上?？臻g推進研究所 于 康 周 俊 顧利峰

隨著航空、航天、武器裝備性能要求的不斷提高，對于材料性能的要求越來越苛刻，而TC4鈦合金具有耐腐蝕、比強度高、高溫性能良好等一系列優(yōu)點，在航天、航空、武器領域有很好的應用前景[1-4]。隨著對材料研究的深入和加工技術的發(fā)展, TC4鈦合金的綜合性能逐步得到更全面的認識和更廣泛的應用，因此受到國內外的廣泛關注[5-6]。

表面張力貯箱的殼體材料為TC4，其赤道圓焊縫采用電子束焊接方法。赤道圓焊縫為重要承壓焊縫，焊接檢驗標準為GJB1718A-2005 I級，氣孔、未焊透、未熔合等缺陷通過X射線檢測，焊縫拉伸強度不得低于母材的90%。赤道圓焊縫結構復雜，焊前表面處理困難，若一次電子束焊接產生缺陷且不滿足檢驗標準要求，則需要進行補焊。電子束焊縫熱影響區(qū)較小，經過一次電子束焊接的焊縫力學性能與母材接近，但經過多次電子束焊接后，焊縫受到的累積能量輸入增大，其焊縫力學性能則無從考證。

本文研究了電子束焊接能量輸入對TC4鈦合金焊縫力學性能的影響，為設計與工藝人員對補焊次數(shù)的確定提供理論依據。

1 試驗材料及方法

試驗所用的材料為鈦合金TC4板材，厚度為3mm，其化學成分和力學性能分別見表1和表2。板材尺寸及電子束焊接位置如圖1所示，焊后板材采用線切割方法加工成圖2所示的拉伸試板。

表1 TC4鈦合金的化學成分 （原子數(shù)分數(shù)）%

圖1 板材試驗件示意圖Fig.1 Diagram of plate test piece

表2 TC4鈦合金的力學性能

圖2 拉伸試板示意圖Fig.2 Diagram of tensile test panels

本試驗采用的焊接設備為真空電子束設備。焊槍為CT4型間熱式陰極三級槍，所使用陰極最大功率為15kW，焊接電壓最高為60kV。試驗選用的應力測量設備為圖3所示的X-350A型X射線衍射殘余應力測試設備，其測量應力為表面應力，深度約60～80μm。

圖3 X-350A型X射線衍射殘余應力測試設備Fig.3 X-350A test equipment of X-ray diffraction

2 電子束熱輸入量理論分析

電子束焊是在真空環(huán)境下，利用匯聚的高速電子流轟擊工件接縫處，電子的動能轉變?yōu)闊崮芏贡缓附饘偃酆系囊环N焊接方法。在高壓蒸汽的作用下，熔化的金屬被排開，電子束能繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，在被焊工件上鉆出一個鎖形小孔，即“匙孔”，“匙孔”的周圍被液態(tài)金屬包圍。隨著電子束與工件的相對移動，液態(tài)金屬沿“匙孔”周圍流向熔池后部，逐漸冷卻、凝固形成焊縫[7-8]。

電子束焊接參數(shù)主要包括電子束電流、加速電壓和焊接速度，而焊接熱輸入量則是焊接參數(shù)綜合作用的結果，其對于材料焊縫的組織和力學性能有著直接的影響。電子束焊接時熱輸入量的計算公式為：

式中，Q為熱輸入量；Ub為加速電壓；Ib為電子束電流；V為焊接速度；N為作用在同一焊縫位置的次數(shù)。

由公式（1）可知，作用在焊縫處的能量輸入與其作用在該位置的次數(shù)成正比。電子束焊接的功率密度高，可達106W/cm3，能量集中，焊縫的熱影響區(qū)較小，其焊縫的組織與性能一般與母材相近。此時，假設經單次熱輸量作用的焊縫組織與性能與母材性能的關系系數(shù)為K，即

