鈦合金窄間隙TIG焊技術及質(zhì)量控制評述

席少靜， 李 慧， 孫清潔， 趙洪運， 劉喜明＊

（1.長春工業(yè)大學材料科學與工程學院，吉林長春 130012；2.哈爾濱工業(yè)大學（威海）船舶工程學院，山東威海 264209）

0 引 言

窄間隙焊接技術是將常規(guī)的焊接工藝與窄間隙坡口相結合，通過專門的裝置和控制技術而集成的一種新型焊接技術。隨著節(jié)能減排和綠色環(huán)保成為人類追求的目標，以及產(chǎn)業(yè)結構的變化和科學技術的發(fā)展，鈦合金由于具有密度小、比強度大、耐腐蝕、抗蠕變性能好、生物相容性好、無磁性、無毒性、工作溫度區(qū)寬、加工性（成形與焊接）好等許多優(yōu)良特性，被譽為未來金屬、空間金屬和海洋金屬，其廣泛應用于海洋鉆探、壓力容器、航天、航空、大型機械、造船業(yè)、電力行業(yè)等領域，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位［1－3］。鈦合金的焊接方法有鎢極氬弧焊（TIG）［4］、熔化極氣體保護焊（MAG）［5］、電子束焊（EBW）［6］、等離子弧焊（PAW）［7］、激光焊（LW）［8］、攪拌摩擦焊（FSW）［9］等。使用傳統(tǒng)焊接方法進行厚板鈦合金焊接時，由于坡口面積的急劇增大，導致了焊接工程量成倍增加；厚板的大拘束度及傳統(tǒng)技術的大填充量使焊接接頭存在較大的殘余應力和殘余變形；還往往帶來焊接接頭較大的塑性、韌性損傷，進而導致焊接接頭的力學性能變差等。然而窄間隙焊接技術不僅能使焊縫金屬的填充量大幅度降低，而且坡口的橫截面積也大大減少，所以，它普遍適用于各種大型且重要的焊接結構，是一種環(huán)保、經(jīng)濟、能夠得到較好力學性能的優(yōu)質(zhì)焊接方法［10］。雖然TIG焊的焊接效率低于其它方法，但就目前的焊接狀況看，許多產(chǎn)品對焊接質(zhì)量的要求高于對焊接效率的要求［11］。這就導致了窄間隙TIG焊越來越受到人們的關注［12］。因為與其它的窄間隙焊接技術相比，窄間隙TIG焊技術的優(yōu)點是：1）焊接過程中電弧穩(wěn)定，飛濺少；2）適用于平焊、橫焊以及全位置焊；3）焊縫的極限深度約為200mm，并且焊接精度高；4）接頭的殘余變形和殘余應力小，沿板厚方向上更趨于致密化、均勻化；5）焊接線能量相對較小，熔池冷卻速度較高，使得焊縫組織晶粒細化，而且大大降低了焊接熱影響區(qū)的塑性、韌性損傷［13］。

1962年，Brown［14］等先是在不銹鋼、鋁合金、鈦合金焊接中研究電磁攪拌的影響，并且發(fā)現(xiàn)晶粒細化現(xiàn)象；1971年，Tseng和Savage［15］第一個深入研究了TIG焊時電磁攪拌對微觀組織和性能的影響。隨著研究的不斷進行，發(fā)現(xiàn)磁場的引入對于窄間隙TIG焊是十分有發(fā)展前途的。北京工業(yè)大學的華愛兵［16］等研究了橫向旋轉磁場對TIG焊焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)隨著勵磁電流的增大，焊縫熔深減少，熔寬增加。這一點正好可以應用于窄間隙焊接過程中，來解決焊接過程中的側壁熔合問題［17］。

鈦合金窄間隙TIG焊時要經(jīng)歷加熱熔化、冶金反應、冷卻結晶、固態(tài)相變［18］等一系列復雜的轉化過程，在如此多的過程中，焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的組織和性能會對焊接接頭的疲勞行為產(chǎn)生顯著的影響，進而直接影響鈦合金的使用壽命。因此，文中深入研究了如何通過焊接材料的合理選擇，焊接工藝參數(shù)的正確制定，采取有效的試樣清理方法和氣體保護措施，以便獲得晶粒細小的焊縫組織和滿足性能要求的具有良好質(zhì)量的焊接接頭，并深入分析了該技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的關鍵基礎問題。

