钛合金油箱漏油原因分析及其解决措施

2013-09-04戴乐

机械工程与自动化 2013年6期

戴乐

（海军驻洛阳四〇七厂军事代表室，河南洛阳 471039）

0 引言

油箱是某水下振源体的重要组成部分，主要给动力源液压系统提供液压油。油箱在工作中受到振源体的强烈振动，是受到交变载荷作用的焊接件，为保证水下振源体的正常工作，油箱制造材料选用一种高强、高韧、耐蚀、可焊的舰船用钛合金（Ti80合金），但是在实际工作过程中，油箱焊缝还是出现了开裂情况导致了油箱漏油。本文主要针对油箱的结构进行分析，提出解决油箱漏油的措施。

1 油箱结构

油箱是一个半圆柱体的封闭油箱，采用整体框架式焊接结构，外表面采用蒙皮拼装形式，主要由油箱蒙皮、油箱底板、隔板、前隔板、环肋和穿过油箱的横梁和环圈组成，有接口座、泄油口、进油口和回油口等接口，如图1所示。蒙皮、隔板、油箱底板等由板材加工而成，各部分经焊接后成型。油箱对焊接质量要求高，油箱上的焊缝都是连续焊缝，焊缝强度必须达到母材强度的90%，所有焊缝表面按JB4730－1994标准进行焊后表面着色处理，达到Ⅰ级要求；所有焊缝应通过焊后煤油渗漏，另外油箱焊接完成后还要通过气密试验。

图1 原油箱结构示意图

2 材料力学性能及焊接特点

2．1 Ti80合金的力学性能

Ti80合金是一种高强、高韧、耐蚀、可焊舰船用钛合金，其化学成分为Ti－6Al－3Nb－2Zr－0．8Mo。Ti80合金热稳定性好，热成型性能易控制，其断裂韧性、耐海水腐蚀性能、抗应力腐蚀性能优良，焊接系数≥0．9。表1为Ti80合金的力学性能及其焊接接头的力学性能。

表1 Ti80合金的力学性能及焊接接头力学性能

2．2 Ti80合金的焊接特点

钛合金Ti80的焊接具有许多显著的特点：①钛合金的化学性质非常活泼，在高温时对氧、氢、氮等元素具有很强的亲和力，为防止脆化现象，在焊接过程中对气体保护的要求特别高，因此必须采取措施严格控制氧、氢、氮等元素进入焊缝；②钛合金的熔点高、热容量大、导热性差，接头的塑性及韧性较低，焊接时易产生裂纹，为了避免焊缝裂开，应进行真空热处理消除焊接内应力，减少焊接裂纹倾向；③钛合金化学活性大，在高温时极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染，引起气孔，为了避免产生气孔，应注意焊前清理、焊接电流和焊接速度、焊接保护等。

3 油箱漏油原因分析

水下振源体工作一段时间后，油箱出现了漏油现象，对油箱进行气密性试验时发现，前隔板与油箱底板、蒙皮和接口座、横梁与蒙皮焊缝（前隔板侧）均有泄漏现象。对有问题焊缝进行着色检验后，发现横梁与蒙皮焊缝熔合线处存在裂纹，产生裂纹的主要原因是由于蒙皮壁厚为5mm，而且此道焊缝操作空间狭小，不易实施焊接作业，焊接电流和背面保护气体不易控制，操作人员在焊接收弧时焊接电流和背面保护气体未控制好，导致焊缝产生氧化，使熔合线部分蒙皮壁厚度减薄。产品出厂检验时，对油箱进行的气密性试验是静态试验，没有表现出泄漏，产品工作一段时间后，熔合线蒙皮壁厚减薄部分产生裂纹。前隔板与油箱底板、蒙皮和接口座焊缝出现漏油的主要原因是焊缝形式不对，焊缝采用单面圆周角焊缝，坡口深2mm，焊脚高2mm，制订焊接工艺时轻视了焊缝的强度要求，造成前隔板焊缝有效厚度偏低，焊缝强度不够，导致前隔板焊缝疲劳开裂。油箱在工作中承受很强的振动，所受载荷为交变载荷，使油箱承受较大的疲劳应力，由于前隔板焊缝强度偏低和焊缝应力集中，使焊缝疲劳开裂。油箱具体制造及装配顺序如图2所示。

