鈦合金貯箱薄壁殼體電子束焊接

（上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112）

某鈦合金推進(jìn)劑貯箱直徑達(dá)到1100mm，球殼的厚度僅為1.3mm，焊口加強(qiáng)厚度為2mm。最后上下兩半球殼體合攏焊接是整個研制過程中的關(guān)鍵工序，貯箱合攏焊接采用真空電子束焊接方法，焊接設(shè)備為LAR52真空電子束焊機(jī)，是國產(chǎn)真空系統(tǒng)和法國進(jìn)口電子槍組合成的電子束焊機(jī)，電子槍是法國TECHMETA公司產(chǎn)品，是60kW中壓電子束焊機(jī)。

焊接前的酸洗及預(yù)處理工藝是：酸洗→烘干（80℃±5℃）→焊口打磨→丙酮擦洗→電吹風(fēng)吹干。

焊接前的裝配精度是保證電子束焊接質(zhì)量的重要因素，按照裝配工藝的要求，兩半球赤道縫焊口的端面間隙不大于0.02毫米，徑向間隙（即上半球殼體的鎖底與下半球殼體的配合）不大于0.03，裝配后測量端跳動不大于0.10mm，徑向跳動不大于0.15mm。

焊接后進(jìn)行該焊縫X射線拍片，發(fā)現(xiàn)2處未熔合缺陷。由于補(bǔ)焊位置不易確定，沒有補(bǔ)焊，通過液壓強(qiáng)度試驗與聲發(fā)射試驗確認(rèn)其強(qiáng)度。貯箱合攏焊縫情況如圖1所示。上、下殼體材料均為TC4鈦合金，焊縫為有鎖底結(jié)構(gòu)。

表1 上、下殼焊縫的焊接參數(shù)

1 試驗結(jié)果與分析

焊后經(jīng)750℃真空退火熱處理消除焊接應(yīng)力，進(jìn)行該貯箱的液壓強(qiáng)度試驗。試驗過程如下：緩慢增壓同時用聲發(fā)射監(jiān)測，過程是升壓至1.0MPa，保壓5min聲發(fā)射信號逐漸收斂；繼續(xù)增壓至1.5MPa，保壓5min，聲發(fā)射信號逐漸收斂；繼續(xù)增壓至2MPa，保壓5min，，聲發(fā)射信號逐漸收斂；繼續(xù)增壓至2.5MPa，保壓5min聲發(fā)射信號逐漸收斂，繼續(xù)增壓；增壓至2.8MPa，保壓5min，聲發(fā)射信號平靜穩(wěn)定；繼續(xù)增壓至要求壓力3.0MPa，開始保壓，約10s后，貯箱在上下殼體合攏焊縫處爆裂。爆破壓力低于設(shè)計壓力值4MPa，焊接質(zhì)量不合格。

圖1 貯箱合攏焊縫示意圖Fig.1 Schematic diagram of tank closure welding

1.1 宏觀檢驗

貯箱爆裂情況見圖2及圖3，觀察到爆裂沿焊縫裂部位，具體位置是耳環(huán)9至耳環(huán)13。起爆點位于裂縫中心耳環(huán)11處。

圖2 貯箱焊縫爆破圖Fig.2 Tank welding seam failure state

圖3 貯箱焊縫爆破源斷口Fig.3 Tank welding seam fracture appearance

1.2 斷口分析

取耳環(huán)9到耳環(huán)13的焊縫斷口位置進(jìn)行觀察，可見在耳環(huán)10-20mm 處到耳環(huán)11+40mm間存在平斷口，其余為45°的剪切斷口，剪切斷口處的焊縫熔深應(yīng)≥2mm鎖底深度。 平斷口處應(yīng)為貯箱爆破的裂源。

用掃描電鏡觀察上述平斷口處，可見斷口處呈現(xiàn)4種特征區(qū)域，見圖4，從焊縫表面到焊根依次是：剪切區(qū)、中間區(qū)、氣泡疊加平整斷口區(qū)和不平整斷口區(qū)。在剪切區(qū)的下面分布著大量密集小氣泡，氣泡尺寸從焊縫根部向上逐漸由小變大，范圍在1～150μm。對這4個區(qū)域作放大觀察，剪切區(qū)斷口形貌為剪切韌窩特征見圖5；中間區(qū)斷口形貌為氣泡+韌窩或氣泡+準(zhǔn)解理特征（見圖6）；氣泡疊加平整斷口區(qū)斷口形貌為氣泡+極細(xì)小的淺韌窩斷口特征（見圖7）；不平整斷口區(qū)的斷口形貌為韌窩+準(zhǔn)解理特征（見圖8），是鈦合金母材的斷口。

