近20年來(lái)，隨著焊接技術(shù)的研究和應(yīng)用水平的進(jìn)步，特別是在材料的焊接性能研究、自動(dòng)化焊接工藝方法和工藝技術(shù)、結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力變形控制以及焊接接頭力學(xué)性能和可靠性等方面的研究深入和水平提高，在“合于使用”的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的引領(lǐng)下，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)的重要承力結(jié)構(gòu)上。事實(shí)上飛機(jī)重要承力件采用鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在20世紀(jì)七八十年代前蘇聯(lián)研制的第3代軍用飛機(jī)上即得到了很好的印證，并引起了歐美航空制造界的高度重視。越來(lái)越多的資料報(bào)道表明，歐美航空制造業(yè)已經(jīng)將鈦合金焊接結(jié)構(gòu)從飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用到主承力結(jié)構(gòu)上[1]。TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量近α型鈦合金，具有與α型鈦合金相當(dāng)?shù)暮附有阅芎徒咏?alpha;+β型鈦合金的工藝塑性，是我國(guó)先進(jìn)飛機(jī)焊接用鈦合金的主要材料[2-3]。

　　本文針對(duì)具有曲線焊縫的TA15鈦合金主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自動(dòng)化焊接工藝和性能試驗(yàn)研究，采用活性焊劑氬弧焊技術(shù)及其他一系列相應(yīng)措施，有效地解決了狹小操作空間下的焊絲填充和保護(hù)問(wèn)題，達(dá)到了角焊縫的全焊透，獲得了成形和性能良好的焊縫。

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析及工藝難點(diǎn)

　　結(jié)構(gòu)采用TA15鈦合金材料，由腹板和上下緣條通過(guò)角焊縫方式焊接而成，其中腹板為近似正弦曲線的波紋形，位于上下緣條之中，厚度為2mm、緣條厚度為5mm，如圖1所示。結(jié)構(gòu)件需要在緣條兩側(cè)施加拉力進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，此時(shí)焊縫作為工作焊縫，對(duì)缺口很敏感。為了提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度和疲勞壽命，焊縫質(zhì)量需滿足I級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到焊縫的全焊透。

　　對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)其焊縫的軌跡具有周期性，這適合于使用編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)化焊接，但在焊接過(guò)程中會(huì)存在以下問(wèn)題。

　　（1）為了保證角焊縫的焊接質(zhì)量，在焊接過(guò)程中，一般要求焊槍與緣條平面成一定角度，并垂直于焊縫軌跡，焊槍隨焊接軌跡不斷的擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上為空間曲線。要求焊槍夾持機(jī)構(gòu)至少要有5 個(gè)自由度，才能滿足自動(dòng)焊接要求。

　　（2）波紋腹板的曲率在曲面過(guò)渡處的圓弧半徑僅為11mm，在焊接過(guò)程中，焊槍隨焊接軌跡不斷地?cái)[動(dòng)，加上待焊零件表面呈波紋狀凸凹不平，這就使得本應(yīng)固定在焊槍前端的焊絲填充裝置和跟在焊槍后端的保護(hù)拖斗，難以在如此狹小的空間內(nèi)行走，因此焊絲的填充和焊縫的保護(hù)在這種結(jié)構(gòu)中將十分困難實(shí)現(xiàn)。

　　（3）鈦合金焊接時(shí)，有兩大因素對(duì)焊縫質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重影響。一是高溫下晶粒長(zhǎng)大傾向大：鈦合金導(dǎo)熱性差，焊縫和近縫區(qū)在高溫下的停留時(shí)間長(zhǎng)，使晶粒長(zhǎng)大進(jìn)一步加劇；二是高溫下特別是在熔融狀態(tài)下，鈦對(duì)H、N、O 等氣體元素有很強(qiáng)的化學(xué)親和性：由于這些氣體元素的作用，鈦合金表面很容易形成氣體飽和層，在焊縫中形成氣孔，由于氣體元素向鈦合金組織中的滲入和擴(kuò)散，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋和氫脆，引起結(jié)構(gòu)的低壽命破壞[4]。

