TC4鈦合金的活性焊劑鎢極氬弧焊工藝研究.doc

王純：鈦合金活性焊劑鎢極氬弧焊焊縫成形TC4鈦合金的活性焊劑鎢極氬弧焊工藝研究Study on tungsten are welding process with activated flux of TC4 Ti alloy王純摘 要 針對1.5和3.0的TC4鈦板手工直流A-TIG焊焊接質(zhì)量、接頭力學(xué)性能、顯微組織及氣孔形成的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。分析了各種焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響及其規(guī)律；利用材料拉伸試驗機(jī)、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線探傷等技術(shù)對焊接接頭力學(xué)性能、接頭顯微組織及氣孔缺陷等進(jìn)行分析；對活性焊劑對接頭組織的影響機(jī)理、TIG焊接頭氣孔的形成原因和防止措施及活性焊劑對氣孔形成的影響進(jìn)行了分析和討論。關(guān)鍵詞 鈦合金；活性焊劑；氬弧焊1引言純鈦在室溫下為密排六方結(jié)構(gòu)，與體心立方金屬相比，沒有冷脆現(xiàn)象；鈦的塑性較好，純鈦在室溫下可進(jìn)行冷軋，其厚度減縮率可超過90%，而不出現(xiàn)明顯裂紋；鈦及其合金倘若精細(xì)地去除雜質(zhì)(主要是氧)，在-253下仍能保持相當(dāng)好的塑性；鈦合金有較高的高溫強(qiáng)度，其工作溫度可達(dá)550；鈦很容易與氧生成穩(wěn)定的氧化薄膜，在很多環(huán)境介質(zhì)中比鋁合金、不銹鋼和銅合金有更高的腐蝕抗力1。鈦及其合金在工程上應(yīng)用較晚，直到1952年才正式作為結(jié)構(gòu)材料使用，這主要是因為鈦與氧、氮、氫及碳這些元素有很強(qiáng)的親和力和化學(xué)作用，致使鈦及其合金的生產(chǎn)成本較高，但它在航空航天、艦船、兵器等軍事工業(yè)部門中已得到了廣泛應(yīng)用，且發(fā)展很快。隨著鈦合金在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，鈦合金材料的焊接技術(shù)及工藝是其實用化必須解決的關(guān)鍵問題之一。適于鈦及其合金的焊接方法有很多，鎢極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等熔化焊接方式在鈦及鈦合金的焊接中應(yīng)用廣泛。隨著焊件的具體情況，高頻焊、爆炸焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊等也是常采用的焊接方法24。目前，在鈦產(chǎn)品焊接過程中，國內(nèi)使用最普遍的是鎢極氬弧焊(Tungsten Inert-Gas Arc Welding簡稱TIG或GTAW)，包括手工、自動或半自動。國內(nèi)鈦設(shè)備制造過程中幾乎95%以上的焊接工作是手工TIG焊 5。為了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，擴(kuò)大TIG焊的應(yīng)用范圍，國內(nèi)外的焊接工作者進(jìn)行了大量的研究。近年來，一種新型高效的焊接方法活性焊劑鎢極氬弧焊(Activating Flux TIG，簡稱A-TIG)越來越引起世界范圍內(nèi)人們的關(guān)注。二十世紀(jì)六十年代中期烏克蘭巴頓焊接研究所(PWI)進(jìn)行鈦合金焊接研究時發(fā)現(xiàn)涂敷活性焊劑可以顯著增加TIG焊的焊接熔深，并研制出了鈦合金用活性焊劑。到了二十世紀(jì)九十年代活性焊劑在焊接不銹鋼、碳錳鋼和低合金鋼方面獲得巨大的成功，并發(fā)展成A-TIG焊一種新型的焊接工藝方法。此時，前蘇聯(lián)進(jìn)入了A-TIG焊技術(shù)的實用階段，將其廣泛用于電力、化工和航天等重要工業(yè)領(lǐng)域6。