上海空间推进研究所 于 康 周 俊 顾利峰

随着航空、航天、武器装备性能要求的不断提高，对于材料性能的要求越来越苛刻，而TC4钛合金具有耐腐蚀、比强度高、高温性能良好等一系列优点，在航天、航空、武器领域有很好的应用前景[1-4]。随着对材料研究的深入和加工技术的发展, TC4钛合金的综合性能逐步得到更全面的认识和更广泛的应用，因此受到国内外的广泛关注[5-6]。

表面张力贮箱的壳体材料为TC4，其赤道圆焊缝采用电子束焊接方法。赤道圆焊缝为重要承压焊缝，焊接检验标准为GJB1718A-2005 I级，气孔、未焊透、未熔合等缺陷通过X射线检测，焊缝拉伸强度不得低于母材的90%。赤道圆焊缝结构复杂，焊前表面处理困难，若一次电子束焊接产生缺陷且不满足检验标准要求，则需要进行补焊。电子束焊缝热影响区较小，经过一次电子束焊接的焊缝力学性能与母材接近，但经过多次电子束焊接后，焊缝受到的累积能量输入增大，其焊缝力学性能则无从考证。

本文研究了电子束焊接能量输入对TC4钛合金焊缝力学性能的影响，为设计与工艺人员对补焊次数的确定提供理论依据。

1 试验材料及方法

试验所用的材料为钛合金TC4板材，厚度为3mm，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。板材尺寸及电子束焊接位置如图1所示，焊后板材采用线切割方法加工成图2所示的拉伸试板。

表1 TC4钛合金的化学成分 （原子数分数）%

图1 板材试验件示意图Fig.1 Diagram of plate test piece

表2 TC4钛合金的力学性能

图2 拉伸试板示意图Fig.2 Diagram of tensile test panels

本试验采用的焊接设备为真空电子束设备。焊枪为CT4型间热式阴极三级枪，所使用阴极最大功率为15kW，焊接电压最高为60kV。试验选用的应力测量设备为图3所示的X-350A型X射线衍射残余应力测试设备，其测量应力为表面应力，深度约60～80μm。

图3 X-350A型X射线衍射残余应力测试设备Fig.3 X-350A test equipment of X-ray diffraction

2 电子束热输入量理论分析

电子束焊是在真空环境下，利用汇聚的高速电子流轰击工件接缝处，电子的动能转变为热能而使被焊金属熔合的一种焊接方法。在高压蒸汽的作用下，熔化的金属被排开，电子束能继续撞击深处的固态金属，在被焊工件上钻出一个锁形小孔，即“匙孔”，“匙孔”的周围被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿“匙孔”周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固形成焊缝[7-8]。

电子束焊接参数主要包括电子束电流、加速电压和焊接速度，而焊接热输入量则是焊接参数综合作用的结果，其对于材料焊缝的组织和力学性能有着直接的影响。电子束焊接时热输入量的计算公式为：

式中，Q为热输入量；Ub为加速电压；Ib为电子束电流；V为焊接速度；N为作用在同一焊缝位置的次数。

由公式（1）可知，作用在焊缝处的能量输入与其作用在该位置的次数成正比。电子束焊接的功率密度高，可达106W/cm3，能量集中，焊缝的热影响区较小，其焊缝的组织与性能一般与母材相近。此时，假设经单次热输量作用的焊缝组织与性能与母材性能的关系系数为K，即

式中，P1为单次热输量作用的焊缝组织与性能；P为母材的组织与性能。

由公式（2）可近似推导，当焊缝同一位置经过N次焊接热输入作用下，焊缝组织与性能与母材的关系如公式（3）。

式中，PN为N次热输量作用下的焊缝组织与性能。

3 电子束热输入量对焊缝拉伸性能的影响

本次试验以表面张力贮箱赤道圆焊缝的热输入量为研究对象，研究其对材料组织与性能的影响。赤道圆焊缝的熔深要求为2.5～3.5mm，其电子束焊接的流程如图4所示。电子束焊接及补焊参数如表3所示。

钛合金材料经过一次电子束热输入作用后，焊缝中一些低熔点合金易挥发，焊缝组织和硬度较本体材料发生改变，因此，要达到相同的熔深要求，补焊的能量输入一般要略大于首次焊接时的能量输入。结合焊缝熔深测量技术，首次电子束焊接焊接速流确定为20mA，补焊电子束焊接焊接束流确定为21mA，两者的能量输入比为1∶1.05。

图5为电子束焊接热输入量对焊缝拉伸强度的影响图。由图5可知，随着焊接次数的增多，热输入量增大，焊缝的拉伸强度逐步降低，当仅经历了单次电子束焊接过程时，拉伸强度达到1014MPa，为母材的97%，随着焊接次数的增加，热输入量增加，拉伸强度逐步降低，但下降较缓慢，当经历6次电子束焊接后，拉伸强度为927MPa，低于母材强度的90%。焊缝拉伸强度的降低与焊缝部位的残余应力有直接的对应关系。由于焊缝部位受热影响，在冷热循环过程中，在不等温温度场的作用下，焊缝部位的收缩变形易造成其内部存在拉应力，拉应力的存在必然会降低其拉伸断裂强度，随着焊接次数的增加，热输入量逐步增加，焊缝部位的变形增大，残余拉应力也逐步增大，因此拉伸强度逐步下降。

表3 电子束焊接参数表

图5 电子束热输入对焊缝拉伸强度的影响Fig.5 Effect of electron beam welding heat input for tensile strength of weld

为了更好地研究焊接次数对焊缝拉伸强度的影响，采用X射线衍射仪测量焊缝表面部位存在的残余应力，X射线衍射残余应力测定的参数如表4所示，标准试样的零应力测定值为6MPa，满足测定标准要求。

表4 X射线衍射残余应力测定参数表

图6为经不同次电子束焊接后的接头表面残余应力的测试结果。由图6可知，焊缝部位在电子束焊接过程中的不均匀温度场作用下，发生不均匀的收缩变形，最终产生了残余拉伸力。当接头通过一次焊接时，其表面存在256MPa的残余拉应力。随着焊接次数的增加，电子束焊接能量输入增加，接头收缩变形加剧，其残余拉应力也逐步提高。当焊接次数达到6次时，残余拉应力提高至396MPa。残余拉应力的提高导致了焊缝拉伸强度的降低。

图6 接头表面残余应力的测试结果Fig.6 Test results of joint surface residual stress

赤道圆焊缝的检验标准为GJB1718A-2005 I级，其要求焊缝拉伸性能不得低于母材的90%。当电子束焊接次数达到6次时，焊缝拉伸强度低于母材的90%，因此，单一针对焊缝拉伸强度的指标要求，焊缝同一位置的焊接次数不得超过5次。

4 结论

（1）随着电子束焊接能量输入次数的增加，焊缝拉伸性能和断裂延伸率逐步降低，焊接残余拉应力逐渐增大；

（2）当焊接次数达到6次时，拉伸性能低于母材强度的90%，无法满足GJB1718A-2005 I级标准要求。

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