TC4钛合金球形高压气瓶赤道缝电子束焊接研究

作者:李立善;于斌 刊名:航天制造技术 上传者:程春刚

【摘要】TC4钛合金高压气瓶是一种空间系统应用较广泛的气体贮存装置,气瓶赤道缝的焊接质量直接影响气瓶使用寿命、可靠性和安全性。通过电子束与钛合金作用机理和工艺裕度角度分析,改进了焊接工艺,优化了电子束工艺参数,获得成型良好、力学性能优良的电子束焊缝,良好地解决了气瓶赤道缝电子束焊接的飞溅问题。

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1引言TC4钛合金具有比强度高、耐腐蚀性和抗疲劳断裂性能好、综合性能优越等特点,在航天领域得到了广泛应用。该球形气瓶为某型号卫星的标准零部件,可靠性要求较高,TC4钛合金导热性差,采用非高能束焊接方式往往焊接成型和焊缝强度不满足要求,电子束焊接能量密度高,焊缝及热影响区小,焊缝强度高等特点成为该气瓶研制的首选技术,但是厚壁球形气瓶赤道缝电子束焊接时成型性差,深穿透后不能有效防止内壁飞溅,为攻关技术难题,本文对该球形气瓶电子束焊接工艺进行了研究。2实验方法试件为某型号高压气瓶赤道对接焊缝,焊缝厚度6mm,材料为经过热冲压后固溶处理的TC4钛合金,母材的化学成分及其力学性能参数如表1所示。焊接设备采用乌克兰巴顿焊接研究所研制的KL113电子束焊机,进行电子束熔透焊接,焊后去应力退火,焊接工艺参数见表2,测试了焊接接头的力学性能,通过气瓶赤道焊缝宏观形貌分析焊缝成型,按照GJB1718A2005《电子束焊接》标准检验焊缝。a100b400图1TC4钛合金经热冲压和固溶处理后组织形貌3实验结果与分析3.1焊前试件状态焊接试件采用两半球体对接焊缝电子束焊接,TC4钛合金半球由板材经过热冲压成型,后经过固溶处理。图1为半球毛胚件固溶后的微观组织形貌,TC4钛合金组织为密排六方点阵结构的相和少量体心立方点阵结构相的机械混合物,晶粒细小均匀,母材中原始精细组织为等轴的相组织,针状相均匀分布在相基体上,TC4钛合金母材的轧制方向较明显。3.2焊接接头力学性能高压气瓶赤道缝电子束焊接接头及热影响区室温拉伸试验结果见表3,电子束焊接的快速冷却作用在焊缝区形成了马氏体组织,热影响区组织为细小的针状马氏体和原始相的混合物[1],TC4钛合金电子束焊接接头和热影响区的室温抗拉强度与母材很接近,焊接拉伸试件的韧性较好,采用该工艺可获得力学性能良好的焊接接头。表3气瓶电子束焊缝和热影响区力学性能材料状态抗拉强度/MPa焊缝1010热影响区1030由于TC4钛合金熔点高、导热性差、比热小,导致在电子束焊接过程中转化温度以上的停滞时间长,焊缝区域晶粒严重长大[2];焊缝区域产生了单一的马氏体,综合影响下,TC4钛合金电子束焊接接头抗拉强度略低于母材。3.3焊缝成型图2为高压气瓶产品、电子束焊缝正面、背面、截面的宏观照片。高压气瓶属于航天卫星的标准部件,其焊缝检测标准按照GJB1718A2005《电子束焊接》标准执行,如图2a所示,高压气瓶焊后经测量,焊后变形小,外形轮廓尺寸满足要求,气瓶内部无飞溅;焊接接头表面无裂纹、烧穿、未焊满、焊瘤、气孔和夹杂物,见图2b;焊缝不存在未焊透、未熔合等缺陷,见图2c;焊缝宽度、焊缝正反面余高等形貌几何参量满足GJB电子束焊标准,无咬边、错边等缺陷,见图2d。经X射线检测,焊缝无气孔裂纹产生。综上,某型号高压气瓶赤道电子束焊缝达到GJB1718A2005标准,属于级焊缝。气瓶赤道焊缝无气孔产生,经分析,焊接前对焊缝进行处理,采用化学清洗和机械清洗相结合的方法,用氢氟酸和硝酸的混合液酸洗的方法去除接头处的油污、氧化物、锈迹,后采用机械方法去除焊缝表面的氧化膜,有效去除了杂质对焊接气孔产生的影响,由于钛在常温下与氧的亲和力较强,在处理后尽快对气瓶半球体对接缝进行电子束焊接,防止二次氧化。焊接时采用电子束按指定波形高频扫描,熔池受到搅拌,有利于气体排出[3]。研究发现,随着电子束频率的增加,气孔尺寸及数量减少,当频率达到某一定值时,气孔尺寸变化不明显。产品经声发射试验,焊缝达到级焊缝标准,电子束焊接在高真空环境下进行,有效避免了氢杂质带来的影响[4]。T

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