繼前蘇聯(lián)之后，1993年美國的愛迪生焊接研究所(EWI)與海軍連接中心(NJC)合作，開始了TIG焊用焊劑的研究，該項目總投資80萬美元，主要用于開發(fā)不銹鋼、碳鋼、鎳基合金及鈦合金用的活性焊劑7。日本近年來也開發(fā)了氬弧焊用焊劑，主要用于修復(fù)電廠熱量管道焊接接頭處常產(chǎn)生的裂紋，可不開坡口直接重熔進(jìn)行修復(fù)。英國焊接研究所(TEI)正在對活性焊劑的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，其與巴頓焊接研究所(PWI)合作，致力于用于工業(yè)生產(chǎn)的氬弧焊用焊劑項目已取得進(jìn)展，該項目總投資10萬英鎊8。我國對A-TIG焊技術(shù)的研究始于1998年前后，并已取得了初步成果。蘭州理工大學(xué)916、哈爾濱工業(yè)大學(xué)1722、洛陽船舶材料研究所23、廣船國際股份有限公司工藝研究所24、大連鐵道學(xué)院25和陜西工學(xué)院26針對不銹鋼、碳鋼、鋁合金用的活性焊劑進(jìn)行了配方研制和增加焊接熔深機(jī)理的研究。另外，北京航空制造工程研究所(航天625所)及西安航空材料研究所分別從烏克蘭引進(jìn)了鈦合金和不銹鋼活性劑的配方，并作了一定的研究。本研究對TC4鈦合金TIG焊和A-TIG焊的焊接工藝過程、接頭組織特征、力學(xué)性能、焊接氣孔及其形成機(jī)理等進(jìn)行探討，旨在為推進(jìn)A-TIG焊工藝在鈦合金結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用提供理論和實踐依據(jù)。2焊接試驗2.1 工藝方案本實驗采用手工直流TIG焊和A - TIG焊進(jìn)行對比試驗。待焊材料為1.5和3.0的TC4鈦板，接頭形式采用常規(guī)平板對接，不開坡口，預(yù)留試樣間隙分別為0.2mm和0.5mm，填加直徑為1.6mm 和2.0mm的TC4焊絲，單道焊。焊前，對兩種焊接方法的待焊試樣均進(jìn)行相同的處理措施。在保證焊透的前提下，對焊接規(guī)范進(jìn)行摸索，并最終確立兩種焊接方法的焊接規(guī)范。2.2 實驗方法2.2.1焊接裝置采用的焊接裝置見圖1。圖1 焊接裝置示意圖1）選用高純氬氣（純度為99.999%）作保護(hù)氣體，氬氣瓶中的壓力低于1.01MPa時，停止使用。2）焊接電源為美國俄亥俄州林肯電氣公司(The Lincoln Electric Company)生產(chǎn)的TIG375型交直流氬弧焊機(jī)，其網(wǎng)路電壓波動不大于10%，具有陡降外特性、有良好的動特性，能方便地調(diào)節(jié)焊接規(guī)范，并能在所需規(guī)范下穩(wěn)定工作，引弧方式為高頻引弧。3）對焊槍噴嘴進(jìn)行了改造(見圖2)：增加緩沖室的長度和直徑，將氣流分為內(nèi)、中、外三層；增加氣體透鏡裝置，強(qiáng)制氣體生成層流層，增加氣流挺度，在氣體透鏡和噴嘴之間形成第三層保護(hù)氣流層，進(jìn)一步擴(kuò)大保護(hù)范圍；增加通道直徑，擴(kuò)大保護(hù)面積；減少通道長度，提高氣體挺度。4）電極采用釷鎢極(EWTh-1)，用于1.5和3.0鈦板的鎢極直徑分別為1.6mm和2.4mm。在每條焊縫焊接之前，均重新研磨電極，使其端部為帶有圓頂?shù)腻F形，以改善引弧，便于控制電弧方向，減小焊接過程中鎢極的燒損以保證焊接參數(shù)一致。緩沖室 氣體透鏡 通道圖2 改造后的焊槍噴嘴部分2.2.2焊接工裝高溫下鈦合金與氧、氮、氫等物理化學(xué)反應(yīng)的親和力大，易引起焊接接頭脆化、接頭裂紋、焊縫氣孔等缺陷。在大氣中進(jìn)行TIG焊時，焊接部位的正反兩面都要用氬氣保護(hù)。事實上，鈦合金的焊接成功與否，很大程度上取決于保護(hù)技術(shù)。焊接時不僅要保護(hù)熔池，而且要保護(hù)已凝固、但溫度尚在400以上的焊縫及高于此溫度的熱影響區(qū)，焊縫背面同樣必須保護(hù)。一般在焊槍后緊接一個通氬氣的拖斗來實現(xiàn)對正面焊縫及熱影響區(qū)的保護(hù)。由圖3焊槍和拖斗組合可以看出，拖斗由夾持扣、后拖箱體和進(jìn)氣口三部分組成。