鈦合金A-TIG焊接工藝的應用研究

洪浩洋，趙 暉,王 軍，王 洋

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.睿能(沈陽)熱泵技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110141；3.沈陽捷眾汽車零部件有限公司，遼寧 沈陽 110122 )

鈦合金A-TIG焊接工藝的應用研究

洪浩洋1，趙 暉1,王 軍2，王 洋3

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.睿能(沈陽)熱泵技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110141；3.沈陽捷眾汽車零部件有限公司，遼寧 沈陽 110122 )

在只改變一個焊接工藝參數(shù)的情況下，對δ2的TC4鈦板采用TIG焊和A-TIG焊，對δ6的TC4鈦板采用A-TIG焊；并研究其焊接質(zhì)量，接頭力學性能及顯微組織的變化。采用拉伸試驗機、掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡等方法對焊縫接頭組織性能、顯微組織的變化進行表征。結(jié)果表明，δ2 厚的TC4鈦板使用TIG焊時電流為60～75A ，而使用A-TIG焊時電流僅為45～55A，δ6 厚的TC4鈦板使用A-TIG焊時電流為200～220A，焊接質(zhì)量最好，接頭力學性能也較好。

TC4鈦合金；表面活性劑；TIG焊；A-TIG焊；接頭組織性能

鈦正常狀態(tài)下呈密排六方結(jié)構(gòu)，無冷脆現(xiàn)象；鈦的塑性好，在室溫下純鈦可冷軋，減薄率可達85%以上，鈦產(chǎn)品易被氧化而形成穩(wěn)定性很高的氧化薄膜，耐腐蝕性好[1]。TC4鈦合金因為有比強度高、優(yōu)秀的力學性能、很好的耐蝕性普遍應用于航天、船舶、武器以及化工等領(lǐng)域[2-3]。鈦合金在工程上利用起步較晚，因為鈦的親和力較大，焊接鈦合金時，焊接接頭易被氣體等雜質(zhì)玷污而發(fā)生脆化[4]；鈦合金焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)氣孔。所以焊接鈦合金時要采取嚴格的保護措施和適合的熱輸入，目前適于鈦合金的焊接方法很多，如鎢極氬弧焊、電子束焊、等離子弧焊、激光焊等焊接方法在鈦及鈦合金的焊接中利用普遍[5-7]。目前，在鈦及其合金的焊接過程中，國內(nèi)最常用的鎢極氬弧焊(鎢極惰性氣體保護電弧焊簡稱TIG)包括手動、自動或半自動。國內(nèi)生產(chǎn)的鈦產(chǎn)品95%以上采用手工TIG焊完成[8]，為提升TIG焊的焊接效率，降低費用，國內(nèi)外的焊接工作者進行了大量的研究。在20世紀60年代中期，烏克蘭巴頓焊接研究所(PWI)舉行鈦合金焊接實驗時發(fā)覺涂敷一層表面活性焊劑能夠明顯增加TIG焊的焊接熔深，發(fā)明了鈦合金焊接使用的活性焊劑[9-11]。本文的目標是采用對比試驗來研究、分析TC4鈦合金焊接試樣，制定適合的焊接工藝。采用X射線探傷檢測焊縫缺陷；用掃描電鏡、金相顯微鏡觀察和分析拉伸斷口形貌及接頭組織；用萬能試驗機測試接頭性能。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及設(shè)備

用2mm、6mm厚的TC4板母材試驗，采用手工鎢極氬弧焊和A-TIG焊進行對比試驗。接頭形式采用I型接頭不開破口，不留縫隙，不添加焊絲，單道焊。鈦合金的化學成分如表1所示。

表1 TC4母材化學成份(元素質(zhì)量分數(shù)) %

焊接設(shè)備采用林肯電氣公司生產(chǎn)的TIG375型焊機。電極采用直徑為2.4mm鈰鎢極，直流電源正接，噴嘴直徑為13mm,電壓為12V。焊接時正面、背面、拖罩采用純度為99.999%的氬氣保護焊縫熔池，及靠近焊縫的熱影響區(qū)。

