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制造技术研究　
ＢＴ２０钛合金板材与铸件焊接工艺　
北京航星机器制造公司 王志敏 洪孝风 曹文君
文摘 分析了ＢＴ２０钛合金板材和铸板的基本性能，根据设计要求，建立焊接接头的初步设计形式，并通过焊接工艺试验、力学性能试验、金相分析及相关验证试验等，确定了ＢＴ２０钛合金板材和铸件焊接接头的设计形式。

主题词 钛合金 焊接接头 设计 焊接工艺
１ 引言　
随着钛合金材料在航空航天中的广泛应用，越来越多的钛合金结构件采用了焊接结构。

某飞行器的结构件采用钛合金板材和锻件对接的焊接接头形式，为了改善该结构件的整体工艺性和质量，拟采用板材和铸件的对接接头代替板材对接的焊接接头形式。

经过工艺攻关，得到了符合设计要求的焊接接头。

２ 设计方案　
２．１ 设计要求　
为了满足结构件的使用要求，设计要求焊接接头的极限抗拉强度不低于837MPa ，接头弯曲角指标不小于30°，并能通过产品的相关试验验证。

２．２ 板材化学成分和室温机械性能　
本结构件采用的BT20钛合金为近a 钛合金，板材化学成分见表1，力学性能见表2。

表１ 板材化学成分　
Ti Al Mo Zr V H Fe 基
6.52
0.89
1.97
1.24
0.004
0.06
表２ 板材室温力学性能　
d b /MPa d 5/% a/(°) 1080
12
=30°
２．３ 锻件和铸件的性能对比　
标准规定的BT20钛合金锻件与BT20钛合金铸件材料性能对比见表3。

由表3可见，锻件和铸件的
抗拉强度基本相当，但锻件的延伸率d 5、断面收缩率?及冲击韧性A k 值要比铸件高一倍，因此锻件的塑性和韧性要比铸件好一些。

表３ 锻件和铸件的力学性能对比　
室温力学性能
d 5/% ?/% A k /kgf.m.cm -2
材料类别
s b / MPa 不小于 BT20锻件 931～1127 10 25 4 BT20铸件
882～1127
5
12
2.8 注：上表所列的是没有经过热等静压处理的BT20铸件室温力学性能。

收稿日期：2004-12-03
２．４ 接头设计　
原焊接接头采用厚度为1.8mm+1.8mm对接接头形式，为满足设计要求，又便于装配，保证焊接成形和质量，现将焊接接头初步设计为 1.8mm（板材）+1.8mm（铸件），1.8 mm（板材）+2.0mm（铸件），1.8mm（板材）+2.2mm（铸件）三种对接形式。

为保证焊接成形和防止应力集中，其中 1.8mm（板材）+2.2mm（铸件）接头形式，装配时采用上下错位各0.2mm的方式，然后通过焊接工艺试验、力学性能试验，初步确定焊接接头形式。

３ 工艺试验和结果分析　
　３．１ 焊接试验方法　
试验采用无变形自动焊接设备，焊丝采用直径为F1.6mm的BT1－00焊丝（1），板材焊接试样规格250 mm×100mm×1.8mm，铸件焊接试样250mm×100 mm×1.8（2.0，2.2）mm，铸件试样对接面经机械加工。

试样经去油、酸洗、清洗和烘干后，在焊接前经过机械打磨，保持试板焊接区域洁净，设计专用的夹具夹持试样，焊接过程中焊缝正面采用焊前和拖罩进行氩气保护，背面采用带小孔的垫板进行氩气保护（2）、（3）。

其装配状态和具体焊接工艺参数见表4。

表４ 焊接接头装配状态和焊接工艺参数　
装配形式/mm 焊接规范
接头形式/
mm 上错位下错位电流/A 电压/V 焊接速/mm.min-1 送丝速度/mm.min-1 1.8+1.8 0 0 115～120 8～11 200～250 250～450 1.8+2.0 0.2 0 125～130 8～11 200～250 250～450 1.8+2.2 0.2 0.2 130～140 8～11 200～250 250～450
焊接完成后，对焊缝及热影响区进行外观和颜色检查，焊缝成形良好，保护效果良好，无表面缺陷。

对焊缝内部质量采用X射线检查，焊接试样满足QJ1666—95《钛及钛合金熔焊技术条件》Ⅰ级接头要求。

３．２　力学性能试验　
参照GB2649～2655—89《焊接接头机械性能试验方法》，对试板进行了拉伸、弯曲、金相和氢含量试样切取，并对部分试样进行了真空热处理。

