TC11鈦合金材料氬弧焊補焊工藝研究

TC11鈦合金大型燃機轉(zhuǎn)子零件結(jié)構(gòu)采用電子束焊接方法實現(xiàn)整體制造 。 受接頭型式 、 鍛件冶金質(zhì)量 、 零件表面狀況及焊接工藝等諸多因素的影響 ， 電子束焊接過程中可能會 形成工藝缺陷 。 這些工藝缺陷包括內(nèi)部氣孔 、 裂紋和局部凹陷 （ 低于焊后機械加工面尺寸 ） 等 ， 焊縫裂紋和表面凹陷以及超岀焊接質(zhì)量檢驗標準規(guī)定尺寸的內(nèi)部氣孔都必須修復補焊 。 補焊方法為手工鎢極氬弧焊 ， 填充材料為 TA0 純鈦焊絲 。

對挖排后的缺陷采用氬弧焊補焊 , 因填充 TA0 純鈦焊絲導致缺陷區(qū)域重新熔融合金化,可能會形成該焊接區(qū)域的微觀組織差異 ， 影響該區(qū)域的力學性能 ， 另外 ， 隨挖排和補焊區(qū) 域大小 （ 尺寸 ） 的不同 ， 其影響程度也可能不相同 。 因此 ， 有必要針對電子束焊縫不同類型 、 不同深度和尺寸的超標缺陷開展相應的補焊工藝研究 ， 評定補焊措施和補焊工藝對零件電子束焊接接頭質(zhì)量和力學性能的影響 。

1、試驗材料與過程

試驗使用的材料為 TC11鈦合金板材 ， 其化學成分見表1 、 力學性能見表 2 。 試板規(guī)格為 400mm x 150mm x 15. 5mm（ 帶鎖底 ） 及 400mm x 150mm x 8. 5mm 。 兩塊試板經(jīng)電子束焊接后 ， 在焊縫上選擇 6 處位置 （ 編號依次為 ： 1 、 2 、 3 、 A 、 B 、C ） 進行機械挖排來模擬電子束焊接超差缺陷 ， 然后進行手工氬弧焊補焊工藝試驗 。

由于通過焊縫的 X 射線檢測光片只能確定缺陷尺寸 ， 不能確定缺陷的深度位置 。 根據(jù)零件焊縫缺陷可能存在的深度和零件接頭處加工后的最終尺寸 , 對模擬缺陷的挖排深度 采取由淺至深原則 ， 最終確定缺陷補焊試驗缺陷的挖排深度分別為 2mm 、 5mm 和 8mm 。

采用手工機械磨削方式 ， 對電子束焊接超標缺陷進行挖排,缺陷挖排后狀態(tài)如圖 1 所示 。

焊前對挖排區(qū)域表面嚴格清理 , 采用手工氬弧焊工藝進行補焊 ， 填充材料為 0 2.0mm 規(guī)格的 TA0 純鈦焊絲 ， 氬弧焊焊機型號為 : PRESTPTIG 300 AC/DG 。 手工鎢極氬弧焊補焊工藝按照 HB/Z 120( 鈦及鈦合金鎢極氬弧焊接工藝 》 規(guī)定執(zhí)行 ，所采用的焊接工藝參數(shù)見表 3 。

對氬弧焊補焊后的試板進行 X 射線無損檢測 ， 焊縫質(zhì)量滿足 H255.105. 111 -89 《 電子束焊檢驗和允許的缺陷 》 I級要求 。 補焊合格的焊接試板隨實際零件進行熱處理 ， 熱處理制度為 (530 ±10)t/(11 ~12)h,FC o在氬弧焊補焊過的 6 處位置取樣 ， 并加工成厚度為 6mm的標準拉伸力學性能試樣 ， 拉伸工作區(qū)寬度為 20mm 。 為保證所取力學性能試樣包含補焊區(qū)域 ， 取樣時沿試板上層取 。加工完成的試樣再進行 X 射線檢測 。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1 挖排缺陷深度為 2mm 的氬弧焊補焊

1 號和 2 號位置挖排深度為 2mm, 挖排區(qū)域尺寸分別為212mm x 6mm 和 14mm x 6mm 。圖 2 所示分別為 1 號和 2 號位置氬弧焊補焊前后的狀態(tài) 。

圖 3 所示分別為 1 號和 2 號位置補焊后加工去除焊縫余高和鎖底前后 X 射線底片的對比 。 由圖 3 可以看岀 ， 在保留焊縫余高和鎖底狀態(tài)下, X 射線底片上并未發(fā)現(xiàn)有色差 。