夾持扣 焊槍 鎢極 后拖箱體 進(jìn)氣口 焊接方向圖3 焊槍和拖斗組合圖4 鈦合金焊接保護(hù)拖罩示意圖氬氣流過帶孔的金屬散射屏(200目銅網(wǎng))噴射到焊縫區(qū)，其長度與線能量、焊接速度成正比，保護(hù)寬度應(yīng)足以包括焊道兩側(cè)處于高溫的熱影響區(qū)。其示意圖見圖4。為了減少焊接變形和保證焊接的質(zhì)量，根據(jù)試樣的尺寸、形狀和焊接方法，設(shè)計了專用夾具(圖5)。帶槽墊板、活動墊板和壓板選用紫銅材料，散熱效果好，可以加速焊縫的冷卻，使焊縫的晶粒細(xì)化，提高焊縫的性能。壓板不僅用于固定試樣及平對間隙，同時對焊接中的變形產(chǎn)生約束，以減少焊接殘余變形。帶槽墊板上的方形槽可以保證焊縫反面成型，通以氬氣，可完成對焊縫背面的保護(hù)。其示意圖見圖6。圖5 焊接夾具示意圖 1-帶槽墊板 2-試樣 3-凹槽 4-活動墊板 5-壓板 6-壓緊螺母圖6 用帶槽墊板對焊縫背面進(jìn)行氬氣保護(hù)的示意圖2.2.3焊接過程工作間應(yīng)整潔、干燥，室內(nèi)溫度不低于5，不允許有穿堂風(fēng)。試樣對接面的錯位不得超過薄板厚度的10%。焊工在裝夾和焊接過程中必須帶手套，不得赤手觸摸焊絲和試樣。先試焊一點(diǎn)，以檢查表面清潔度和氬氣、夾具的保護(hù)效果。其方法是：引弧后，焊槍固定不動，填加幾滴焊絲，然后熄弧，氬氣繼續(xù)保護(hù)，待冷卻后，觀察焊點(diǎn)區(qū)顏色，如果是銀白色，即證明焊前清理效果、氬氣純度和夾具保護(hù)效果良好。否則，檢查清理程序、氬氣純度和夾具，找出原因并予以糾正，直至試焊出銀白色的焊縫為止。焊接電弧引燃之前，先通氬氣1015秒鐘。焊接結(jié)束，電弧熄滅后，應(yīng)繼續(xù)向焊縫區(qū)輸送氬氣1015秒鐘。焊接過程中，焊絲端頭應(yīng)始終保留在保護(hù)氣氛中。已經(jīng)變色的焊絲端頭，在進(jìn)一步施焊時，應(yīng)將其去除。每當(dāng)焊接中斷，應(yīng)將焊絲端頭切掉10mm，以去除污染區(qū)。更換焊絲時，焊槍不要離開，繼續(xù)通氬氣保護(hù)。在同一焊接工藝參數(shù)下，對不涂和涂有活性焊劑的對接試件分別施焊。試驗用焊接工藝參數(shù)見表1。表1 鈦合金TC4的 TIG、A-TIG焊焊接工藝參數(shù)厚度 /mm焊接速度v/mmmin-1焊接電流I /A焊接電壓U /V氬氣流量Q/Lmin-1Q正Q反Q拖1.510021050907101012346123.011050012020010141215461318焊接時，觀察比較焊接過程中電弧的變化及焊接電壓的情況，焊完后觀察試件表面焊縫成形情況，以確定兩種焊接方法的焊縫表面及焊縫成形情況。為了開發(fā)出成熟的A-TIG焊工藝，研究焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)對A-TIG焊焊縫形狀的影響規(guī)律。試驗時，每次只變動表1中一個焊接參數(shù)，其它參數(shù)不變。2.2.4 試樣的制備與檢測1）X射線探傷。對TIG焊接和A-TIG焊接試樣進(jìn)行X射線探傷，以對比焊接接頭氣孔數(shù)量的差別和位置的變化。2）接頭性能測試。按照GB2649-89焊接接頭機(jī)械性能試驗取樣方法選取拉伸和彎曲的試樣尺寸(圖7、8)，在長春試驗機(jī)廠產(chǎn)DLY-6型6噸液壓拉力試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸和彎曲試驗。圖7 拉伸試樣尺寸圖圖8 彎曲試樣尺寸圖3）顯微組織分析。各種工藝試驗焊接接頭經(jīng)磨平、拋光、腐蝕后制備成的金相試樣，分別用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察焊縫的顯微組織形態(tài)。3試驗結(jié)果與討論3.1保護(hù)氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響以1.5的TC4鈦板為例，采用140mm/min焊接速度作為基準(zhǔn)來確定焊槍、拖斗和背面保護(hù)氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響。