　　針對(duì)該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接工藝難點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)采用合適的工藝措施，可獲得了優(yōu)良的焊縫。

　　焊接工藝過(guò)程

　　1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

　　由于TA15鈦合金在常溫下塑性低，對(duì)2mm厚度的板材，成形困難，回彈大，易產(chǎn)生裂紋，因此試驗(yàn)采用的波紋腹板是由厚度為2mm的鈦合金板材經(jīng)熱成型工藝壓制而成的，零件精度較高。焊接過(guò)程使用的焊劑牌號(hào)為FT-02，焊劑在使用前于烘箱中烘干。縫軌跡形狀的填充材料，清理干凈后，將其放在零件待焊位置上貼合緊密，然后采用定位焊的辦法將該預(yù)制成形的焊縫填充材料固定。這樣焊接填充材料在裝配時(shí)就被提前放入了焊縫區(qū)。

　　將腹板和上下緣條裝入夾具后，使用手工氬弧焊方法先將腹板和緣條固定，然后將填充材料固定在焊縫相應(yīng)位置，填料與零件貼合緊密，焊點(diǎn)大小合適，不超出焊縫寬度。點(diǎn)焊后效果如圖2所示。

　　3 氬氣保護(hù)

　　對(duì)高溫、已凝固的焊縫金屬和近縫區(qū)金屬采用后拖拖斗的方式進(jìn)行氬氣保護(hù)，防止其發(fā)生氧化[4]。由于操作空間的限制，拖斗不能采用常用的拖斗形式。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)通過(guò)減小拖斗覆蓋面積，提高拖斗的高度，并選擇合適的氬氣流量和工藝參數(shù)可達(dá)到良好的保護(hù)效果。整個(gè)裝置示意圖如圖3所示。

　　焊縫背面和緣條外側(cè)則采用局部充氬的方式進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)焊接夾具形成的密閉空間，使內(nèi)部保持氬氣氣氛。

　　4 焊前準(zhǔn)備

　　為控制焊接氣孔，在裝配前必須對(duì)焊接區(qū)及鄰近表面進(jìn)行認(rèn)真清理。將待焊零件整體去油后，進(jìn)行焊前酸洗處理，經(jīng)烘干后，采用不銹鋼鋼絲輪打磨待焊區(qū)域。

　　5 焊接工藝

　　采用預(yù)置填充材料的方式給焊縫熔透帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，由于預(yù)置的填充材料增大了鎢極到焊縫根部的距離，同時(shí)增加了需要焊透的試件深度。對(duì)常規(guī)鎢極氬弧焊方法來(lái)說(shuō)，如果通過(guò)單純地增加焊接電流或減小焊接速度來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫的全熔透會(huì)產(chǎn)生焊縫咬邊、焊縫區(qū)晶粒增大等諸多問(wèn)題，最終將導(dǎo)致焊縫區(qū)性能的降低。

　　實(shí)踐證明，活性焊劑氬弧焊（A-TIG）與傳統(tǒng)氬弧焊（TIG）工藝相比，A-TIG 焊接電弧的穿透能力顯著增強(qiáng)，熱輸入量降低，焊接變形及應(yīng)力減小，可以使焊接熔深深寬比達(dá)1∶1 ；其焊接接頭綜合性能顯著提高，尤其對(duì)于鈦合金、鋁合金來(lái)說(shuō)，可以有效防止焊接氣孔；焊接相同規(guī)格的產(chǎn)品構(gòu)件時(shí)，在相同的焊接電流條件下，不用開(kāi)坡口或即使開(kāi)坡口，其堆焊層數(shù)明顯減少，能夠節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力，焊接生產(chǎn)效率高，綜合性能好，而且不需要額外特殊的專(zhuān)用設(shè)備，可以成倍降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[5]。