圖4 斷口低倍形貌Fig.4 Fracture morphology of low times

圖5 剪切韌窩高倍形貌Fig.5 Shear dimple morphology of high times

圖6 氣泡+韌窩和氣泡+準(zhǔn)解理Fig.6 Bubble + dimple and bubble + quasi cleavage

圖7 氣泡+極細(xì)小的淺韌窩Fig.7 Bubble + tiny shallow dimple

圖8 韌窩+準(zhǔn)解理Fig.8 Dimple + quasi cleavage

1.3 金相分析

取耳環(huán)11到耳環(huán)11+50mm處的斷口截面磨制金相，通過高倍金相顯微觀察可知焊縫的組織為α’+針狀α，母材基體組織為α+β。觀察到焊縫的熱影響區(qū)很窄，沿熔合線分布著較多小氣泡，焊縫在鎖底一側(cè)沿焊縫的熔合線開裂。焊縫熔深已過鎖底，未焊透和焊偏現(xiàn)象不明顯。為了解整圈焊縫的熔深、焊縫的偏移情況和焊縫的質(zhì)量，分別取耳環(huán)2、3，4、16位置（貯箱爆破后拍X片發(fā)現(xiàn)存在“未熔合”黑線處）、耳環(huán)19位置和耳環(huán)22、11、11-25mm、11-50mm處的焊縫截面磨制金相。測得各焊縫的熔深見表2。

表2 焊縫各部位的熔深情況

金相組織見圖9～14。從斷口分析并結(jié)合焊縫金相組織判斷，焊縫中不存在未焊透和明顯的焊偏現(xiàn)象，各焊縫熔深深度相差不大。在耳環(huán)3、耳環(huán)4、耳環(huán)16、耳環(huán)22焊縫的根部發(fā)現(xiàn)有釘尖缺陷。

為了確定焊縫疑似未熔合“黑線”缺陷的性質(zhì)，對X光片上存在 “黑線”的耳環(huán)19焊縫和不存在“黑線”的耳環(huán)22焊縫進(jìn)行間隔為1mm的連續(xù)金相剖面分析，從分析結(jié)果看“黑線”處不存在未焊透或未熔合缺陷，但焊縫鎖底與下半球殼體存在約0.2～0.3mm間隙，母材上有凹陷，見圖13；不存在“黑線”的耳環(huán)22處焊縫鎖底間隙窄無類似情況，見圖14。

楊家杖子礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況也是如此，在區(qū)域范圍內(nèi)有一條北東向的區(qū)域斷裂，而在它次一級的羽狀斷裂呈南北向分布，礦床的成礦母巖-花崗斑巖巖株就是沿這組斷裂面侵入的結(jié)果。

圖9 耳環(huán)4處的焊縫剖面Fig.9 Welding seam profile at the fourth earring

圖10 耳環(huán)16處的焊縫剖面Fig.10 Welding seam profile at the sixteenth earring

圖12 耳環(huán)22處的焊縫剖面Fig.12 Welding seam profile at the twenty-second earring

圖13 耳環(huán)19“黑線”處的焊縫剖面Fig.13 Welding seam profile at the black line of the nineteenth earring

圖14 耳環(huán)22無“黑線”處的焊縫剖面Fig.14 Welding seam profile at the black line of the twenty-second earring

2 分析結(jié)果討論

從斷口和金相分析試驗結(jié)果可知，貯箱在打壓的過程中，首先在耳環(huán)10-20mm 至耳環(huán)11+40mm處焊縫根部韌性較差的組織處形成裂源，隨后沿著焊縫的熔合線擴(kuò)展，最后在焊縫表面呈45°撕裂。與此同時裂縫向兩邊擴(kuò)展，最終撕裂至鈦板母材。從焊縫裂紋根部的極細(xì)小的淺韌窩斷口可知焊縫裂源組織韌性差，而裂源斷口的擴(kuò)展區(qū)在焊縫的熔合線上呈面狀密集分布著大量的小氣泡，從焊縫根部到上部尺寸逐漸由小變大，范圍在1～150μm，形成了焊縫的面缺陷，減少了焊縫的有效截面，致使貯箱低壓爆破。

通過對貯箱焊縫各部位的金相剖面分析，可知焊縫熔深過鎖底，從斷口分析并結(jié)合焊縫金相組織判斷焊縫中不存在未焊透和明顯的焊偏現(xiàn)象，X光片上存在 “黑線”的耳環(huán)19焊縫和不存在“黑線”的耳環(huán)22焊縫對比金相剖面分析表明：該處連續(xù)黑線的產(chǎn)生非焊接缺陷而是鎖底間隙的厚度差造成的。經(jīng)測量此厚度差約為70～80μm ，由于X射線拍片時是斜照射，投射方向與間隙面呈30°角，X射線在投影方向的實際厚度差為h/sin30°=2×70μm=140μm。此厚度差在X射線缺陷評判的靈敏度范圍內(nèi)，這是環(huán)19焊縫X光片上產(chǎn)生黑線的根本原因。鈦合金球殼焊縫合攏處母材產(chǎn)生凹陷是焊前局部打磨不當(dāng)造成的。

