护。2)彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮油污等有机物。3)对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象。4)正确选择焊接工艺参数，增加深池停留时间，气泡逸出，可有效地减少气孔。1．5变形TC4的弹性模量E一110GPa，约为钢的1／2，其热导率较低，为7．955W／(m·K)，为铁的1／5，铝的

7、1／10，因此其自身的物理性能决定了产生焊接变形是不可避免的，必须采取保护措施。1)严格控制焊缝的焊接热输入量，采用小电流快速焊，在不产生夹渣的情况下，尽量选择电流值的下限，以免过高的电流而产生焊接变形。2)通过工装增加刚性。3)对焊接区背面进行强制冷却，如对焊缝背面浇冷却水，密封槽内垫紫铜垫圈导热等。4)焊后进行超声波冲击处理。2TC4焊接实例2．1壳体结构及技术要求某型水下航行器密封壳体(见图2)外径624mm，壁厚6mm，要求破损压力不小于32MPa。￡J{-I-d‘ll∥1用f习≤I1≮～园——-_-一图2某型水下航行器密封壳体头部为椭圆形封头，

8、中间段采用圆筒结构，两侧开窗口。h。、h，、hz、h3为不同位置壁厚，壁厚h2处