1 窄間隙TIG焊的嚙合強化效應機理

俄羅斯的中央結構材料研究院研制出了一種強度比母材低而塑性比母材高的焊絲，將其應用于鈦合金的窄間隙TIG焊接技術，這對于鈦合金的焊接是極其重大的突破。焊接后的焊縫金屬不僅塑性較高，而且其強度也可以達到與母材相當?shù)乃?，接頭不需要再進行熱處理強化［19－20］。焊縫金屬與母材的等強度是通過嚙合強化機理來實現(xiàn)的。當板厚和焊縫金屬的寬度滿足一定比例關系時，焊接接頭在外力的作用下就會表現(xiàn)為嚙合強化效應。鈦合金窄間隙TIG焊引起焊縫嚙合強化的原因：對于鈦合金來說，焊接接頭組織是由基體的等軸晶組織和焊縫馬氏體α′相的針狀組織組成［21－22］。針狀α′相尺寸及形狀取決于焊縫的化學成分、焊件厚度、焊接工藝、焊接線能量等各種因素。針狀α′相隨著被焊金屬厚度的增加和線能量的減少而細化。厚板鈦合金進行窄間隙TIG焊接時，焊縫冷卻速度快，會形成細針狀α′相。在外加載荷作用下，焊縫組織相互交錯，發(fā)生嚙合，焊縫機械性能得到提高。窄間隙條件下，當焊接接頭承受的外加載荷增加到一定程度時，會在焊接接頭位置出現(xiàn)相對復雜的應力分布，進而增強了焊縫金屬承受載荷的能力。

2 鈦合金窄間隙TIG焊的質(zhì)量控制

2.1 焊接材料對焊接質(zhì)量的影響

2.1.1 氬氣

鈦合金窄間隙TIG焊焊接時用的氬氣應該為一級氬氣，純度需要達到99.99%以上，相對濕度小于5%，水分小于0.001mg／L，雜質(zhì)總含量必須小于0.02%。焊接過程中，如果氬氣瓶的壓力下降至1MPa時，應立即停止使用，以確保焊縫金屬的質(zhì)量。

2.1.2 焊絲

嚴格來講，焊絲表面不能有氧化色、裂紋、非金屬夾雜物等缺陷存在，最好以真空退火狀態(tài)供貨。在焊接開始前，應對焊絲進行徹底的清理，否則焊絲表面的雜質(zhì)可能會污染焊縫金屬。

比較常用的焊絲牌號有TA1，TA2，TA3，TA4，TA5，TA6及TC3等。一般來說，填充焊絲的成分應該與母材金屬的成分相同。為了提高焊接接頭的塑性，可以選用塑性比母材高而強度比母材金屬稍低的焊絲。例如焊接TC4和TA7等鈦合金時，盡量選用純鈦焊絲，但要保證焊絲中的雜質(zhì)含量應比母材金屬低。

2.2 焊前清理及氣體保護對焊接質(zhì)量的影響

2.2.1 焊前清理

在鈦合金窄間隙TIG焊焊接前，必須對坡口及其附近的區(qū)域進行仔細清理。焊絲和焊件的焊前清理在很大程度上決定了焊接接頭的質(zhì)量，當清理的不徹底時，就會在焊絲和焊件的表面形成吸氣層，并導致焊接接頭氣孔和裂紋的產(chǎn)生。

因此，鈦合金對焊前焊接區(qū)域的清潔程度要求十分嚴格。試樣焊前清洗工藝過程［23］為：試板切割下料→待焊面機械加工（通過奧氏體不銹鋼絲刷、細銼等進行加工）→除油處理（采用（5%～10%）NaOH＋丙酮溶液清洗的方法，將焊絲表面和坡口兩側30mm以內(nèi)的油脂、氧化皮、毛刺等清理干凈）→水沖洗→酸洗（酸洗液配方為（2%～4%）HF＋（30%～40%）HNO3＋H2O，試樣需在酸洗液中浸泡5min左右）→水沖洗→烘干保存。酸洗后的試樣為銀白色，在臨焊前，再用丙酮或酒精擦洗一遍，洗凈烘干后立即進行焊接，且焊件必須在2h內(nèi)焊完，否則應重新進行酸洗烘干處理。