但經(jīng)機械加工去除焊縫余高及鎖底后 ， X 射線光片影像顯示 ， 補焊區(qū)域與原電子束焊縫相比 ， 存在淺灰色影像的色差 。但由于該位置挖補深度較小 ， 色差不太明顯 。

2.2 挖排缺陷深度為 5mm 的氬弧焊補焊

3 號位置挖排深度為 5mm, 挖排區(qū)域尺寸 12mm x 8mm,該位置氬弧焊補焊前后的狀態(tài)如圖 4 所示 。

圖 5 所示為 3 號位置補焊后加工去除焊縫余高和鎖底前后 X 射線光片影像對比 。 可以看岀 , 在加工去除焊縫余高及鎖底后 , 補焊位置呈現(xiàn)淺灰色影像 , 與原電子束焊縫有較明顯的色差 。 其色差度超過 2mm 深度缺陷的補焊 2. 3 挖排缺陷深度為 8mm 的氬弧焊補焊挖排深度為 8mm 的位置分別為 A 、 B 、 C 3 處 ， 其挖排區(qū) 域尺寸分別為 14mm x9mm 、 15mm x 7mm 和 13mm X 7mm 。

圖 6 所示分別為 3 處位置氬弧焊補焊前后的狀態(tài) 。

圖 7 所示分別為補焊深度為 8mm 時加工去除焊縫余高和鎖底前后 X 射線底片影像對比 。 從圖 7 可以看岀 ， 在去除焊縫余高和鎖底前 ， 由于余高和鎖底厚度對射線透射的干 擾 ,X 射線光片影像并未發(fā)現(xiàn)明顯色差 。 經(jīng)機械加工去除余高和鎖底后 ,X 射線光片影像顯示氬弧焊補焊區(qū)域同原電子束焊縫差異明顯 。 可以認定 ， 隨著挖補深度增加 ， 填充的 TA0 純鈦焊絲在補焊熔池區(qū)域中的熔敷比也明顯增加 , 所形成的弧焊區(qū)域組織組成對 X 射線透射率也增加 ， 因此影像中的色差也明顯增加 。

2.4 補焊深度及尺寸對接頭力學性能的影響

對 3 類缺陷經(jīng)補焊后的接頭截取標準的力學性能試樣 ，經(jīng)隨零件真空熱處理后進行性能測試,測試結(jié)果見表 4 。

注 : TC11 鈦合金轉(zhuǎn)鼓零件焊接技術(shù)條件中規(guī)定的焊接接頭拉伸強度為 A910MPa 。

從表 2 可以看岀 ,3 種類型的缺陷經(jīng)補焊后的接頭力學性能較原電子束焊接接頭無明顯差異 , 性能試樣均斷裂在接頭母材部位 ， 如圖 8 所示 。 可以認為 , 其強度與零件 TC11 合 金母材相當 ， 均能夠滿足技術(shù)條件中規(guī)定強度不低于 910MPa 的要求。

3、結(jié) 論

(1) 通過手工機械磨削方式挖排 ， 并采用手工氬弧焊補焊工藝 ， 能夠有效地排除零件電子束焊縫超標缺陷 , 補焊工藝質(zhì)量能夠滿足技術(shù)標準 H255. 105. 111 -89( 電子束焊檢 驗和允許的缺陷 》 規(guī)定的 I 級焊縫要求 。

(2) 電子束焊縫缺陷的挖排 、 氬弧焊補焊工藝研究結(jié)果表明 ,3 種類型的缺陷經(jīng)補焊后的接頭力學性能較原電子束焊接接頭無明顯差異 ， 性能試樣均斷裂在接頭母材部位 ; 其 強度與零件 TC11 合金母材相當 ， 均能夠滿足技術(shù)條件中規(guī)定強度不低于 910 MPa 的要求 。

(3) 因填充 TA0 純鈦焊絲 ， 補焊區(qū)域重新合金化 。 所獲得的組織組成和組織形態(tài)對 X 射線的透射影響與原電子束焊縫不同 , 導致在 X 射線影像岀現(xiàn)不同程度的色差 。 隨著填 充量的增加 , 其透射程度增加 , X 光片的色差更加明顯 。

(4) 補焊結(jié)果表明 ， 通過挖排和氬弧焊補焊工藝 , 并填充TA0 焊絲 , 能夠?qū)?TC11 鈦合金轉(zhuǎn)子類零件電子束焊接生產(chǎn)過程的超差缺陷實施補焊修復 ， 同時也證明了本文的補焊工 藝合理 。