钛合金发动机壳体等离子焊接工艺研究(4)
1.3.3 存在裂纹的可能性
钛合金中硫、磷、碳等能在晶界与钛形成低熔点共晶的杂质含量很少，有效结晶温度区间窄，焊缝凝固时收缩量小，因而不会产生焊缝的热裂纹。钛合金焊缝的裂纹属于冷裂纹，属氢致裂纹。钛合金焊缝金属是一种具有特殊性能的铸态组织，存在疏松、偏析、气孔、粗晶等缺陷的特点，特别是焊接接头区温度超过300℃时，开始大量吸收气体杂质，尤其是吸收氢最为严重。由于熔池中氢含量过高，含有过饱和氢的α相发生共析反应，析出氢化钛，氢化钛本身强度低,共析反应中产生的体积膨胀会引起很大的晶间内力，可能产生晶间微裂纹，并扩展成裂纹。焊缝金属本身如含杂质过高而使塑性下降太多，产生裂纹的可能性也增大。钛合金焊接时，热影响区可能出现延迟裂纹,这也与氢有关。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,加上此处不利的应力状态，结果会引起裂纹[8]。
钛合金的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低，所以钛合金的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。故在焊接时应采用小电流、高焊速的焊接规范。另外，在高温下钛合金极易被氧化且易大量吸收氢，故在焊前要彻底清除焊丝和焊件表面的水分、氧化膜、油污、有机杂质等,严格控制氢源。焊接必须在惰性气体保护下进行，熔池及焊后刚开始冷却时的焊缝和热影响区都应保护。
1．4 钛合金常见焊接方法
1.4.1 钨极氩弧焊
钨极氩弧焊是钛及钛合金焊接中应用最广泛的一种方法，它是一种非熔化极气体保护焊，是利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。焊接过程中钨极不熔化，只起引弧、文弧。同时由焊矩的喷嘴送进氩气作保护气体。还可根据需要另外添加填充金属。在国际上通称为TIG焊。它是连接薄板金属和打底焊的一种极好方法，尤其适合于钛、锆等活泼金属。对于厚大工件的焊接可采用熔化极氩弧焊。而对于薄壁件的焊接采用常规焊接方法易出现焊穿、变形大、焊接参数及焊接性能不稳定、焊速低等现象。据有关资料报道[9]：脉冲钨极氩弧焊可减小这些不稳定因素并改变上述不良现象。钨极氩弧焊缺点是焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大，焊缝中易产生气孔以及钨夹杂等焊接缺陷 [10]。
1.4.2 真空电子束焊
真空电子束焊是高能束焊的一种。在焊接过程中高速电子轰击工件表面，以从电子的动能转化来的热能为热源进行焊接的方法。真空电子束非常适合于钛合金的焊接。这主要是因为它具有一系列的优点：焊接冶金质量好，焊缝窄，深宽比大，焊接角变形小，焊缝及热影响区晶粒细小，接头性能好，焊缝和热影响区不会被空气污染，焊接厚件时效率高等。电子束焊接时，焊缝金属加热到高于熔点的温度，冷却后获得马氏体或近马氏体类型快速冷却金属的片状组织。焊缝附近区域的特点是晶界局部熔化。在用电子束焊接的接头中，焊缝附近区域非常窄，通常不明显。其缺点是焊缝中易出现气孔，结构尺寸易受真空室限制，不适合于大批量生产。电子束焊接时，焊接接头中产生相当大的残余应力，随着焊接件厚度的增大而增加。降低残余应力的主要方法是焊接后对焊件进行完全真空退火[11-13]。
1.4.3 钎焊
钎焊是钛合金与其它金属最简单可靠的连接方法，亦可用于钛合金的微型复杂件的连接。钎料是钎焊必不可缺的材料，通常按其熔化温度范围分外两大类：液相线温度低于450℃的称为软钎料。主要包括：镓基、铋基、铟基、锡基、铅基、镉基、锌基等。钛合金很少用软钎料钎焊。液相线温度高于450℃的称为硬钎料。主要包括：铝基、镁基、铜基、银基、锰基、金基、镍基、钛基等。目前对于钛合金的钎焊，应用较普通是银基、铝基和钛基3类，而铜基和镍基钎料由于形成脆性的金属间化合物而一般不宜使用[14]。由于钛的高温活性强，钎焊一般在真空或氩气保护下进行。钛合金容易与钎料合金化，故易于钎焊。但同时也容易形成金属间化合物，引起接头脆性。为此应选择合适的钎料和降低钎焊温度，缩短钎焊时间以便不形成或少形成脆性的金属间化合物[15]。
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