钛合金在航空航天应用中的焊接技术

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Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｎ ｅ ｗ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｃ Ｉ ｚ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｓ
高 新 技 术
钛合金在航空航天应用 中的焊接技术
方连军 阚 田田 谭伟龙
（ 沈 阳黎明航 空发动机 （ 集 团） 有限责任公司 ，辽宁 沈 阳 １ １ ０ ０ ４ ３）
摘 要 ：钛合 金具 有 密度 小 、强度 高、耐 热性好 、导热 性及 抗 疲 旁 ｝ 生 好 、有 着较 宽 的工 作 温度 范 围等优 点 ，被 广泛 地应 用 于航 空航 天领 域 。 而钛合金 在 飞机 及其 发动 机等 部 方面 的应 用 ，不可避 免 的 需要 使 用焊 接手段 进 行连 接 ， 因此 ，钛 合 金 的 焊接 方法在 扩 大钛合金 的应 用范 围上具 有重要 推动 作 用。 关键词 ：钛 合金 ； 航 空航 天 ； 焊接技 术 中图分 类 号 ：Ｖ ２ ５ ２ 文 献标 识码 ： Ａ 钛 及 钛 合 金 是 一 种 密 度 小 、 强 度 高 、耐 热性 好 、韧 性 高 、导 热性 及 抗 疲 劳 性 好 、有 着 较 宽 的工 作 温 度 范 围 和优 异的抗海水腐蚀性能及超低温性能等一 系列 优异 性 能 的工 程 结 构 材料 。 因此 ， 被 广 泛地 应 用 于航 空 航 天 领 域 。钛 及 钛 合金 已经成 为航 空航 天工业 的支柱之 相 关 资料 表 明 ，高 性 能 钛 及 钛 合金 在 航 空 航 天 Ｔ业 中 的应 用 占到 了 钛 材 总 产 量 的７ ０ ％左 右 。 钛 制 设 备 虽 然 一 次性 投资较高 ，但全寿命费用较低 ，经济效 益 明 显 ， 目前 高性 能 的飞 机 、坦 克 正在 采用钛合金部件 ，先进发动机的压气机 盘 、压 气 机 叶 片 、风扇 叶片 以及 机 匣 等 均 由钛 合 金 制 造 。并 且 在 石 油 化 ＿ Ｔ部 门 中钛 合 金 的 范 围 也 在逐 渐 扩 展 。 而 钛合 金 在 飞 机 及 其 发 动 机等 部 方 面 的 应 用 ， 不 可 避 免 的 需 要 使 用 焊 接 手 段 进 行 连 接 ，因 此 ，钛 合金 的焊 接 方 法 在 扩 大 钛 合 金 的应用 范 围上具 有重 要作 用 。 １ ． 钛合金的电子束焊 电 子 束 焊 目前 越 来 越 多 地 应 用 到 钛合金 的焊接 中。电子束焊接是利用汇 聚 的高 速 电子 轰 击 工件 接 缝 处 所 产 生 的 热能 ，使其加热 、熔化 、冷却结 晶，形 成 焊 缝 的 一 种 新 型 焊接 技 术 。真 空 电 子 束焊 ，由 于焊 接 过 程 是 在 真 空环 境 中进 行 ，杜绝 了空 气 对 焊 缝 的影 响 ，所 以焊 缝 的保 护 效 果 很 好 。可 完全 防止 大 气 污 染 ，易 获 得 质 量 高 于 非 真 空 环境 下 的 焊 缝 。真 空 电子 束 焊 焊 接 钛及 钛 合 金 具 有 独 特 的优 势 ，表 现 为 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 、 焊接 快 。 电子 束 焊 焊 后 产 生 的 晶粒 大 多 是较 均 匀 的等 轴 晶 ，焊 接 接 头有 较 高 的 强度 。 