鈦及鈦合金的焊接具有許多的特點，是由鈦及鈦合金的物理化學(xué)性能所決定。在常溫下，鈦是比較穩(wěn)定的，但隨溫度的升高，吸收氫、氧的能力逐漸增加[1-3]，在焊接過程中，液態(tài)溶滴和熔池金屬具有強(qiáng)烈吸收氫、氧的特點。這些氣體被鈦吸收后會降低焊接接頭的韌性。真空電子束焊接TC4鈦合金能獲得很高的接頭質(zhì)量，是因為它在真空環(huán)境熔化凝固，排除吸氫氧等有害氣體的機(jī)會，同時電子束具有能量密度大，焊縫深寬比大，熱影響區(qū)窄等優(yōu)點。雖然真空室中3.2×10-2Pa焊接氣氛非常純凈，但是如果鈦合金焊前預(yù)處理時控制不嚴(yán)，有殘留水分或油等其他雜質(zhì)，電子束焊會產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷。

鈦合金焊接中，氣孔的生成主要是鈦在固態(tài)和液態(tài)對氫溶解能力差異較大造成的。焊接鈦合金通常采用較大的熱輸入及較低的焊接速度，使氫有足夠的時間從溶池中逸出。如果選擇的焊接速度快，熱量輸入小，存在水分，氫就來不及從熔池逸出。氣孔在鈦及鈦合金焊縫中易產(chǎn)生氣孔，分布在熔合線附近，這是鈦及鈦合金氣孔分布的一個特點。

由圖15可以看出，氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而降低，在凝固溫度有躍變。熔池中部比熔池邊緣溫度高，熔池中部的氫易向熔池邊緣擴(kuò)散，而后者比前者對氫有更高的溶解度，故熔池邊緣容易為氫過飽和而生成氣孔。對有鎖底結(jié)構(gòu)的焊縫，氣孔往往向鎖底一側(cè)焊縫熔合線分布。雖然一般小氣孔不會造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，但聚合形成面狀分布，對焊接質(zhì)量會有很大的影響。依據(jù)氣孔形成機(jī)理，在焊接中盡量消除氫源，控制熔池吸氫量是減少或者消除焊接氣孔的關(guān)鍵。

圖15 溶解度隨溫度變化曲線Fig.15 Solubility and temperature change curve

通過爆裂貯箱的斷口分析、金相分析，綜合概括以下結(jié)論：

（1）焊縫熔深過鎖底，從斷口分析并結(jié)合焊縫金相組織判斷焊縫中不存在未焊透和明顯的焊偏現(xiàn)象；

（2）在耳環(huán)10-20mm 至耳環(huán)11+40mm焊縫根部為貯箱爆破的裂源，其上存在韌性差的組織，而裂源斷口的擴(kuò)展區(qū)（焊縫的熔合線上）密集分布著大量的小氣泡形成了焊縫中類似未熔合的面缺陷，減少了焊縫的有效截面，上述原因造成了貯箱的低壓爆破；

（3）韌性差的組織和氣泡的產(chǎn)生應(yīng)該與局部焊縫預(yù)處理不干凈存在水分或油及其他污染有關(guān)；

（4）耳環(huán)19焊縫X光片上產(chǎn)生的黑線非焊接缺陷，它的產(chǎn)生與鎖底間隙的增大有關(guān)；

（5）焊縫斷面為標(biāo)準(zhǔn)“圖釘形”狀的電子束焊縫對裝夾和配合誤差較大的長焊縫不能完全包容覆蓋。

3 改進(jìn)措施

（1）嚴(yán)格控制鈦合金貯箱電子束焊接前的預(yù)處理過程，清除焊口水分或油漬及其他污染；在焊接裝配和調(diào)試檢測過程中，配置專用抓取工裝，避免手套接觸焊接區(qū)域，減少焊口焊縫的污染。

表3 上、下殼焊縫調(diào)整后的焊接參數(shù)

（2）提高酸洗后真空烘干的溫度，縮短酸洗處理后至焊接的存放時間；避免焊口焊縫的氧化膜形成。

（3）焊前的焊口打磨處理要注意保持焊接接頭直角形式，避免鈦合金殼體母材表面的“缺肉”凹陷產(chǎn)生。保證X射線探傷缺陷評判的準(zhǔn)確度。

（4）適當(dāng)?shù)恼{(diào)整焊接參數(shù)（如聚焦電流、焊接速度），改變焊縫的形貌，增加熔池停留時間，促使焊接過程中氫等氣體從熔池中的逸出從而避免氣孔的產(chǎn)生。

（5）在保證焊縫熔深的情況下，采用負(fù)虛焦點的焊接參數(shù)，增加焊縫的寬度，減小焊縫的深寬比，調(diào)整焊接參數(shù)如表3所示。

通過以上改進(jìn)措施，避免了未熔合缺陷，提高了焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性。后續(xù)焊接5只貯箱均通過X光探傷檢查，符合國軍標(biāo)GJB1718A，同批抽檢一只，順利通過鑒定級的振動、離心、疲勞、壓力聲發(fā)射和爆破等一系列環(huán)境力學(xué)試驗，證明所采取的焊接工藝滿足產(chǎn)品的要求。

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