式中，P1為單次熱輸量作用的焊縫組織與性能；P為母材的組織與性能。

由公式（2）可近似推導，當焊縫同一位置經過N次焊接熱輸入作用下，焊縫組織與性能與母材的關系如公式（3）。

式中，PN為N次熱輸量作用下的焊縫組織與性能。

3 電子束熱輸入量對焊縫拉伸性能的影響

本次試驗以表面張力貯箱赤道圓焊縫的熱輸入量為研究對象，研究其對材料組織與性能的影響。赤道圓焊縫的熔深要求為2.5～3.5mm，其電子束焊接的流程如圖4所示。電子束焊接及補焊參數(shù)如表3所示。

鈦合金材料經過一次電子束熱輸入作用后，焊縫中一些低熔點合金易揮發(fā)，焊縫組織和硬度較本體材料發(fā)生改變，因此，要達到相同的熔深要求，補焊的能量輸入一般要略大于首次焊接時的能量輸入。結合焊縫熔深測量技術，首次電子束焊接焊接速流確定為20mA，補焊電子束焊接焊接束流確定為21mA，兩者的能量輸入比為1∶1.05。

圖5為電子束焊接熱輸入量對焊縫拉伸強度的影響圖。由圖5可知，隨著焊接次數(shù)的增多，熱輸入量增大，焊縫的拉伸強度逐步降低，當僅經歷了單次電子束焊接過程時，拉伸強度達到1014MPa，為母材的97%，隨著焊接次數(shù)的增加，熱輸入量增加，拉伸強度逐步降低，但下降較緩慢，當經歷6次電子束焊接后，拉伸強度為927MPa，低于母材強度的90%。焊縫拉伸強度的降低與焊縫部位的殘余應力有直接的對應關系。由于焊縫部位受熱影響，在冷熱循環(huán)過程中，在不等溫溫度場的作用下，焊縫部位的收縮變形易造成其內部存在拉應力，拉應力的存在必然會降低其拉伸斷裂強度，隨著焊接次數(shù)的增加，熱輸入量逐步增加，焊縫部位的變形增大，殘余拉應力也逐步增大，因此拉伸強度逐步下降。

表3 電子束焊接參數(shù)表

圖5 電子束熱輸入對焊縫拉伸強度的影響Fig.5 Effect of electron beam welding heat input for tensile strength of weld

為了更好地研究焊接次數(shù)對焊縫拉伸強度的影響，采用X射線衍射儀測量焊縫表面部位存在的殘余應力，X射線衍射殘余應力測定的參數(shù)如表4所示，標準試樣的零應力測定值為6MPa，滿足測定標準要求。

表4 X射線衍射殘余應力測定參數(shù)表

圖6為經不同次電子束焊接后的接頭表面殘余應力的測試結果。由圖6可知，焊縫部位在電子束焊接過程中的不均勻溫度場作用下，發(fā)生不均勻的收縮變形，最終產生了殘余拉伸力。當接頭通過一次焊接時，其表面存在256MPa的殘余拉應力。隨著焊接次數(shù)的增加，電子束焊接能量輸入增加，接頭收縮變形加劇，其殘余拉應力也逐步提高。當焊接次數(shù)達到6次時，殘余拉應力提高至396MPa。殘余拉應力的提高導致了焊縫拉伸強度的降低。

圖6 接頭表面殘余應力的測試結果Fig.6 Test results of joint surface residual stress

赤道圓焊縫的檢驗標準為GJB1718A-2005 I級，其要求焊縫拉伸性能不得低于母材的90%。當電子束焊接次數(shù)達到6次時，焊縫拉伸強度低于母材的90%，因此，單一針對焊縫拉伸強度的指標要求，焊縫同一位置的焊接次數(shù)不得超過5次。

4 結論

（1）隨著電子束焊接能量輸入次數(shù)的增加，焊縫拉伸性能和斷裂延伸率逐步降低，焊接殘余拉應力逐漸增大；

（2）當焊接次數(shù)達到6次時，拉伸性能低于母材強度的90%，無法滿足GJB1718A-2005 I級標準要求。

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