图2 油箱具体制造及装配顺序

4 解决方法及措施

根据上述分析结果，采取以下解决方法：

（1）结构方面：①将穿过前隔板的横梁截断，前隔板不留穿过横梁的缺口，前隔板处蒙皮与横梁没有焊缝，便于焊接的进行，前隔板与环肋之间的横梁与蒙皮采用双面对称断续角焊缝，焊缝长100mm，间隔50 mm，焊脚高5mm；②将穿过油箱底板的环圈截断，环圈与油箱底板相交处要断开装焊，油箱底板无任何缺口，油箱底板与环圈焊缝为三面角焊缝，焊脚高5 mm；③增加前隔板与油箱底板、蒙皮和接口座之间焊缝的焊接强度，增大焊缝焊脚高度和坡口深度，焊缝采用单面焊接双面成型型式，提高焊缝的焊接强度和耐疲劳性能，前隔板与油箱底板之间焊缝为单面角焊缝，前隔板单面开坡口，坡口深5mm，焊脚高4mm，保证足够的焊角高度；前隔板与蒙皮之间焊缝为单面角焊缝，前隔板单面开坡口，坡口深5mm，焊脚高4mm；前隔板与接口座之间焊缝为单面角焊缝，前隔板单面开坡口，坡口深5mm，焊脚高4m。图3为改进后的油箱结构示意图。

（2）焊接工艺方面：改进焊接工艺，使焊缝表面圆滑过渡，防止焊缝表面出现尖角等本身缺陷，避免焊缝应力集中，每焊一道焊缝后，立即对焊缝进行超声波消应处理。超声波消应处理的操作方法是：将超声波冲击枪对准焊接接头焊趾部位，且基本垂直于焊缝；冲击头的冲击针陈列沿焊缝方向排列，略施加一定的压力，使其基本在冲击枪的自重条件下进行冲击处理。超声波消应能够改善焊缝焊趾区外形的几何形状，提高焊缝的疲劳寿命和疲劳强度。焊接完成后对水下振源体整体进行真空热处理以消除焊接应力，提高焊缝的焊缝强度和疲劳性能。

图3 改进后的油箱结构示意图

为保证焊缝质量，考虑现场实际操作情况及水下振源体的使用性能要求，在正式实施焊接作业前，首先对保护气体及焊接电流进行试验验证，即采用与前隔板、油箱底板、横梁、接口座和蒙皮同材质同厚度的材料制成试板，在拟采用的焊接电流和保护气体下进行焊接，验证焊接质量后再正式施焊。正式施焊的焊接工艺及焊接要求如下：①采用手工钨极氩弧焊，焊丝直径为Φ1．0；②焊缝及热影响区表面颜色为银白或淡黄色；③焊接时控制焊接线能量，焊接层间温度小于50℃。具体焊接工艺规范参数见表2。

表2 焊接工艺规范参数

采用以上纠正措施，使得油箱焊缝强度有很大的提高，焊缝表面质量得到改善，改进后油箱与原来相比具有焊接操作性好，焊接空间便于操作，焊接过程中焊缝容易实施保护，焊接质量容易保证，焊后焊接应力容易消除，焊缝疲劳强度和抗疲劳性能提高。焊后对油箱焊缝进行着色检验，符合JB4730－1994Ⅰ级要求，所有焊缝通过焊后煤油渗漏，对油箱进行整体气密试验，试验压力为0．5MPa，保压30min无泄漏。在实际使用过程中，改进后油箱一直未出现过焊缝开裂引起油箱漏油的问题，改进后的油箱结构和工艺能够更好地满足了产品的使用要求。