TC11鈦合金氬弧焊補焊工藝試驗

前言

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×150mm×15.5mm（帶鎖底）及400mm×150mm×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φ2.0mm規(guī)格的TA0純鈦焊絲，氬弧焊焊機型號為:PRESTPTIG300AC/DG。手工鎢極氬弧焊補焊工藝按照HB/Z120(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。

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)域尺寸分別為圖2所示分別為1號和2號212mm×6mm和14mm×6mm。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×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、C3處，其挖排區(qū)域尺寸分別為14mm×9mm、15mm×7mm和13mm×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。

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鈦合金母材相當，均能夠滿足技術(shù)條件中規(guī)定強度不低于910MPa的要求。

(3)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)?a href="http://www.nbxincheng.cn/stock/" target="_blank">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。