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摘要：钛及其合金是50年代兴起的一种重要金属结构材料，TC4钛合金由于比强度高、耐腐蚀性好、综合性能优越等特点，在航空航天、化工机械中得到了广泛的应用。本文阐述了电子束焊接TC4钛合金过程中容易出现的典型焊缝质量缺陷，并提出了各种缺陷的预防措施。
关键词：钛合金；电子束；缺陷；预防
1 TC4钛合金焊接性
钛及钛合金的焊接性能，具有许多显著特点，这些焊接特点是由于钛及钛合金的物理、化学性能所决定的。钛的基本性质见表l，在常温下，钛是比较稳定的，但随温度的升高，吸收氢、氧、氮的能力逐渐增加。焊接实践表明，在焊接过程中，液态溶滴和溶池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用。大约在250℃左右就开始熔解氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。这些气体被钛吸收后，将会引起焊接接头的脆化，对焊接质量造成很大的影响。
3TC4钛合金电子束焊缝质量缺陷
3.1焊接裂纹
钛和钛合金中硫、磷、碳等杂质很少，低熔点共晶很难在晶界出现，有效结晶温度区间窄，加之焊缝凝固时收缩小，因此采用电子束焊接时很少出现焊接热裂纹、应力裂纹和冷裂纹。钛合金焊接接头的裂纹主要是出现在热影响区的延迟裂纹，这与氢有关。由于钛合金多用作结构材料，氢致延迟裂纹有可能引起灾难性的事故，氢致钛合金延迟断裂的现象已经得到了广泛的关注。焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，使得这个部位处于不利的应力状态，就会引起裂纹。电子束焊接时，由于受热冲击的热-力学效应的作用，材料的晶界结合力和变形协调能力差，使得在焊接熔池形成之前会产生大量的沿晶微裂纹。随后，材料在经历集中加热和快速施焊的焊接热循环以后，接头区组织和成分的不均匀导致接头中也会产生热应力和残余应力。因此，热影响区不仅是微裂纹集中的区域，而且是微裂纹扩展演化的路径，微裂纹的发展导致宏观裂纹的出现，从而造成材料的局部破坏。
3.2焊接气孔
钛合金焊接中，气孔的生成主要是由于钛在固态和液态时对氢溶解能力的显著差异造成的。焊接钛合金时，通常采用较大的热输入及较低的焊接速度，目的是促使氢自熔池逸出。但对于电子束焊接，由于焊接速度快，热输入小，氢来不及从熔池逸出。电子束焊接时，熔化金属中存在着一个匙孔空腔。在焊接过程中该匙孔随着工件移动，匙孔方向的开口很容易闭合，但由于“空腔”内部充满金属蒸气，不会自行闭合，而是与熔池金属一起流动。熔化金属迅速凝固，而位于“空腔”内部的金属蒸气由于其热导率小，温度下降很慢，最后金属蒸气凝结在“空腔”内壁上，剩余气体残留在“空腔”中形成气孔，如图1所示。
3.3焊接咬边
咬边是指在焊接接头中沿着焊趾的母材部位上被烧熔而熔敷金属未完全覆盖形成的焊缝缺陷，是焊接中较为严重的表面缺陷，容易造成应力集中，严重时会引起焊缝开裂，在高速焊接时较难克服。假设熔敷金属首先铺展到焊趾部，这时确定焊趾部即三相接触线的受力情况的是两个角度值，一是液气界面与水平线的夹角β，另一个是熔合线与水平线的夹角φ，其定义如图2所示。当材料、表面状态、温度等条件一定时，固液相间的接触角θ是一个确定的约束条件，只要满足β+φ=θ时，三相接触线的受力就会达到平衡。否则，根据β+φ与接触角θ的关系，会出现两种情况：
a.β+φ＞θ，则三相接触线所受合力F的方向是向熔池外部的，液体将向外铺展，不会形成咬边，如图2a所示；
b.β+φ＜θ，则三相接触线所受合力F的方向是向熔池内部的，三相接触线将向熔池内部移动，同时熔化的母材金属向中间聚集，β+φ的值不断增大，直到
满足β+φ=θ时达到平衡，如图中虚线所示，这样就形成了咬边，如图2b所示。
4 TC4钛合金电子束焊缝缺陷预防措施
钛及钛合金对热裂纹是不敏感的，这主要是因为钛及钛合金含硫、碳等杂质少，低熔点共晶在晶界很少生成；另一个原因是钛及钛合金凝固时收缩量少。钛合金焊接时出现延迟裂纹与氢有关。焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，加上焊接接头处不利的应力状态，结果也会引起裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头上氢的来源，必要时也可进行真空退火处理，以减少焊接接头的含氢量。因此接头形式应为I形对接接头形式，焊前对接端面进行铣刨、刮削等机械加工，去除表面氧化膜，并保持对接面棱边的尖锐，以便严格控制接头对接后的间隙，否则会影响“匙孔”的形成和稳定性，这是防止气孔产生的重要措施。
结束语：随着TC4钛合金的广泛应用，其焊缝质量受到越来越高的重视，电子束焊接以其特有的优势成为钛合金焊接的首选方法。虽然国内已经针对TC4钛合金的焊接问题开展了大量研究，但与高质量钛合金结构件的市场需求相比，尚有较大差距。因此，需要积极开展电子束焊接TC4钛合金的焊缝质量缺陷分析与预防工作，进一步提高钛合金结构件的焊缝质量。
参考文献：
[1]]刘莹，曲周德，王本贤.钦合金TC4的研究开发与应用兵器材料科学与工程[J].2005.
[2]赵树萍，吕双坤.钛合金在航空航天领域中的应用[J].钛工业进展，2002.
论文作者:赵妍
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/29
标签：裂纹论文; 钛合金论文; 电子束论文; 熔池论文; 空腔论文; 缺陷论文; 金属论文; 《防护工程》2017年第22期论文;