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1、第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&0CEANENGINEERINGV01．39No．3JurL2010DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2010．03．034水下航行器鈦合金密封殼體焊接特性研究李新會(中船重工集團(tuán)第七一。研究所，湖北宜昌443003)摘要：密封殼體是水下航行器最重要的部件，本文分析了TC4(Ti6A14V)的焊接特性，提出了具體的工藝方案，針對密封殼體制定了可行的焊接方案和操作規(guī)范。關(guān)鍵詞：TCA；密封殼體；焊接；水下航行器中圖分類號：U671．83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671—7953(2010
2、)03一0118—04進(jìn)入21世紀(jì)后，海洋的戰(zhàn)略地位凸現(xiàn)，海洋科學(xué)考察、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源勘探技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，水下航行器得到了深入而廣泛的應(yīng)崩【lJ。水下航行器密封殼體材料大多使用輕合金，而目前圍內(nèi)還未完全掌握輕金屬(鋁合金、鈦合金、鎂合金等)焊接結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵技術(shù)，如焊接工藝、焊接接頭組織和性能的控制、接頭和結(jié)構(gòu)壽命的評價(jià)等L2]。因此，對水下航行器殼體材料焊接性能的研究十分必要。1TC4焊接性分析焊縫和近縫區(qū)存在殘余拉應(yīng)力，兩側(cè)則存在與其平衡的壓應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力的存在可能引起焊接冷裂紋、結(jié)構(gòu)脆斷、應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞壽命降低等不良后果；壓
3、應(yīng)力則可能導(dǎo)致薄殼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)翹曲變形，從而影響焊接質(zhì)量[3]。特別是航行體工作于水下，因航行體本身存在高頻振動，并有可能承受水下強(qiáng)沖擊，因此必須避免存在裂紋、氣孔、變形。1．1熱裂紋TC4是一種室溫下呈現(xiàn)a+8型兩相組織的鈦合金，其化學(xué)成分見表1。表1TC4(Ti6A14V)的化學(xué)成分元素AlVFeSiCNHOTi霧曩二；?81j?。o．so．，s。．，o．oso．o，o．12Bal收稿日期：2010—04-08修回日期：2010—05-05作者簡介：李新會(1966-)，男，學(xué)士，工程師。研究方向：海洋勘探產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用。E-mail：yclixinhu
4、i@sina．corn118由表1可知：該鈦合金中S、P、C等元素含量很少，因此鈦合金焊接時(shí)，由于S、P形成的低熔點(diǎn)共晶不易出現(xiàn)在晶界上，加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄小，凝固時(shí)收縮量小，焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性很小。1．2冷裂紋鈦合金焊接時(shí)，熱影響區(qū)可出現(xiàn)冷裂紋，其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時(shí)甚至更長時(shí)間，稱作延遲裂紋。黃澈等L4‘7]的研究結(jié)果表明，鈦元素的化學(xué)活潑性高，具有很強(qiáng)的親和力，很容易與接觸的雜質(zhì)化合，鈦在300℃以上快速吸氫，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，當(dāng)含氧量超過0．30％，含氮量超過0．13％時(shí)，焊縫會因過脆而產(chǎn)生裂紋。焊接過
5、程中氫由高溫熔池向較低溫的熱影響區(qū)擴(kuò)散，氫含量的提高使該區(qū)析出Till：量增加，增大熱影響區(qū)脆性，另外由于氫化物析出時(shí)體積膨脹引起較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子向該區(qū)的高應(yīng)力部位擴(kuò)散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產(chǎn)生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源。1．3貫穿性裂紋貫穿性夾渣裂紋是由于打底時(shí)正、背面的焊渣未清理干凈造成的；貫穿性未熔合裂紋是由于焊接線能量輸入不夠引起的，見圖1。傘ka)夾渣裂紋b)未熔合裂紋圖l貫穿性裂紋水下航行器鈦合金密封殼體焊接特性研究——李新會I．4焊縫氣孔氣孔是鈦材焊接時(shí)比較容易產(chǎn)生的缺陷，主要原因是板材、焊材表面不干凈，
6、另外包括操作者手套上的水分、油脂及環(huán)境中的含碳物質(zhì)、砂磨機(jī)磨下的沙粒、飛塵等。焊縫金屬中的氣孑L主要影響到接頭的疲勞強(qiáng)度。防止產(chǎn)生氣孑L的工藝措施主要有：1)保護(hù)氬氣要純，純度應(yīng)不低于99．99％，也可以用氦一氬混合體或純氦實(shí)施焊接區(qū)的保護(hù)。2)徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機(jī)物。3)對熔池施以良好的氣體保護(hù)，控制好氬氣的流量及流速，防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象。4)正確選擇焊接工藝參數(shù)，增加深池停留時(shí)間，氣泡逸出，可有效地減少氣孔。1．5變形TC4的彈性模量E一110GPa，約為鋼的1／2，其熱導(dǎo)率較低，為7．955W／(m·K)，為鐵的1／5，鋁的
7、1／10，因此其自身的物理性能決定了產(chǎn)生焊接變形是不可避免的，必須采取保護(hù)措施。1)嚴(yán)格控制焊縫的焊接熱輸入量，采用小電流快速焊，在不產(chǎn)生夾渣的情況下，盡量選擇電流值的下限，以免過高的電流而產(chǎn)生焊接變形。2)通過工裝增加剛性。3)對焊接區(qū)背面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，如對焊縫背面澆冷卻水，密封槽內(nèi)墊紫銅墊圈導(dǎo)熱等。4)焊后進(jìn)行超聲波沖擊處理。2TC4焊接實(shí)例2．1殼體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求某型水下航行器密封殼體(見圖2)外徑624mm，壁厚6mm，要求破損壓力不小于32MPa?！闖{-I-d‘ll∥1用f習(xí)≤I1≮～園——-_-一圖2某型水下航行器密封殼體頭部為橢圓形封頭，
8、中間段采用圓筒結(jié)構(gòu)，兩側(cè)開窗口。h。、h，、hz、h3為不同位置壁厚，壁厚h2處