2.2.2 惰性氣體保護

焊縫表面顏色是衡量鈦合金焊接時惰性氣體的保護情況和焊縫質(zhì)量的重要指標，見表1［24］。

表1 鈦合金表面顏色對接頭質(zhì)量的影響和處理措施

焊接結束后，可通過焊縫的顏色來判斷接頭被污染的程度。

鈦表面生成的氧化膜的顏色與溫度有很大關系：當溫度在200℃以下時為銀白色，說明焊縫表面幾乎沒有被污染；300℃時為淡黃色，400℃時為金黃色，表明焊縫受到了輕微的污染；500℃時為深藍色，600℃時為紫色；700～900℃為灰色，說明焊縫污染嚴重，這樣的焊接接頭在任何場合下都是不合格的。溫度較低時氧化色僅為表面薄薄的一層，可以通過酸洗的方法去除；溫度較高時的氧化程度逐漸加深，對焊縫金屬的質(zhì)量產(chǎn)生了極其嚴重的影響。

2.3 工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

鈦合金窄間隙TIG焊的工藝參數(shù)主要包括：焊接速度、焊絲直徑、焊接電流、送絲速度、電弧長度、電流衰減時間等。

2.3.1 焊接速度對焊接質(zhì)量的影響

當焊接電流等工藝參數(shù)一定時，焊接速度越小，焊接的材料厚度越大；如果焊接速度超過合適的范圍區(qū)間，便會產(chǎn)生燒穿、凹陷、未焊透等缺陷。在鈦合金窄間隙TIG焊中采用較低的焊接速度更有利于保證焊縫金屬的質(zhì)量。但是焊接速度低到一定程度時，會導致焊件變形增大，且生產(chǎn)效率降低。

2.3.2 焊絲直徑對焊接質(zhì)量的影響

接頭間隙、焊件厚度與焊絲直徑具有一定的匹配關系，當接頭間隙、焊件厚度很大時，則應該選擇稍大一些的焊絲直徑。選擇不當就會造成焊縫余高過大、過小或未熔合等問題，使得焊縫金屬成形質(zhì)量較差。

2.3.3 焊接電流對焊接質(zhì)量的影響

在焊縫尺寸符合要求、焊接過程穩(wěn)定的情況下，倘若焊接電流選擇適當，則焊接接頭質(zhì)量良好；焊接電流過大時，容易產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象，背面熔化的金屬下淌，形成凹坑、咬邊等缺陷；然而焊接電流過小時，則會產(chǎn)生未熔合、未焊透等缺陷。

2.3.4 送絲速度對焊接質(zhì)量的影響

焊接速度、焊接電流、接頭間隙、焊絲的直徑等因素與焊絲的送絲速度關系密切。一般認為，若焊絲直徑較大時，送絲速度應該稍微減慢一些；當焊接速度、焊接電流、接頭間隙較大時，送絲速度則應該加快一些；假如送絲速度選擇的不合理，將導致凹坑、燒穿、未焊透、焊縫余高過量等缺陷的產(chǎn)生。

2.3.5 電弧長度對焊接質(zhì)量的影響

電弧長度與焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓有一定的關系，一般采用大直徑焊絲，大電流時可以適當?shù)卦龃箅娀￠L度；如果電弧長度選擇的不合理，便會導致氣體保護效果不好、未焊透、碰鎢等嚴重問題。然而，電弧長度與電弧電壓表現(xiàn)為線性比例關系，當電弧長度增大時，電弧電壓成正比例增加，電弧產(chǎn)生的熱量也愈多。但是當電弧長度超過合適的范圍后，在弧長增大的同時，弧柱的橫截面積也增加，導致氣體保護效果變差，而且熱效率降低。

