钛合金带筋壁板穿透焊工艺研究

作者:杨磊;倪家强;陈华;刘新宇;张春光;徐在山 刊名:航空制造技术 上传者:宋建华

【摘要】从焊前准备、焊接装配、焊接保护、焊后校形、力学性能等5个方面,研究了钛合金穿透焊工艺及其焊接工艺参数,分析了焊接接头的组织性能。结果表明,充分的焊前准备、正确的焊接装配、有效的焊接保护及合理的焊接工艺参数是获得优质钛合金焊接接头的保证;焊后正确的热处理是零件保形的必要条件。

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某钛合金壁板零件的材料为TA15,厚度为2.5mm。筋条为变截面型材,与壁板接触处的厚度为1.8mm。钛合金在高温下(加温到400以上),特别是在熔融状态下与气体(氧、氮和氢)具有很大的化学活泼性,这是在大气下焊接钛合金所遇到的主要难题。钛合金与这些气体元素作用将引起焊接接头性能的下降和脆化。因此,在焊接钛合金时,获得优质焊接接头的必备条件是:不仅要可靠地保护好焊接熔池免受空气的污染,而且也要保护好焊缝金属的冷却段、近缝区和焊缝的反面金属,直至温度降至400以下。钛合金焊接的另一个难题是加热到高温时,晶粒长大的倾向大。由于钛合金的导热性差,使焊缝和近缝区在高温下的停留时间增长,晶粒将进一步长大。为此,要尽量采用线能量小且能量集中的焊接方法,焊接时最好在焊件的正反面采用紫铜散热板来提高焊缝和近缝区的冷却速度。钛合金焊缝最常见的缺陷是气孔和冷裂。它们对焊缝的性能都会产生直接的影响。产生气孔的主要原因是焊接区域有污染物和母材本身的含气量高。综上所述,采用钨极局部保护自动氩弧焊焊接钛合金时,必须对钛合金的选材、接头的焊前准备、焊接过程、焊后处理等方面进行严格的控制,才能获得优质的焊接接头。1试验1.1钛合金氩弧焊焊前准备钛合金焊接接头的质量在很大程度上取决于接头边缘和钛焊丝的焊前准备。因此在焊接钛合金结构前必须对焊件和焊丝进行严格的清理。(1)母材和焊丝中的氢、氧和氮的含量,要进行严格控制。一般要求限制气体含量在:N20.04%、O20.15%、H20.01%,如果母材和焊丝中的气体含量超过上述范围,应对其进行真空除氢除气处理,使其满足要求。(2)待焊零件和焊丝要进行彻底除油即去除表面的污染物,按标准进行酸洗烘干。(3)接头两面边缘区域15~20mm宽的范围内的表面用不锈钢丝刷仔细打磨,并用刮刀刮削接头端面至粗糙度不高于Ra3.2。焊前要用丙酮进行擦拭,不允许用手直接触摸已清理好的零件待焊处。(4)焊前对工装、散热板等用丙酮和酒精进行擦拭。1.2带筋壁板穿透焊焊接工艺当焊接电流与电弧电压为某一确定值时,由电弧弧柱熔化弧柱下的被焊金属并形成一个小孔,随着电弧的移动,该小孔不断被新的熔化金属填充,深处金属的熔化由热的传导和熔池的搅拌引起。保证有一恒定的电弧压力,控制电弧长度较短,一般为0.5~1.0mm左右。利用穿透焊原理,可将穿透焊用于钛合金带筋壁板及其他丁字形焊接接头。焊接此类接头时,需要熔透较大厚度的壁板使筋条熔化并在接头背面筋条的两侧形成均匀的焊根圆角。焊接电弧或钨极端头要下潜到母材的表面以下,这时焊接电弧受到四周熔池同固态金属的约束,焊接热输入得到充分利用,增加了穿透能力。为了降低焊接变形,减小铸态组织区的宽度并使铸态组织区的晶粒更细化,要求夹具结构中的正反面的冷却压块和成形垫板按零件外形设计并贴紧,以保证焊缝金属及热影响区快速冷却。1.3钛合金壁板穿透焊接工艺技术研究钛合金壁板的穿透焊接工艺主要是蒙皮与长桁的穿透焊。其工艺的主要技术关键包括:(1)蒙皮与长桁的穿透焊工艺过程及规范参数优化;(2)筋条与蒙皮之间的间隙控制;(3)焊接接头质量及性能的保证;(4)焊接应力变形的控制;(5)焊接接头的焊接残余应力、金相组织、气体含量、拉伸、弯曲性能等的检测。2试验研究过程2.1试验材料焊接试验采用的板材为厚度2.5mm和1.8mm的TA15板材,焊丝牌号为TA0-1,规格为1.6mm。材料成分及性能指标如表1、2所示。2.2试件的装配试验采用的焊接试片的尺寸为平板600mm100mm2.5mm,筋条600mm30mm1.8mm。装配间隙对焊接质量影响非常

参考文献

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