3.1.1焊槍保護(hù)氣體流量的影響焊槍保護(hù)氣體是焊縫正面保護(hù)的主要因素，自焊槍流出，主要保護(hù)熔池和處于高溫區(qū)的焊縫。正常的氣體流量應(yīng)該為1012L/min，能夠保證正面熔池和焊縫不受氧化，焊縫顏色處于銀白色，并保證此狀態(tài)持續(xù)至交于拖斗繼續(xù)保護(hù)。在保證拖斗和背面保護(hù)氣體流量的條件下，隨著焊槍保護(hù)氣體流量從10L/min降低至8L/min時，焊縫金屬的顏色由銀白轉(zhuǎn)為淺黃和深黃；繼續(xù)降低焊槍的氣體流量，焊縫顏色由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，甚至表面出現(xiàn)白色粉末狀的氧化層。如果焊槍保護(hù)氣體流量在1215L/min之間，焊縫金屬不會出現(xiàn)其它異常效果；繼續(xù)增加氣體流量，焊縫出現(xiàn)氧化色，銀白色消失。這是由于氣體挺度太大，熔池或焊縫反射回來的氣體擾亂了正常氣流，層流層變成了紊流層，降低了保護(hù)效果。結(jié)果表明，將焊槍保護(hù)氣體流量規(guī)定為1012L/min，預(yù)先通氣時間為2秒，可保證最佳的保護(hù)效果。同時，焊接完成后氣流后滯停留時間不少于10秒，保證收弧處的焊縫金屬受到持續(xù)保護(hù)，直到其溫度降到400以下。3.1.2拖斗保護(hù)氣體流量的影響拖斗保護(hù)氣體主要用于保護(hù)處于高溫區(qū)和中溫區(qū)的焊縫和熱影響區(qū)免受大氣污染，直到其溫度低于400。不要求拖斗氣流具有挺度，僅需均勻地覆蓋在焊接區(qū)域，稍作停留。正常拖斗保護(hù)氣體流量在812L/min之間，能夠保持焊縫金屬顏色不再變深，持續(xù)穩(wěn)定。氣體主要是來填滿拖斗內(nèi)腔，然后緩緩流出篩孔板，穿過銅網(wǎng)噴覆在焊接區(qū)域。在保證焊槍和背面保護(hù)氣體流量的條件下，若拖斗保護(hù)氣體流量低于8L/min，焊縫顏色漸漸由銀白色轉(zhuǎn)為黃色和藍(lán)色，氣體流量越低，顏色變化越深，特別是熱影響區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，氣體流量減少到6L/min時，熱影響區(qū)已經(jīng)嚴(yán)重發(fā)藍(lán)。若拖斗保護(hù)氣體流量大于12L/min，持續(xù)增加氣體流量，焊縫保護(hù)效果并沒有變化，即使增加到20L/min，焊縫顏色也沒有變化。結(jié)果表明，可以將拖斗氣體流量定為1012L/min，不需要預(yù)先通氣和滯后通氣。3.1.3 背面保護(hù)氣體流量的影響背面保護(hù)氣體是通過夾具進(jìn)入到焊縫背面，整體作用于焊接區(qū)域和未焊接區(qū)域。由于夾具凹槽是以氣腔形式出現(xiàn)，所以保護(hù)氣體首先應(yīng)該充滿凹槽，排出空氣，隨后持續(xù)輸送氣體，達(dá)到保護(hù)的目的。正常的背面保護(hù)氣體流量為34L/min，能夠滿足要求。在保證焊槍和拖斗保護(hù)氣體流量的條件下，背面保護(hù)氣體流量小于2 L/min時，焊縫金屬能夠受到保護(hù)，但由于氣流量不足，熱影響區(qū)顏色變藍(lán)。最后確定背面保護(hù)氣體流量為3 L/min，要求預(yù)先通氣時間：焊縫每100mm長不得少于5秒。3.2 焊接工藝參數(shù)對接頭性能的影響焊接接頭的形成一般要經(jīng)過加熱、熔化、冶金反應(yīng)、凝固結(jié)晶和固態(tài)相變等幾個環(huán)節(jié)。焊接接頭由焊縫和熱影響區(qū)兩部分組成，焊縫和熱影響區(qū)之間存在一個過渡的熔合區(qū)。不同焊接條件下，由于熔池中的冶金條件和冷卻條件不同，焊縫的性能存在很大差異。改善焊縫性能的途徑很多，歸納起來主要有調(diào)整焊接工藝、焊縫的固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理。