　　為保證焊接熔深，減少焊接接頭過(guò)熱產(chǎn)生粗晶，提高接頭塑性，減少焊接變形和降低裝配精度要求，因此采用脈沖焊和活性焊劑氬弧焊相結(jié)合的方法進(jìn)行焊接。

　　6 焊接工藝參數(shù)

　　從試驗(yàn)情況看，焊接過(guò)程中，若電流過(guò)小，在焊縫根部會(huì)形成過(guò)大空隙，造成內(nèi)部氣孔和未焊透；若電流過(guò)大，則出現(xiàn)咬邊。

　　在直線試件上使用同一焊接規(guī)范可以得到良好的焊縫成形，但在波紋狀焊縫彎曲處兩側(cè)的散熱條件不同（如圖4 所示），導(dǎo)致T 形焊縫在波峰和波谷焊接時(shí)需要適當(dāng)調(diào)整焊接規(guī)范。

　　考慮以上兩條因素，為了獲得優(yōu)良的焊接接頭，必須認(rèn)真選擇和嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得出了較合適的焊接規(guī)范參數(shù)，最終焊縫外觀如圖5所示。

　　根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)要求，I級(jí)焊縫中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在母材的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超出大于母材的標(biāo)準(zhǔn)范圍的20%。在結(jié)構(gòu)件上取局部焊縫，采用脈沖加熱- 熱導(dǎo)法對(duì)焊縫金屬氫、氧含量進(jìn)行檢測(cè)，并與母材中氫、氧含量標(biāo)準(zhǔn)范圍相比較（表1），其氫、氧含量百分比均小于母材標(biāo)準(zhǔn)范圍。

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　1 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

　　焊后采用X射線檢測(cè)方法，對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)氣孔和未焊透。在焊接試件上不同位置截取金相試樣，檢查焊透量，如圖6所示。兩個(gè)焊接熔池覆蓋了整條接合面，達(dá)到了100%全焊透。

　　根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)要求，I級(jí)焊縫中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在母材的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超出大于母材的標(biāo)準(zhǔn)范圍的20%。在結(jié)構(gòu)件上取局部焊縫，采用脈沖加熱- 熱導(dǎo)法對(duì)焊縫金屬氫、氧含量進(jìn)行檢測(cè)，并與母材中氫、氧含量標(biāo)準(zhǔn)范圍相比較（表1），其氫、氧含量百分比均小于母材標(biāo)準(zhǔn)范圍。

　　2 顯微組織

　　對(duì)金相試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織，金相照片如圖7所示。

　　由于焊接過(guò)程加熱和冷卻特點(diǎn)，焊縫區(qū)金屬熔化后快速冷卻，導(dǎo)致β相發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，形成了大量層片狀組織。熱影響區(qū)的熱輸入量較焊縫區(qū)小，其針狀α 相要明顯小于焊縫區(qū)。

　　3 力學(xué)性能

　　對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行去應(yīng)力退火，焊趾經(jīng)打磨光滑和超聲沖擊強(qiáng)化處理后，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命。疲勞試驗(yàn)條件為R=0.1；Kt=0.35；σmax=56kN。

　　經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)件的平均抗拉強(qiáng)度為194kN，疲勞壽命大于76966 周（如表2所示），中值疲勞壽命為137284周，性能滿足設(shè)計(jì)要求。其中一件在壽命達(dá)291751 周時(shí)未發(fā)生破壞，其余結(jié)構(gòu)件失效于與腹板相鄰側(cè)的焊趾。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　（1）對(duì)曲線焊縫結(jié)構(gòu)采用自動(dòng)化焊接工藝進(jìn)行焊接，可獲得整條焊縫成形、質(zhì)量一致性良好的焊縫，焊接效率得以提高。

　　（2）采用活性焊劑氬弧焊技術(shù)，可以提高角焊縫熔深，達(dá)到焊接面的全焊透。同時(shí)能夠減少焊接氣孔，獲得美觀的焊縫成形以及良好的焊接性能。

　　（3）采用的預(yù)置填充材料的方法，可有效解決操作空間狹小、焊絲填充困難的問(wèn)題。