关键词：钛合金；手工钨极氩弧焊；焊接工艺
1 前 言
钛及钛合金具有比强度高、塑性和高温抗蠕变性能良好等优异特性。此外，它的韧性、高温强度、成型性以及加工性都很优异。因此，该合金在航天领域，特别是航天压力容器的制造中应用广泛。
钛及钛合金具有良好的焊接性，钨极氩弧焊、电子束焊等焊接方法在钛及钛合金的焊接中应用广泛。但是, 在焊接的过程中出现的氧化和气孔问题又给焊接带来了一定的难度。航天压力容器研制中心针对贮箱内芯在组焊过程中，由于结构和空间的限制，某些管焊缝无法运用自动管焊机完成焊接，必须运用手工钨极氩弧焊进行钛合金管焊接的难题，通过设计专用防氧化工艺装备和制定合理的焊接工艺，成功解决了其焊接难题，获得了一次焊接合格率98%的优质焊缝。
2 钛合金的焊接性
2.1 焊接接头的氧化
钛合金的化学性质较为活泼，与氧、氮、氢等元素有很大的亲和力，在400℃以上时极易被空气、水分、油脂、氧化物污染；超过600℃开始氧化, 650℃以上，杂质扩散到钛材中，达到足够的量，产生脆化；超过700℃逐渐生成氧化膜，800℃以上氧化膜溶解在钛材中。在焊接的过程中，钛合金熔化，吸收氧、氮、氢、碳的速度快，使合金的强度和硬度增加，而塑性和韧性降低，焊缝易出现脆性断裂。
2.2 气孔
钛合金材料在焊接过程中易出现气孔。气孔是钛合金焊接最常见的缺陷，占缺陷的70%以上。焊接接头中的气孔易引起微裂纹和应力集中，气孔边缘含氢量高，使焊接接头的塑性、断裂韧性、冲击韧性、疲劳强度以及静态强度均降低，甚至导致某些钛合金焊接接头发生断裂。
2.3 焊接线能量对接头性能的影响
为了使钛合金焊接接头热影响区获得一定的强度和良好的塑性，需要选用适当的冷却速度。在焊接过程中, 冷却速度基本上是由焊接线能量决定的。随着焊接线能量的增大，热影响区的高温停留时间增长，热影响区面积增大，且晶粒变得粗大。用过大的焊接线能量进行钛合金的焊接是不合适的，将导致焊接接头塑性明显下降。
3 焊接工艺
3.1 焊前准备
针对上述钛合金的焊接特点，为了保证钛合金管的焊接质量，解决钛合金材料焊接接头的氧化和气孔问题, 钛管焊前须做以下工作：
3.1.1 合理选择焊丝
焊接TC4钛合金时，推荐采用TC4 钛合金焊丝，这样可改善焊缝的塑性。TC4钛合金焊丝能保证钛合金焊后无论是退火还是热处理强化状态，都有足够高的强度和最大冲击韧性。焊丝成分应保证能用于各种类型的单层焊和多层焊。在焊缝金属重复加热和局部熔化时，不应形成中间脆性相。
3.1.2 焊前焊件清理
焊前对钛管表面上的氧化膜及油污等有机物进行彻底清理；对焊丝表面的水分、手印痕迹、油污、氧化膜以及灰尘等污染物进行彻底清理。如果焊接端面有剪切痕，要进行机械加工去除。
将钛管和焊丝在5%HF+25%HNO3 +70%蒸馏水溶液中酸洗15~30s，酸洗液温度为27~71℃。酸洗后先用热水、冷水冲洗，并用白布擦拭钛管内外表面，置于200℃烘箱内烘干。已清洗的钛管放置时间不宜超过24h，为保持焊接件坡口处的清洁，干燥完毕后将钛管装入洁净的塑料袋中，封口。焊丝应放于150~200℃的烘箱内待用。
3.1.3 焊接保护气
焊接过程中采用高纯度低露点氩气，氩气纯度须≥99.99%，防氧化工艺装备的通气管道不宜采用橡皮管，以尼龙软管为好。
3.2 焊接坡口
为了降低焊接接头的应力值，防止焊接裂纹，坡口结构不但考虑熔透, 而且尽量减少根部熔合比。再者，钛合金熔化时流动性大，为此取较小的坡口钝边，为0.5~1mm。坡口角度不宜过大，为60°~65°，以减少填充金属量。坡口型式如图1所示。
焊接坡口
3.3 防氧化工艺装备 在钛管焊接时，保护区域包括三部分：熔池的保护、焊缝热影响区的保护以及钛管的内部保护。为了有效解决钛管焊接的保护问题，获得良好的焊接接头，我们设计了专用的防氧化工艺装备，结构示意如图2所示。焊接前，将完成定位点焊的钛管及焊丝置于防氧化室内，通过抽气和充氩为钛管的焊接提供一个良好的防氧化氛围。
3.4 焊接工艺规范 手工钨极氩弧焊焊接钛管的焊接参数主要包括钨极直径、焊接电流、焊接电压、焊丝直径、焊接速度等。根据钛合金材料的焊接特性分析，钛管的焊接一般采用较小的焊接线能量, 推荐的焊接规范参数范围如附表所示。
3.5 焊接 在正式焊接之前必须先焊接试件, 试件坡口形状尺寸、焊接规范参数、氩气纯度、焊前准备等必须和正式产品一致，目的是检验选择的焊接规范参数是否合适，是否达到最佳。试件的焊缝经检验合格后，方可进行正式产品的焊接。钛管焊接流程见图3。
正式焊接时，焊工要思想集中，检查焊接电压、焊接电流是否正确，通气管路、电机等工作是否正常，人员齐备各负其责，这时方可进行焊接。在焊接过程中，焊工要保持好钨极与焊缝的距离，第1遍打底焊时，要确保反面能够成形；第2遍填丝盖面焊时，要严格控制焊接线能量和送丝速度，确保焊缝成形并圆滑过渡至母材。当焊接结束时，焊接电流衰减方式要有利于改善弧坑的焊接质量。焊接完成10min后方可打开防氧化工艺装备、取出工件。完成焊接的钛管从防氧化工艺装备取出后，对所有的焊缝均作X射线检查，要求所有焊缝必须满足相关标准要求。
4 结束语 航天压力容器研制中心通过设计专用防氧化工艺装备和制定合理的焊接工艺，成功攻克了钛合金管钨极氩弧焊的难题。通过以上工艺方法对钛合金管施焊，经X射线检查，所有焊缝均达到了Ⅰ级焊缝要求。运用该焊接成果完成焊接的航天压力容器用钛合金管，焊接一次合格率达到了98%。