接頭熱影響區(qū)是焊縫附近母材受到焊接熱循環(huán)作用后形成的一個特殊熱處理區(qū)，其性能取決于材料本身的特征和焊接工藝條件兩方面，可通過采用適當(dāng)?shù)暮附庸に噥硖岣吆附訜嵊绊憛^(qū)的性能。焊接接頭的實際性能一般是焊縫與熱影響區(qū)的性能平均值。研究焊接工藝對1.5的TC4鈦板TIG焊、A-TIG焊接頭性能的影響。在表1的焊接工藝參數(shù)下焊接，每次只改變一個參數(shù)，其它參數(shù)保持不變，焊后試樣用銼刀去除焊縫余高，未經(jīng)過任何熱處理，對獲得的接頭室溫性能進(jìn)行對比和分析，尋求獲得滿意接頭性能的焊接工藝。母材的室溫性能見表2。表2 1.5的TC4鈦板(母材)的室溫性能狀態(tài)抗拉強(qiáng)度b/MPa延伸率5/%彎曲角/M1095.512.2353.2.1 焊接電流的影響在54A68A之間改變焊接電流，得到了1.5的TC4鈦板TIG焊和A-TIG焊的室溫性能(表3)，繪制出各性能隨焊接電流變化的曲線圖(圖9圖12)。表3 焊接電流對性能的影響電流I抗拉強(qiáng)度b/MPa延伸率5/面彎曲/背彎曲/ATIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIG5410441056.05.505.7730.031.031.533.55510431055.05.585.8730.531.532.535.05610421053.75.676.0031.032.034.537.56010391048.06.056.5435.537.536.540.06510191018.06.577.2241.044.040.044.06710091004.36.857.4343.046.541.546.0681004997.77.037.5044.048.042.047.0從表3和圖9圖12中可以看出，焊接電流對TIG焊、A-TIG焊的性能均有影響，且趨勢相同，均隨著焊接電流的增大抗拉強(qiáng)度減小，而延伸率和彎曲角增大。焊接電流從54A增加到68A，TIG焊的抗拉強(qiáng)度減小了約3.8%，延伸率增加了約27.8%，面彎曲角增加了約46.7%，背彎曲角增加了約36.5%；而A-TIG焊的抗拉強(qiáng)度減小了約5.5%，延伸率增加了約30%，面彎曲角增加了約54.8%，背彎曲角增加了約40.3%。由此可見，焊接電流對室溫性能的影響，A-TIG焊大于TIG焊。從表3和圖9中可以看出，焊接電流為54A60A時，A-TIG焊焊縫的力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到10561048MPa，為母材強(qiáng)度的96.4%95.7%。當(dāng)焊接電流高于65A時，A-TIG焊的抗拉強(qiáng)度明顯下降，且比TIG焊的小。所以，與TIG焊相比， A-TIG焊采用小電流時，能得到較好的性能指標(biāo)。圖9 抗拉強(qiáng)度隨焊接電流變化曲線圖圖10 延伸率隨焊接電流變化曲線圖圖11 面彎曲角隨焊接電流變化曲線圖圖12 背彎曲角隨焊接電流變化曲線圖3.2.2 焊接速度的影響在130215mm/min間改變焊接速度，得到了1.5的TC4鈦板TIG焊和A-TIG焊的室溫性能 (表4)，繪出各性能隨焊接速度變化的曲線圖(圖13圖16)。表4 焊接速度對性能的影響速度v抗拉強(qiáng)度b/MPa延伸率5/面彎曲/背彎曲/ mmmin-1TIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIG1301019.71018.36.637.0343.046.042.045.01451028.31032.06.336.6738.040.039.042.51651042.01053.75.676.0031.032.034.537.51751050.01064.05.635.8729.029.733.036.52151060.01069.05.575.6322.723.030.032.0圖13 抗拉強(qiáng)度隨焊接速度變化曲線圖圖14 延伸率隨焊接速度變化曲線圖圖15 面彎曲角隨焊接速度變化曲線圖圖16 背彎曲角隨焊接速度變化曲線圖從表4和圖13圖16中可以看出，焊接速度對TIG焊、A-TIG焊的性能均有影響，且趨勢相同，均隨著焊接速度的增大抗拉強(qiáng)度增大，而延伸率和彎曲角減小。