刘宁宁，景建元，赵海云，王艳玲

北京金宇顺达科技股份有限公司 北京 100070

1 序言

α+β两相型钛合金（例如TC4）是钛合金中最常用的材料。α+β两相型钛合金兼具良好的塑性和强度，在工业生产中应用广泛。钛合金有化学性质活泼的特点，在焊接过程中要注意焊接保护。另外钛合金还有低导热性的特点，在焊后特别容易出现变形的情况[1，2]。由于α+β两相型钛合金中厚板箱体焊缝长度较大，为了保证结构稳定性，焊脚比较大，因此箱体变形比较大。为保证箱体最终形状尺寸和后续使用，必须对焊接变形进行控制[3]。

我公司承接某TC4中厚板箱体批量生产项目，对箱体形状尺寸有极高的要求。所用TC4板材化学成分和力学性能见表1。箱体外形尺寸820mm×780mm×425mm，所用拼板厚度在5～12mm之间，主要使用8mm和10mm厚的TC4板材。此长方形箱体在高度方向2/3处设计横向隔板，将箱体分成上下两部分，上部分是一个空腔，下部分腔体增加两块贯穿的加强板，箱体下空腔要求焊缝具有密封性。整个箱体的外部各板均有装配功能的方形或圆形孔，焊接过程中要注意对孔的保护。

表1 TC4板材化学成分和力学性能

采用一系列方法控制箱体的焊接变形，焊前为箱体设计专门使用的焊接夹具，夹具有定位和固定作用。箱体拼接之前在拼板边缘处分别加工出镶嵌凸台和镶嵌凹槽，这对拼板有固定作用。在焊接过程中，设定合理的焊接工艺，采用小热输入的方式，选用合理的焊接顺序[4]，间断焊接充分散热。焊后对箱体整体采用真空热处理。

2 箱体镶嵌

为保证箱体拼接位置准确，以及对焊接变形进行控制，设计出箱体的镶嵌结构，如图1所示。镶嵌结构设置在两块拼板上，两块拼板是角接关系，一块板侧面一部分搭接另一块板上。在立板的侧面设置加工出平键形状的结构，平键与立板连成一体，平键尺寸9mm×3mm。与立板对应的底板平面边缘位置设置键槽形状的结构，键槽尺寸9mm×3mm。键与键槽为过盈配合。键和键槽各自的间距均在100～200mm，键与键槽分别对应。

图1 箱体镶嵌结构

通过镶嵌结构的方式，立板紧密地固定在底板上，两板之间的贴合紧密，不存在缝隙（见图2）。两块板镶嵌好之后，保持垂直状态，然后进行焊接，要求双面焊接，内部焊缝焊接后对外部焊缝位置加工出坡口，最后完成焊接。由于镶嵌结构的存在，两板接触位置不会发生相对位移和变形等情况。镶嵌结构主要是应用于箱体外围拼板的拼焊。

图2 箱体拼接后

3 焊接夹具

焊接夹具的主要功能是定位和固定。定位功能的实现要考虑夹具与箱体拼板的配合，利用拼板的边缘和中间孔的位置计算出夹具的位置，通过各拼板的相对位置计算，从而确定夹具零件的相对位置。箱体焊接夹具如图3所示，夹具设计整体固定于一个焊装平台上，焊装平台上有标准的定位孔、定位槽，夹具和箱体采用螺栓和抽销机构进行固定；夹具上设置滑动机构，其连接弹簧，使夹具固定板与箱体拼板靠紧，之后固定固定板，固定板的固定使用滑块与螺栓结构进行锁紧。固定板的面积尽量大，保证与箱体的大面积的贴合，受力均匀。夹具各零件的相对位置要严格保证，这是确保焊接位置的基础。

图3 箱体焊接夹具

箱体的拼板在焊装夹具上拼接点焊，然后进行焊接。焊接之后存在焊接残余热量，因此必须等残余热量全部散失之后，方可将箱体从夹具上拆卸。

4 焊接工艺控制

4.1 焊接参数选择

箱体焊接变形主要由焊接不均匀温度场引起，进而产生残余焊接应力和焊接变形。残余焊接应力不可避免，但可尽量减小。如果焊接热输入少，造成的不均匀温度场就小，进而产生的残余焊接应力就小。减小焊接热输入的主要方式就是减小焊接电流，并相应调节其他焊接参数，使其符合焊接功能实现。

此项目中箱体焊接使用手工氩弧焊的方法。采用直流正接，焊接位置大多数是角接，焊接一层即可，焊接过程使用氩气保护，在焊缝反面使用氩气背罩保护。对常规的5～12mm厚的板角接焊接的焊接参数进行调节，重点调节焊接电流。调节后实际采用的焊接参数见表2，所用焊丝化学成分和力学性能见表3。

表2 TC4中厚板箱体焊接参数

表3 焊丝化学成分和力学性能

4.2 焊接顺序

箱体在焊接夹具上按照要求位置组装好后，氩弧焊点焊固定确定好位置。接下来在焊缝全焊接时，要按照一定的焊接顺序进行。整个施焊过程采用先间断焊后满焊的顺序。为减小不均匀温度场，控制残余焊接应力，要使焊接后焊缝热量尽快散失。采用间断焊的方式，可使焊缝与空气相对接触面积增大，加快热量散失。间断焊缝长度为60～100mm，焊缝的间距同为60～100mm。间断焊接后对焊接接口位置进行清理。待热量完全散失之后，对焊缝间断缺口进行补全。

由于箱体中的焊缝比较长，因此对焊接的方向做出规定。箱体焊接时增加了之前镶嵌结构，还有焊接夹具，这为焊接时增加了约束。在有约束的情况下，如焊接方向为同一方向，纵向应力较大，则焊接变形沿焊接方向会更大。如图4所示，长方形示意为箱体上的某一拼板，四边都有焊缝，四边上的焊缝都规定为自中间向两边的方向进行焊接，采用此焊接方向，焊缝纵向应力会小，可减小焊接变形。

图4 焊接方向设计

5 去应力热处理

通过上述多种方法的改进，箱体焊接之后焊接变形控制问题基本得以解决。但是箱体中还存在着很大的残余应力，如果不消除会导致延迟变形，还可能引起冷裂纹，降低焊接接头的疲劳强度，因此焊后必须进行去应力热处理。

箱体焊后采用完全退火的方式，为避免箱体表面氧化污染，退火要在真空环境中进行，真空度≤1×10-1Pa；在真空炉达到退火温度之后，将箱体放进炉中进行退火；保温一定时间后，箱体随炉冷却或者冷却至300℃后空冷，去应力退火工艺参数见表4。箱体去应力退火之后，对其表面进行彻底清理。

表4 TC4中厚板箱体焊后退火工艺参数

6 结束语

以TC4为代表的α+β两相型钛合金中厚板箱体焊接变形较大，影响最终使用，我公司承接中厚板箱体形状尺寸要求严格。本文为控制焊接变形，采用一系列的方法，箱体拼装时引入镶嵌结构、焊接过程夹具设计使用、焊接过程中进行工艺控制，包括焊接参数的控制和焊接方向的选择、箱体焊后去应力热处理。通过这一系列的特殊方法应用，项目中的箱体焊接变形得到有效的控制，焊接变形控制在1mm/1000mm以下。

通过控制方法的研究，使产品得以优质的状态进行交付，产品质量得到各方人员的肯定。此外，产品的良好使用效果，为这一系列方法在α+β两相型钛合金中厚板箱体焊接中的应用提供了明确的佐证，可为其他类似工程生产提供良好的借鉴。