1.2 試驗方法

分別對試件采用TIG和A-TIG兩種焊接方法進行對接。焊前，對2種焊接方法的待焊試樣，用細砂紙打磨,去除氧化膜后,對焊件進行酸洗并用凈水沖洗再烘干,酸洗液使用HF(5%)+稀硝酸的水溶液。A-TIG焊焊接前將粉狀活性劑與丙酮混合成懸濁液，使用扁平刷子將活性劑均勻涂覆焊縫部位兩側(cè)，涂層厚度為0.3 ～ 0.5mm覆蓋金屬的光澤最合適。待丙酮完全揮發(fā)后，再進行焊接。焊接時，觀測和對比焊接過程中工藝參數(shù)的變化情況。焊接完成后，觀察焊件，了解兩種焊接方式的焊縫成形狀況。為找到合適的A-TIG焊焊接工藝，通過改變焊接電流、焊接速率、氬氣流量等參數(shù)研究A-TIG焊焊縫成形和焊縫質(zhì)量的變化。實驗時，一次只能改變表2中一個焊接變量，其焊接工藝參數(shù)如表2所示。

1.3 焊接試樣制作及檢測

(1)X射線探傷

通過對兩種焊接方法的焊接試樣進行X射線探傷，比較焊接接頭缺陷和位置的變化情況。

(2)焊接接頭力學性能的檢測

按照GB2649-89《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》選取拉伸和彎曲的試樣尺寸(圖1),在液壓拉力試驗機上進行拉伸和彎曲試驗。

表2 鈦合金TC4的鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接試樣

(3)顯微組織分析

焊接接頭經(jīng)切割、打磨、拋光、腐蝕后制備成各種工藝參數(shù)的金相試樣，分別用LEXT OSL4100三維激光共聚焦光學顯微鏡和掃描電鏡觀察焊縫的顯微組織形態(tài)。

(4)顯微硬度分析

在顯微硬度機上打出焊縫，熱影響區(qū)，組織的硬度并分析其變化規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 氣孔的影響

氣孔是焊接鈦合金時最常見的缺陷之一，H2、O2、N2、水分和油污都會產(chǎn)成氣孔。為了解A-TIG焊在降低焊縫氣孔方面的作用，作了對照性實驗。在相同工藝下稍微降低焊前及焊接過程中的保護措施，常規(guī)TIG焊焊縫經(jīng)X射線探傷，檢驗結(jié)果如表3所示，發(fā)現(xiàn)有明顯氣孔，而A-TIG焊焊縫沒有發(fā)現(xiàn)氣孔。依此， A-TIG焊接可以有效降低孔隙的產(chǎn)生。

2.2 焊接電流的影響

在40～75A之間改變焊接電流大小，獲得δ2厚的TC4鈦板兩種焊接方法的焊接試樣的拉伸性能隨電流變化的曲線圖如圖2、圖3所示。

從圖2和圖3可以看到，焊接電流對TIG焊和A-TIG焊接性能的影響，以及相同的趨勢，隨著電流的增加抗拉強度降低，延伸率隨焊接電流的增加而增加。

表3 X 射線探傷結(jié)果

圖2 抗拉強度隨電流變化曲線

當焊接電流從40A增加至75A時，TIG焊接的拉伸強度降低了約3.8%，延伸率增加了約17.8%；而A-TIG焊的抗拉強度降低約5.5%，延伸率增加約20%。因而可知，A-TIG焊焊接電流對組織性能的影響大于TIG焊的影響。

圖3 延伸率隨焊接電流變化曲線

從圖2和圖3可見，焊接電流為45～60A時，A-TIG焊接接頭的力學性能較好，拉伸強度達到950～1050MPa，達到母材強度的93.2%～96.8%。當焊接電流超過60A時，A-TIG焊和TIG焊抗拉強度顯著降低，但A-TIG焊更明顯。因此，A-TIG焊和TIG焊對比，A-TIG焊小電流很容易焊接，可以得到良好性能的接頭。