焊接速度從130mm/min增加到215mm/min，TIG焊的抗拉強(qiáng)度增加了約4%，延伸率減小了約16%，面彎曲角減小了約47.2%，背彎曲角減小了約28.6%；而A-TIG焊的抗拉強(qiáng)度了增加約5%，延伸率減小了約19.9%，面彎曲角減小了50%，背彎曲角減小了約28.9%。由此可見，焊接速度對室溫性能的影響，A-TIG焊大于TIG焊。從表4和圖13中可以看出，當(dāng)焊接速度低于130mm/min時，A-TIG焊的抗拉強(qiáng)度明顯下降，且比TIG焊的小。焊接速度為145215mm/min時，A-TIG焊焊縫的力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到10321069MPa，為母材的94.2%97.6%。所以，與TIG焊相比，A-TIG焊采用高速度時，能得到較好的性能指標(biāo)。但焊接速度為175215mm/min時，A-TIG焊的抗拉強(qiáng)度上升得很少。這是因為，當(dāng)焊接速度過快時，活性劑涂層來不及充分的蒸發(fā)，焊接電弧有向后漂移尋找熔池金屬的傾向，焊接電弧變得不穩(wěn)定，從而影響其力學(xué)性能。3.2.3 活性焊劑的影響從焊接電流和焊接速度對焊接接頭室溫性能影響的試驗數(shù)據(jù)(表3、表4和圖9圖16)中均可看出，在相同的焊接工藝條件下，A-TIG焊的接頭性能與TIG焊相當(dāng)，并在低電流和較高焊速時，性能還有改善的趨勢。3.3 焊接接頭凝固組織特征及活性焊劑的影響3.3.1 焊接接頭凝固組織特征從焊縫金相照片(圖17)可知，TIG焊焊縫區(qū)晶粒要比A-TIG焊的焊縫晶粒粗大。晶粒生長的方向也不相同，TIG焊焊縫晶粒呈匯流式向焊縫表面中心生長，而A-TIG焊的則呈對向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線生長。圖17 焊縫橫截面金相對比從1.5和3.0的TC4鈦板的A-TIG焊焊縫金相照片(圖18)中可以看出，用活性焊劑焊接不同厚度的鈦板，其焊縫結(jié)晶形態(tài)特征是一致的，即焊接電弧對熔池的作用以及熔池溫度場的分布是有共性的。a) 1.5的TC4鈦板b) 3.0的TC4鈦板圖18 A-TIG焊焊縫的宏觀金相照片圖19 A-TIG焊焊縫中間區(qū)域的掃描電鏡照片對焊縫中間區(qū)域的組織形貌用掃描電鏡觀察(圖19)表明，該區(qū)域出現(xiàn)明顯分界的原因主要是由于兩側(cè)對向生長的樹枝晶出現(xiàn)了立體交匯，導(dǎo)致樹枝晶的主干和枝節(jié)部位在金相觀察條件下顏色和形狀與焊縫其他區(qū)域表現(xiàn)不同所致。而且該中心區(qū)域的晶粒仍然呈短樹枝狀并趨向于焊縫表面方向生長。3.3.2 活性焊劑對接頭組織的影響金屬凝固理論指出，凝固是通過萌生晶核生長而進(jìn)行的，過冷是凝固的條件。在焊接熔池過熱的條件下，均勻形核的可能性非常小，熔池邊界部分熔化的母材晶粒表面作為新相晶核的“基底”所需能量小，易促使新相成核。在實際焊接冷卻條件下，焊接熔池的凝固是從邊界開始的非均勻成核。焊縫金屬呈柱狀晶形式依附于母材晶粒的現(xiàn)成表面，以聯(lián)生結(jié)晶的方式向熔合線附近凝固。焊縫金相組織觀察表明，焊縫的晶體形態(tài)主要有柱狀晶、樹枝晶、平面晶、胞狀晶和等軸晶。由金屬凝固理論可知，液態(tài)合金凝固過程中由于溶質(zhì)分布而形成的成分過冷臨界條件為 (3-5)式中，G為液相中溫度梯度，R為結(jié)晶速度，m為液相線斜率，C0為合金中溶質(zhì)濃度，D為溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，k0為平衡分配系數(shù)。由上式可知，合金中溶質(zhì)濃度C0一定時，液相中溫度梯度G與結(jié)晶速度R的比值G/R是影響組分過冷度的主要參數(shù)。G/R越小(即降低溫度梯度G或提高結(jié)晶速度R)，組分過冷度越大。