TC11鈦合金材料氬弧焊補焊工藝研究

TC11鈦合金大型燃機轉子零件結構采用電子束焊接方法實現整體制造 。 受接頭型式 、 鍛件冶金質量 、 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量檢驗標準規定尺寸的內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域重新熔融合金化,可能會形成該焊接區域的微觀組織差異 ， 影響該區域的力學性能 ， 另外 ， 隨挖排和補焊區 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 。 試板規格為 400mm x 150mm x 15. 5mm（ 帶鎖底 ） 及 400mm x 150mm x 8. 5mm 。 兩塊試板經電子束焊接后 ， 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,缺陷挖排后狀態如圖 1 所示 。

焊前對挖排區域表面嚴格清理 , 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 》 規定執行 ，所采用的焊接工藝參數見表 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 ， 拉伸工作區寬度為 20mm 。 為保證所取力學性能試樣包含補焊區域 ， 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 。

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下, X 射線底片上并未發現有色差 。

但經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, 挖排區域尺寸 12mm x 8mm,該位置氬弧焊補焊前后的狀態如圖 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 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 。

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現明顯色差 。 經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域中的熔敷比也明顯增加 , 所形成的弧焊區域組織組成對 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 類缺陷經補焊后的接頭截取標準的力學性能試樣 ，經隨零件真空熱處理后進行性能測試,測試結果見表 4 。

注 : TC11 鈦合金轉鼓零件焊接技術條件中規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 ， 均能夠滿足技術條件中規定強度不低于 910MPa 的要求。

3、結 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 , 補焊工藝質量能夠滿足技術標準 H255. 105. 111 -89( 電子束焊檢 驗和允許的缺陷 》 規定的 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果表明 ,3 種類型的缺陷經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 ， 均能夠滿足技術條件中規定強度不低于 910 MPa 的要求 。

(3) 因填充 TA0 純鈦焊絲 ， 補焊區域重新合金化 。 所獲得的組織組成和組織形態對 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) 補焊結果表明 ， 通過挖排和氬弧焊補焊工藝 , 并填充TA0 焊絲 , 能夠對 TC11 鈦合金轉子類零件電子束焊接生產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 。