2.3.6 電流衰減時間對焊接質(zhì)量的影響

窄間隙TIG焊焊縫金屬的收尾處常常會產(chǎn)生弧坑缺陷，為了消除弧坑缺陷必須采用焊接電流衰減裝置。電流衰減裝置可以延長氣體對熔池的保護時間，使焊接電流按照需要的速率下降，進而使得熔池的冷卻速度大大降低，改善熔池的流動方向和熔化金屬對縮孔、弧坑的填補情況，從而弧坑缺陷得到了有效地解決。

3 面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的基礎問題

鈦合金在窄間隙TIG焊接過程中經(jīng)歷著電弧的劇烈加熱擴散和冷卻凝固，在鈦合金內(nèi)部產(chǎn)生很大、極其復雜的熱應力、組織應力和機械約束應力及其強烈非穩(wěn)態(tài)交互作用和應力集中，可能會導致鈦合金嚴重變形與開裂，是制約該技術發(fā)展和應用的“第一大”瓶頸問題。

與此同時，在鈦合金窄間隙TIG焊焊接過程中，主要的工藝參數(shù)、合理的焊接材料、有效的試件清理方法和氣體保護措施等一切影響焊接質(zhì)量的因素，都可能在鈦合金局部區(qū)域產(chǎn)生各種特有的內(nèi)部缺陷（如氣孔、裂紋、咬邊、未熔合等）并影響鈦合金最終的焊縫質(zhì)量、力學性能和使用安全。事實上，顯微組織和焊縫缺陷控制一直是制約鈦合金窄間隙TIG焊技術發(fā)展和應用的又一重大“瓶頸問題”。

要實現(xiàn)對鈦合金窄間隙TIG焊接過程內(nèi)應力的有效控制和零件變形開裂的有效預防，必須首先認識清楚：

1）電弧劇烈熱循環(huán)作用下零件“熱應力”的演化規(guī)律及其與鈦合金窄間隙TIG焊焊接工藝條件及零件結構的關系；

2）劇烈加熱擴散和冷卻過程中材料的“組織應力”形成規(guī)律鈦合金窄間隙TIG焊接工藝條件和零件結構的關系；

3）“凝固收縮應力”形成機理、演化規(guī)律鈦合金窄間隙TIG焊接工藝條件和零件結構之間的關系；

4）熱應力、組織應力、凝固收縮應力和外約束應力的非穩(wěn)態(tài)耦合行為、演化規(guī)律和零件變形開裂之間的關系。

然而，要實現(xiàn)對鈦合金窄間隙TIG焊接過程中“焊縫質(zhì)量”的有效控制，必須深入認識以下問題：

1）局部凝固組織特征及其與鈦合金窄間隙TIG焊接工藝參數(shù)和焊接條件之間的相互關系；

2）局部凝固過程和鈦合金特有缺陷形成規(guī)律間的關系。

總之，應對鈦合金窄間隙TIG焊接技術“變形與開裂”預防和“焊縫質(zhì)量”控制兩大“瓶頸問題”的最有效措施，是加強對鈦合金“內(nèi)應力演化規(guī)律與變形開裂行為”、“凝固組織形成規(guī)律焊縫缺陷形成機理”等關鍵性問題的認識和研究。

4 結 語

窄間隙焊接技術已成為焊接領域的一個熱點，它正在改變焊接中采用常規(guī)的大坡口、大填充量、大能耗的局面。但是，鈦合金窄間隙TIG焊的嚙合強化效應機理以及質(zhì)量控制有待于國內(nèi)外學者們進行更深層次的研究。特別是開發(fā)研制大厚板鈦合金及其配套焊接材料和工藝技術的研究，以擴大窄間隙TIG焊接技術在鈦合金厚板焊接領域的推廣應用。目前，窄間隙焊接技術已逐漸成為中厚板焊接的主流技術，成為當今低碳、節(jié)能時代潮流之中的佼佼者。最重要的一點，鈦合金窄間隙TIG焊接技術所帶來的巨大的經(jīng)濟效益和社會效益是毋庸置疑的。

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