鈦合金TIG焊，在焊縫的邊界處，界面附近的溶質(zhì)富集程度較小，由于溫度梯度較大，結(jié)晶速度很小，故成分過冷接近于零，有利于平面晶的生長。隨著逐漸遠(yuǎn)離焊縫邊界向焊縫中心生長，界面附近溶質(zhì)的變化程度逐漸加強(qiáng)，而溫度梯度變小，結(jié)晶速度逐漸變大，成分過冷現(xiàn)象增大，柱狀晶內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)依次向胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶發(fā)展。晶體生長到焊縫中心時，溫度梯度最小，結(jié)晶速度最大，溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，成分過冷度最大，最終生成等軸晶(圖20)。由于活性焊劑的作用，電弧能量密度提高，電弧穿透能力增強(qiáng)，使得熔池沿熔深方向溫度梯度減小，組分過冷度增大，所以A-TIG焊焊縫晶粒要比TIG焊的細(xì)小。由于活性焊劑的作用，電弧收縮，焊縫窄，在焊縫水平方向己無溫度梯度存在，只在焊縫垂直方向上存在溫度梯度，最大散熱方向?qū)⑹冀K垂直于焊縫軸線，因而焊縫晶粒只能垂直焊縫軸線向焊縫中心生長。故A-TIG焊的焊縫晶粒呈對向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線生長。冷卻速率可以表示為 (3-6)其中，R為冷卻速率，T為焊縫溫度，x為母材到焊縫的距離，v為焊接速度，為密度，CP為比熱容，t為板厚， q為散熱速率，T0為母材溫度。由上式可知，冷卻速率R正比于焊縫溫度T的3次方。由于活性焊劑的作用，電弧收縮，溫度T升高，則冷卻速率R極劇增大，焊縫晶粒細(xì)小。由上式還可知，焊接速度v越大，焊縫組織冷卻速率R越大。由試驗可知，要得到相同的熔深，A-TIG焊比TIG焊的焊接電流小、焊接速度高，有助于晶粒細(xì)小，從而提高焊接強(qiáng)度。a)細(xì)胞狀晶 b)細(xì)胞狀樹枝晶 c)柱狀樹枝晶 d)等軸樹枝晶圖20 焊接結(jié)晶組織形態(tài)27 3.4 焊接接頭氣孔的變化及分析討論3.4.1 焊接接頭氣孔的變化氣孔是鈦合金焊接中最常見的缺陷，似乎是不可避免的。氣孔能使疲勞強(qiáng)度降低一半甚至四分之三，非常小的氣孔對疲勞強(qiáng)度都會產(chǎn)生明顯的不利影響。常規(guī)TIG焊很難消除氣孔。分別對TIG焊接和A-TIG焊接試樣進(jìn)行X射線探傷檢驗，以對比焊接接頭氣孔位置的變化和數(shù)量的差別。檢驗結(jié)果見表5(焊縫長度L=300mm)。表5 X射線探傷檢驗結(jié)果焊接方法氣孔位置氣孔數(shù)量氣孔尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)等級TIG普遍沿焊縫融合線附近6-35個F0.5HB5376-87的III級焊縫A-TIG個別焊縫起弧、收弧處1-2個F0.3HB5376-87的I級焊縫試驗結(jié)果表明，對兩類待焊試樣均進(jìn)行相同的嚴(yán)格而細(xì)致的焊前處理措施和焊接工藝，TIG焊沿焊縫融合線附近出現(xiàn)了大小各異的氣孔；而A-TIG焊只在焊縫起、收弧處存在個別氣孔。因此，鈦合金TC4的A-TIG焊在消除氣孔方面具有明顯的作用，可明顯改善鈦合金接頭的疲勞性能。3.4.2 氣孔的形成機(jī)理形成氣孔的因素很多且很復(fù)雜。直接因素有焊件、焊絲的表面吸附不純氣體、粘附灰塵、油脂或存在氧化物等，產(chǎn)生的氣孔是焊接中熔池吸收的雜質(zhì)氣體被封閉在熔融金屬中形成的。氣泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化電極或焊絲表面的氧化鈦或氮化鈦；當(dāng)鈦焊縫中的碳大于0.1%、氧大于0.133%時，由氧與碳反應(yīng)生成的CO氣體也可產(chǎn)生氣孔；間接因素包括氬弧焊時焊接電流過大、焊接速度過快以及坡口角度太小等。但一般認(rèn)為，氫氣是引起氣孔的主要原因。氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而降低，在凝固溫度有躍變。