为了对比 1.8mm+1.8mm板材和锻件与1.8mm+1.8mm板材和铸件焊接接头试样极限抗拉强度，进行了1.8mm+1.8mm板材和铸件焊接接头试样极限抗拉强度试验，强度值分布为745～990 MPa，分散性较大，弯曲角在30°时大部分未出现裂纹。

考虑到铸件和锻件的性能差异和接头设计的增强设计，主要对以下两种接头形式进行试验分析。

（1）1.8mm+2.0mm接头形式拉伸试样共55件，弯曲试样共55件。

其中试样极限抗拉强度低于837 MPa的试样共8件，强度值在660～810 MPa之间，大多数断裂在铸板的热影响区，不合格率占其试样总数的14.5%。

试样中拉伸时断于铸板的共27件，约占其拉伸试样总数的49%，弯曲角大部分在30°时未出现裂纹。

经过热处理的此类接头拉伸试样16件，弯曲试样18件，1件试样的极限抗拉强度值为785MPa，低于837 MPa，断裂在铸板的热影响区上。

其余试样强度值分布在860～1090 MPa之间，其中7件拉伸试样均断于铸板处，弯曲试样在30°时大部分未出现裂纹。

（2）1.8mm+2.2mm接头形式拉伸试样共95件，弯曲试样共95件。

其中试样极限抗拉强度低于837 MPa的试样共2件，强度值分别为825 MPa和755MPa，断于板材的焊缝边缘，不合格率占其试样总数的2.1%。

试样中拉伸时断于铸板的1件，极限强度值为845MPa。

其余试样值大部分分布在1000～1070MPa之间，弯曲角大部分在30°时未出现裂纹。

经过热处理的此类接头拉伸试样21件，弯曲试样30件，试样强度值分布在1060～1110MPa之间，弯曲试样在30°时大部分未出现裂纹。

由以上试验可以看出，1.8mm+2.0mm的焊接接头形式出现在铸件上的破坏机会占49%，同时焊接接头的强度指标也有14.5%不满足要求，热处理后接头性能没有得到明显改善，从Ⅰ级接头的要求上来看是
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不能满足要求的。

1.8 mm +2.2mm 的接头形式从整体来看，不论极限强度值还是断裂部位，都可以达到Ⅰ级接头的要求，其极限强度值绝大部分分布在1000～1110MPa 之间，基本和母材强度相当，同时接头的弯曲角在30°时也未出现裂纹，说明此类焊接接头强度和塑性均较好，能够满足设计要求。

３．３ 氢含量检测　
焊后对焊缝进行了氢含量试样的切取，经检测，焊缝中氢含量为0.0027%， 小于母材要求的0.015%，也小于板材实际检测值0.0040%，满足钛合金氢含量要求。

３．４ 焊缝的显微组织　
焊缝母材组织为细小的变形a 。

图1为焊缝区的金相组织，焊缝的显微组织为针状a 组织，晶粒粗大。

热影响区为长大的变形a （见图2），晶粒比母材的晶粒长大，但比焊缝中心的晶粒小。

图１ 焊缝区 １５０×
图２ 热影响区 １５０×　
３．５ 接头形式的确定和验证　
根据试验结果确定选择1.8mm （板材）+2.2mm （铸件）接头形式作为代替原1.8mm （板材）+1.8mm （锻件）接头形式，并将其应用于飞行器结构的试验件上。

经过产品的相关试验验证，采用1.8mm （板材）+2.2mm （铸件）的混焊接头形式能满足设计要求，达到了改善该结构件的整体工艺性和质量的目的。

４ 结论　
a. 铸件因其组织性能上的差异，在设计等强焊接接头形式的时候，必须考虑接头的结构和过渡形式。

b. 从以上试验来看，1.8mm （板材）+2.2mm （铸板），上下错位均为0.2mm 时，采用合理的焊接工艺，可以得到过渡圆滑、成形良好的焊缝，焊缝内外质量和性能均能满足QJ1666—95《钛及钛合金熔焊技术条件》Ⅰ级接头要求。

c. 新的焊接接头的采用，达到了改善该结构件的整体工艺性和质量的目的。

经过相关试验验证，能满足设计要求。

参考文献　
1 北京航空工艺技术开发中心. 前苏联轻合金焊接技术
2 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册. 1992 (2)
3 周振丰, 张文钺. 焊接冶金与金属焊接性. 1988 (2)
作者简介
王志敏（1977-），男（汉族），四川人，焊接工艺及设备专业，工程师；研究方向：航天材料焊接工艺，氩弧焊、电阻焊与激光焊技术。