關鍵詞：鈦合金；手工鎢極氬弧焊；焊接工藝
1 前 言
鈦及鈦合金具有比強度高、塑性和高溫抗蠕變性能良好等優異特性。此外，它的韌性、高溫強度、成型性以及加工性都很優異。因此，該合金在航天領域，特別是航天壓力容器的制造中應用廣泛。
鈦及鈦合金具有良好的焊接性，鎢極氬弧焊、電子束焊等焊接方法在鈦及鈦合金的焊接中應用廣泛。但是, 在焊接的過程中出現的氧化和氣孔問題又給焊接帶來了一定的難度。航天壓力容器研制中心針對貯箱內芯在組焊過程中，由于結構和空間的限制，某些管焊縫無法運用自動管焊機完成焊接，必須運用手工鎢極氬弧焊進行鈦合金管焊接的難題，通過設計專用防氧化工藝裝備和制定合理的焊接工藝，成功解決了其焊接難題，獲得了一次焊接合格率98%的優質焊縫。
2 鈦合金的焊接性
2.1 焊接接頭的氧化
鈦合金的化學性質較為活潑，與氧、氮、氫等元素有很大的親和力，在400℃以上時極易被空氣、水分、油脂、氧化物污染；超過600℃開始氧化, 650℃以上，雜質擴散到鈦材中，達到足夠的量，產生脆化；超過700℃逐漸生成氧化膜，800℃以上氧化膜溶解在鈦材中。在焊接的過程中，鈦合金熔化，吸收氧、氮、氫、碳的速度快，使合金的強度和硬度增加，而塑性和韌性降低，焊縫易出現脆性斷裂。
2.2 氣孔
鈦合金材料在焊接過程中易出現氣孔。氣孔是鈦合金焊接最常見的缺陷，占缺陷的70%以上。焊接接頭中的氣孔易引起微裂紋和應力集中，氣孔邊緣含氫量高，使焊接接頭的塑性、斷裂韌性、沖擊韌性、疲勞強度以及靜態強度均降低，甚至導致某些鈦合金焊接接頭發生斷裂。
2.3 焊接線能量對接頭性能的影響
為了使鈦合金焊接接頭熱影響區獲得一定的強度和良好的塑性，需要選用適當的冷卻速度。在焊接過程中, 冷卻速度基本上是由焊接線能量決定的。隨著焊接線能量的增大，熱影響區的高溫停留時間增長，熱影響區面積增大，且晶粒變得粗大。用過大的焊接線能量進行鈦合金的焊接是不合適的，將導致焊接接頭塑性明顯下降。
3 焊接工藝
3.1 焊前準備
針對上述鈦合金的焊接特點，為了保證鈦合金管的焊接質量，解決鈦合金材料焊接接頭的氧化和氣孔問題, 鈦管焊前須做以下工作：
3.1.1 合理選擇焊絲
焊接TC4鈦合金時，推薦采用TC4 鈦合金焊絲，這樣可改善焊縫的塑性。TC4鈦合金焊絲能保證鈦合金焊后無論是退火還是熱處理強化狀態，都有足夠高的強度和最大沖擊韌性。焊絲成分應保證能用于各種類型的單層焊和多層焊。在焊縫金屬重復加熱和局部熔化時，不應形成中間脆性相。
3.1.2 焊前焊件清理
焊前對鈦管表面上的氧化膜及油污等有機物進行徹底清理；對焊絲表面的水分、手印痕跡、油污、氧化膜以及灰塵等污染物進行徹底清理。如果焊接端面有剪切痕，要進行機械加工去除。
將鈦管和焊絲在5%HF+25%HNO3 +70%蒸餾水溶液中酸洗15~30s，酸洗液溫度為27~71℃。酸洗后先用熱水、冷水沖洗，并用白布擦拭鈦管內外表面，置于200℃烘箱內烘干。已清洗的鈦管放置時間不宜超過24h，為保持焊接件坡口處的清潔，干燥完畢后將鈦管裝入潔凈的塑料袋中，封口。焊絲應放于150~200℃的烘箱內待用。
3.1.3 焊接保護氣
焊接過程中采用高純度低露點氬氣，氬氣純度須≥99.99%，防氧化工藝裝備的通氣管道不宜采用橡皮管，以尼龍軟管為好。
3.2 焊接坡口
為了降低焊接接頭的應力值，防止焊接裂紋，坡口結構不但考慮熔透, 而且盡量減少根部熔合比。再者，鈦合金熔化時流動性大，為此取較小的坡口鈍邊，為0.5~1mm。坡口角度不宜過大，為60°~65°，以減少填充金屬量。坡口型式如圖1所示。
焊接坡口
3.3 防氧化工藝裝備 在鈦管焊接時，保護區域包括三部分：熔池的保護、焊縫熱影響區的保護以及鈦管的內部保護。為了有效解決鈦管焊接的保護問題，獲得良好的焊接接頭，我們設計了專用的防氧化工藝裝備，結構示意如圖2所示。焊接前，將完成定位點焊的鈦管及焊絲置于防氧化室內，通過抽氣和充氬為鈦管的焊接提供一個良好的防氧化氛圍。
3.4 焊接工藝規范 手工鎢極氬弧焊焊接鈦管的焊接參數主要包括鎢極直徑、焊接電流、焊接電壓、焊絲直徑、焊接速度等。根據鈦合金材料的焊接特性分析，鈦管的焊接一般采用較小的焊接線能量, 推薦的焊接規范參數范圍如附表所示。
3.5 焊接 在正式焊接之前必須先焊接試件, 試件坡口形狀尺寸、焊接規范參數、氬氣純度、焊前準備等必須和正式產品一致，目的是檢驗選擇的焊接規范參數是否合適，是否達到最佳。試件的焊縫經檢驗合格后，方可進行正式產品的焊接。鈦管焊接流程見圖3。
正式焊接時，焊工要思想集中，檢查焊接電壓、焊接電流是否正確，通氣管路、電機等工作是否正常，人員齊備各負其責，這時方可進行焊接。在焊接過程中，焊工要保持好鎢極與焊縫的距離，第1遍打底焊時，要確保反面能夠成形；第2遍填絲蓋面焊時，要嚴格控制焊接線能量和送絲速度，確保焊縫成形并圓滑過渡至母材。當焊接結束時，焊接電流衰減方式要有利于改善弧坑的焊接質量。焊接完成10min后方可打開防氧化工藝裝備、取出工件。完成焊接的鈦管從防氧化工藝裝備取出后，對所有的焊縫均作X射線檢查，要求所有焊縫必須滿足相關標準要求。
4 結束語 航天壓力容器研制中心通過設計專用防氧化工藝裝備和制定合理的焊接工藝，成功攻克了鈦合金管鎢極氬弧焊的難題。通過以上工藝方法對鈦合金管施焊，經X射線檢查，所有焊縫均達到了Ⅰ級焊縫要求。運用該焊接成果完成焊接的航天壓力容器用鈦合金管，焊接一次合格率達到了98%。