2.3 焊接速度的影響

在120～220mm/min間改變焊接速度,獲得了δ2厚的TC4鈦板TIG焊和A-TIG焊焊縫試樣組織性能隨焊接速率變化的曲線圖如圖4、圖5所示。

圖4 抗拉強度隨焊接速率變化曲線

圖5 延伸率隨焊接速率變化曲線

從圖4、圖5中能夠看出，焊接速率對TIG焊、A-TIG焊的影響接近，都隨著焊接速率的增加抗拉強度也隨之變大。從圖4中可以看到，當焊接速率小于150mm/min時，A-TIG焊和TIG焊抗拉強度顯著降低，A-TIG焊更明顯。焊接速率在135～200mm/min時，A-TIG焊焊縫的機械性能較好，抗拉強度為1020～1050MPa，達到母材的 94.2%～97.6%。因此，與TIG焊對比，A-TIG焊具有較高的焊接速率，可以得到良好的性能。但是，當焊接速率為175～200mm/min時，A-TIG焊的拉伸強度變化很小。這是由于，當焊接速率太快，活性劑涂層不能完全蒸發(fā)，焊接電弧有向后漂移搜尋金屬熔池的特性，使焊接電弧不穩(wěn)定，對焊縫力學性能有影響。

2.4 保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響

2.4.1 焊槍保護氣體流量的影響

焊接正面保護氣體是焊接積極保護的主要因素，從焊槍端口流出，保護熔池和熱影響區(qū)。在焊接δ2mm厚的鈦板時，氣體的流量正常情況應為10～14L/min，來保證熔池和焊縫不被氧化，焊縫一般情況下呈銀白色，緊接著氬氣流量從14L/min降低至7L/min時，焊縫的色澤由開始的銀白轉(zhuǎn)為淺黃和深黃；當繼續(xù)降低氬氣的流量，焊縫顏色由黃色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色，最后外表面甚至呈現(xiàn)白色粉末狀的氧化層。

實驗結(jié)果表明，該焊槍氣體流量為10～12L/min，預通氣4s，焊接效果最好。當焊接完成后氬氣氣流持續(xù)供氣不少于10s，確保收弧處的焊縫金屬一直受到保護，持續(xù)通氣到溫度低于400℃。

2.4.2 背面保護氣體流量的影響

背面保護氣體進入焊接夾具后，整體保護在焊接區(qū)和非焊接區(qū)。因為卡槽以氣室方式呈現(xiàn)，所以要使保護氣體先填充在凹槽內(nèi)，排出空氣，然后持續(xù)釋放氬氣，來達到保護的效果。當焊接6mmTC4鈦板情況下，背面保護氣體流量為25～30L/min，尾蓋保護氣體流量為25～28L/min，焊縫金屬得到保護，但是當氣體流量不夠，熱影響區(qū)顏色變藍。背面保護氣體流量為26L/min時最好，先通氣，每100mm長度之間的焊縫通氣不得少于5s。

2.5 活性焊劑的影響

活性焊劑最早由烏克蘭巴頓焊接研究所于上世紀60年代發(fā)明。當時以改進鈦合金TIG焊時焊縫中的氣孔現(xiàn)象為目的。而實驗得悉，通過增添鹵化物即可以降低氣孔產(chǎn)生,還關(guān)系到焊縫的成形；在其他條件不變的條件下，熔寬減小，焊縫的熔深增加，焊縫的成形系數(shù)也相應減小。試驗得出， 因為活性焊劑的效果,電弧收縮,能量密度增加,焊接效率提升。A-TIG焊與常規(guī)TIG焊焊接工藝相比較，熔透能力明顯提高，熱輸入減小，焊接應力及變形降低，焊縫深寬比達到 1∶1，焊縫接頭的強度韌性提高。

本實驗選用由北京航空制造工程研究所制造的活性劑，通過對不同厚度鈦合金材料使用的活性焊劑分別為FT- 01，F(xiàn)T- 02。該活性劑在提高焊接接頭質(zhì)量，增加焊縫深寬比，降低焊接熱輸入，減少焊接應力變形，具有優(yōu)越的性能。

2.6 接頭組織及力學性能分析

2.6.1 接頭組織

圖6為焊接電流為40A時，2mm TC4的焊縫截面形貌圖。圖7為焊接電流為210A時，6mmTC4的焊縫截面形貌圖。焊接接頭顯微組織，由圖8所示，母材為雙向組織α + β，α呈現(xiàn)白色，β晶粒呈片狀分布于α晶粒之間[12]。接頭分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)，各區(qū)域分別如圖8a～圖8d所示。

