运载火箭中TC4钛合金高压球形气瓶的TIG焊

张起亮

（安阳技师学院，河南安阳 455000）

运载火箭中TC4钛合金高压球形气瓶的TIG焊

张起亮

（安阳技师学院，河南安阳 455000）

本文对TC4（Ti-6Al-4V）钛合金的性能、焊接性作了分析。采用TIG焊方法来制作TC4（Ti-6Al-4V）钛合金高压球形气瓶，完全满足运载火箭的使用要求。

TC4钛合金；TIG焊；运载火箭

20世纪50年代后期，美国的钛合金应用重点从航空领域转向导弹领域。目前钛合金在导弹上的应用较为普遍，如导弹尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座等。钛合金高压球形气瓶用于运载火箭，要求质量轻、耐腐蚀，焊缝无气孔和夹杂，有较高强度和塑性，爆破压力达50MPa，且有抗疲劳性能要求。为此，选用淬火+时效状态的TC4钛合金做母材，采用TIG焊方法来制作该气瓶。

1 母材性能

TC4（Ti-6Al-4V）是应用最广泛的α+β钛合金，其基本相组成是α相和β相。其化学成分如下表1。

表1 TC4（Ti-6Al-4V）的化学成分（质量分数，%）[1]

母材采用了淬火+时效状态的TC4钛合金，焊接处厚度为4.2mm。其力学性能如表2。

表2 TC4钛合金的力学性能[2]

2 母材焊接性分析

2.1 焊接接头区脆化

TC4钛合金不仅在熔化状态，即使在400℃以上的高温固态也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染，并吸收氧、氮、氢、碳等元素，使焊接接头的塑性及冲击韧度下降，并易引起气孔。因此，施焊时对焊接熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要进行保护。

2.2 易形成冷裂纹

由于TC4钛合金中S、P、C等杂质很少，所以很少会产生热裂纹。但是，焊接钛及钛合金时极易受到O、H、N等杂质污染，当这些杂质含量较高时，焊缝和热影响性能变脆，在焊接应力作用下易产生冷裂纹。其中氢是产生冷裂纹的主要原因。氢从高温熔池向较低温度的热影响区扩散，当该区氢富集到一定程度将从固溶体中析出TiH2使之脆化；随着TiH2析出将产生较大的体积变化而引起较大的内应力。这些因素促使冷裂纹的生成，而且具有延迟性质。

2.3 焊接接头晶粒易粗化

TC4钛合金与其他金属比较，具有熔点高、热容量较小、热导率小的特点。因此焊接接头易产生过热组织，晶粒长得粗大，特别是β钛合金，易引起塑性和断裂韧度降低。所以在选择焊接参数时，既要保证不过热，又要防止淬硬现象。

2.4 易产生气孔

产生气孔的气体是氢，因为氢在钛中的溶解度随着温度升高而下降，焊接时沿熔合线附近加热温度高，会引起氢的析出，因此气孔常在熔合线附近形成。

3 焊接材料

3.1 氩气

采用纯度为99.99%（体积分数）的一级氩气，露点在-40℃以下，杂质总含量＜0.02%（体积分数）相对湿度＜5%，水分＜0.001mg/L。焊接过程中氩气瓶的压力降至1MPa时应停止使用，以保证焊接接头的质量。

3.2 焊丝

填充焊丝的成分一般应与母材金属相同。为了提高焊缝金属的塑性，可选用强度比母材金属稍低的焊丝。因此我们采用TC3钛合金焊丝，其化学成分如下表3。

表3 TC3（Ti-5Al-4V）焊丝的化学成分（质量分数，%）[1]

焊丝为真空退火状态供货，表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂等缺陷。其力学性能如下表4。

表4 TC3（Ti-5Al-4V）焊丝的力学性能[3]

4 焊接工艺要点及焊前准备

该气瓶焊接部位壁厚为4.2mm、坡口角为90°、钝边高度为2mm。焊前先酸洗去除焊丝及瓶体焊接部位油污，然后再进行抛光，最后用丙酮清洗。钛合金气瓶采用多层焊，焊前应提前送氩气，第一层可不加焊丝，以0.5-1.0mm短弧焊接，弧长由自由调节器调控，焊接过程中注意层间冷却。第二层要填丝，以2-3mm弧长进行焊接，焊接参数见表5。

表5 TC4钛合金气瓶TIG焊的工艺参数

5 焊后热处理

焊后对焊件表面进行彻底清理，然后在惰性气氛中进行淬火+时效处理，淬火温度为925±10℃，保温0.5-2小时，然后水冷。时效温度为500±10℃，保温4小时后空冷。经过淬火和时效后，焊接接头的力学性能如下表6。

表6 TC4（Ti-6Al-4V）合金焊接接头的力学性能

6 结论

采用TIG焊方法来制作TC4钛合金高压球形气瓶完全可以满足运载火箭的使用要求。

[1]雷毅．简明金属焊接手册[M]．北京：中国石化出版社，2012：142-148．

[2]李亚江．先进难焊材料的焊接[M]．北京：机械工业出版社，2011：191．

[3]王长忠．高级焊工工艺学[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2006：213．

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1003-5168(2014)04-0077-02

张起亮（1973—），男，河南安阳人，安阳技师学院讲师，学士，研究方向：焊接、金属材料。