由 于真 空 电子 束 焊 接需 要 真 空 室 ， 所 以一 般 不 适 合 于 室 外 焊接 以及 大 尺 寸 Ｔ件 焊 接 ，而 且 焊 缝 中 易 出 现气 孔 ，但 ＿ 塑性 相对 降低 ，结构尺寸易受真空室 限 制 ，不适 合 于大批 量生 产 。 ２ ． 钛合 金 的激光 焊 激光 焊接 是 利用 高 能量 密度 的激 光 束 作 为 热 源 的 一 种 高 效 精 密 焊 接 方 法。 自 “ 小 孔 效 应 ”的 激 光 深熔 焊 得 以
一
，Hale Waihona Puke 实 现 ，激 光 焊 接 技 术 迅 猛发 展 ，钛 合 金 激 光焊 应 用 研 究 也 得 到 了广 泛 重 视 。激 光 焊接 具 有 高 能 量 密 度 、热 变 形 小 、可 聚 焦 、无 接 触 加 工 、深 穿透 、高 效 率 、 高 精度 、热 影 响 区 狭 窄 、适 应 性 强 等 优 点 ，激 光 焊 能 焊 接 高 熔 点 、难 熔 、难 焊 的 金 属 ， 自动化 和 柔 性 化 程 度 高 ，一 般 情 况 下 不需 要 真 空 工 作 室 。 激 光 焊接 具 有 熔 池 净化 效 应 ，能 纯 净 焊 缝 金 属 ，焊 缝 的 机 械性 能相 当于 或 优 于 母 材 。基 于 激 光 焊 接具 有 的诸 多 优 势 ，它是 二 十一 世 纪 先 进 的制 造 技 术 之 一 ，受 到世 界 各 国的 重 视 ，广泛 的应 用 于 航 空航 天 、汽 车 制 造 、电 子轻 ＿ Ｔ业 等 领 域 。 中国 的 激 光 焊 接 处 于 世 界先 进 水 平 ，具 备 了使 用 激光成形超过１ ２ 平方 米 的复 杂 钛 合 金 构 件 的技 术 和 能力 ，并 投 人 多 个 国产 航 空 科 研 项 目的 原 型 和产 品制 造 中 ，具 有 更 广 泛 的应用前 景 。 激 光 焊 也 有 其 不 足之 处 ，它 的 穿 透 力不如 电子束强 ，因此能够焊接的板材 的厚 度 十分 有 限 。激 光焊 接 系 统 的 成 本 通 常高于传统的焊接设备 ，但 由于激光 焊 的高 生 产 率 和 高性 能质 量 足 以弥 补 此 项 缺 憾 ，使 得 激 光 焊 接 系统 在 技 术 及 经 济上具有很强的综合竞争力。 ３ ． 钛合 金 的等离 子弧 焊 等离 子弧 焊广 泛 用于 工业 生产 ， 特 别是 航 空 航 天 等 军 工 和 尖端 工 业 技 术 中 ，等 离 子 弧 焊 也 常 用 于钛 及 钛 合 金 的 焊 接 。等 离 子 弧 焊 是 利用 等离 子 弧 作 为 热 源 的焊 接 方 法 ，它 有 两种 基 本 方 法 ： ｔ ｂ？ Ｌ 型等 离子 弧焊 及熔透 型 等离 子弧 焊。等离子弧焊具有能量集中 、射 流速 度 大 、熔 深 大 、 电弧 力 强 、焊缝 窄 、热 影 响 区小 、焊 件 不 开 坡 口等特 点 ，等 离 子弧 的能 量密 度介 于 电弧 与电子 束之 间 ，等离 子射 流可 以直 接穿 透被 焊＿ Ｔ 件 ， 由于 钛 的 比重 较 轻 ，重 力 作 用 较 小 ，而 且液 态 钛 的表 面 张 力较 大 ，所 以 有 利 于 形成 “ 穿孑 Ｌ 效 应 ” 进 行 等 离 子 焊 接 ，而 且用 等离 子 弧 焊 接 钛 及 钛 合 金 ， 能 获 得 优 质 的焊 接 接 头 。 目前 ，许 多 高 精度 、高质 量的军用装备都 已采用了等 离 子 弧 焊 接 方法 。等 离 子 弧 焊 既 不 需 填 充 材 料 ，又 能一 次 性 焊 好 ，减 轻 了 基体