圖6 焊接電流為40A時2mm TC4的焊縫截面形貌

圖7 焊接電流為210A時6mm TC4的焊縫截面形貌

圖8 焊縫接頭顯微組織

從TIG焊圖8c和A-TIG焊圖8d焊縫金相相片對比可看出，A-TIG焊的焊縫晶粒要細小。晶粒長大的傾向也不相同，TIG焊焊縫晶粒呈匯流式從焊縫里面向焊縫表面長大，而A-TIG焊焊縫晶粒則從母材雙側(cè)向焊縫中間生長。在A-TIG焊焊縫金相照片可以看出，在δ2和δ6不同厚度的鈦板焊接過程中，焊縫凝固形態(tài)一致，這是由于焊接電弧對熔池溫度場分布的作用相似。

2.6.2 斷口形貌分析

圖9為常規(guī)TIG焊和A-TIG焊δ2和δ6的TC4鈦板試樣拉伸試驗掃描電鏡圖，常規(guī)TIG焊接試樣斷在母材區(qū)，A-TIG焊焊接試樣斷在熔合線附近。

由圖9可看出，常規(guī)TIG焊焊接試樣主要是韌窩斷裂，主要斷裂在基體金屬，基材的塑性較好；而A-TIG焊試樣斷裂發(fā)生在熔合線附近，屬于韌窩和混合模式斷裂，解理面的增多表明其塑性對比于母材下降。從拉伸試樣上分析，試樣斷在母材區(qū)明顯發(fā)生塑性變形，靠近熔合線斷裂的試樣變形不明顯。

圖9 拉伸試樣掃描電鏡圖

2.6.3 顯微硬度分析

焊接接頭不同區(qū)域的硬度，很大程度上影響著接頭的力學性能。通過試驗，兩種焊接方法焊縫硬度變化趨勢基本相近，如圖10所示。

圖10 顯微硬度變化曲線

TIG焊焊縫中心的硬度最小，到兩邊的硬度逐漸增加，到熔合線附近硬度達到最大，然后逐漸降低，并逐漸過渡到基體材料，基材硬度高于焊接中心。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因為，焊縫中心基本以α相為主，隨著離焊縫中心距離的增加，在焊縫區(qū)α相減少，而β相含量逐漸增加，硬度也隨之增加，直到熱影響區(qū)出現(xiàn)最大值。

3 結(jié)論

焊接2mm厚的TC4鈦合金板材，TIG焊最優(yōu)焊接工藝為：電壓10V，焊接電流75A，焊接速率14m/h，氬氣流量正面12L/min ，背面20L/min；A-TIG焊最優(yōu)焊接工藝為：電壓10V，焊接電流47A，焊接速率15m/h，氬氣流量正面13L/min ，背面22L/min。在此前提下，焊縫成形優(yōu)良，外形漂亮，獲得綜合力學性能較好的接頭。

當焊接6mm TC4鈦板，其最佳焊接工藝為：電壓12V，焊接電流210A，焊接速度3m/h，氬氣流量28L/min，其接頭的抗拉強度為904.36MPa， 能夠達到母材的98．54%；延伸率為9.7%，焊縫性能較好。

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(責任編輯：馬金發(fā))

Applied Research on A-TIG Welding Technology of Titanium Alloy

HONG Haoyang1,ZHAO Hui1,WANG Jun2,WANG Yang3

(1.Shenyang Ligong University， Shenyang 110159，China；2.Farce can heat pump technology Co.,Ltd.,Shenyang 110141，China；3.Shenyang Jie Zhong the auto parts Co.,Ltd.,Shenyang 110122，China)

Under the condition of only one of welding process parameters having been changed,the δ2 TC4 titanium plate is welded using TIG welding and A - TIG welding，the δ6 TC4 titanium plate is welded using A - TIG welding.The welding quality,the joint mechanical properties and microstructure changes were studied.The organization performance and the change of microstructure of weld joint were characterized by tensile testing machine operation,scanning electron microscope,metallographic microscope and other methods.The results show that for the δ2 thick TC4 titanium plate TIG welding current size is 60～75A,while the A-TIG welding is used and the size is 45～55A,and for δ6 thick TC4 titanium the A-TIG welding is used and current size is 200～220A,the welding quality is the best,and the mechanical properties of joints are also very good,respectively.

： TC4 titanium alloy;surfactant；TIG welding;A-TIG welding;joint organization performance

2014-10-10

科技部國際合作項目 (2011DFR71150);遼寧社科規(guī)劃基金項目(L13BJY023)

洪浩洋(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：趙暉(1968—)，男，教授，博士，研究方向:金屬材料表面改性.

1003-1251(2015)05-0012-07

TB 31

A