熔池中部比熔池邊緣溫度高，熔池中部的氫易向熔池邊緣擴(kuò)散，熔池邊緣容易為氫過飽和而生成氣孔，故焊縫氣孔往往有些分布在熔合線附近28。母材表面未被去除的氧化膜、保護(hù)氣中的水分、弧柱氣氛中的水分、焊絲和工件表面氧化膜吸附的水分都是焊縫氣孔中氫的主要來源?；≈鶜夥罩兴诟邷叵路纸獬鰜淼臍?，溶入過熱的熔融金屬中，成為形成焊縫氣孔的重要原因。3.4.3活性焊劑對氣孔形成的影響氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而降低。在A-TIG焊中，活性焊劑使電弧收縮，從而使電弧溫度升高，氫在鈦中的溶解度降低，有利于氫的逸出，從而減少甚至消除氣孔。焊接時，熔池中心的溫度高，而邊緣溫度低。一般的純金屬和許多合金在無活性焊劑焊接熔化時，表面張力梯度為負(fù)，液態(tài)金屬由中心向周邊流動，其流動方向與氫的擴(kuò)散方向和氫在鈦中的溶解度升高方向相同，則液態(tài)金屬的流動過程是個先逸出氫后吸氫的過程；而活性焊劑使熔池中的液態(tài)金屬的表面張力數(shù)值降低并使表面張力梯度由負(fù)變?yōu)檎?，使得熔池?nèi)的金屬由周邊向中心進(jìn)而向下部流動，其流動方向與氫的擴(kuò)散方向和氫在鈦中的溶解度升高方向相反，則其流動的過程是個氫逸出的過程，從而大大減少甚至消除氣孔。所以，活性焊劑在消除氣孔方面具有顯著作用。4結(jié) 論通過對1.5和3.0的TC4鈦板手工直流TIG焊和A-TIG焊工藝實驗的研究，探討了焊接工藝參數(shù)對焊縫外觀質(zhì)量及性能的影響規(guī)律，分析焊縫組織特征和氣孔的變化，從而確定出合理的鈦合金TC4薄板構(gòu)件A-TIG焊焊接工藝參數(shù)；并對活性焊劑對接頭組織的影響機(jī)理、TIG焊接頭氣孔的形成原因及活性焊劑對氣孔形成的影響進(jìn)行了分析和討論。通過以上的研究，得出如下結(jié)論：1）對于TC4鈦合金的TIG焊與A-TIG焊，焊接電流和速度對接頭性能的影響趨勢相同；與TIG焊相比，A-TIG焊宜采用小電流、較高焊速。2）保護(hù)氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響較明顯，選用合適的保護(hù)氣體流量，能得到良好的焊縫外觀質(zhì)量。3）由于活性焊劑的作用，使得電弧深入金屬內(nèi)部并穿孔，導(dǎo)致焊縫結(jié)晶形態(tài)呈對向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線生長。且使熔池沿熔深方向溫度梯度減小，組分過冷度增大，有利于細(xì)化焊縫晶粒。4）鈦合金TIG焊接頭氣孔產(chǎn)生的主要原因是氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而降低，在凝固溫度有躍變。活性焊劑使電弧收縮，提高電弧溫度，有利于氫的逸出；使熔池內(nèi)的金屬由周邊向中心進(jìn)而向下部流動，此過程是氫逸出過程，可以減少甚至消除氣孔，從而提高焊接強(qiáng)度。參考文獻(xiàn) 1周廉. 美國、日本和中國鈦工業(yè)發(fā)展評述J.稀有金屬材料與工程,2003,32 (8):5772 李青云,劉雅廷等. 稀有金屬加工手冊M.北京:冶金工業(yè)出版社,1984:90913 Bys Chiang, Albright C E. The Limit of Join Penetration in High Energy Density Beam Welding J. Welding Journal,1993,(3): 1184 Arata Y. Plasma, Electron & Laser Beam TechnologyM.USA: Carnes Publication,1986:24255 黃曉艷,劉波,李雪. 鈦合金在軍事上的應(yīng)用J.輕金屬,2005,(9):51526 Lucas W, Howes D S. Activating flux increasing the performance and productivity of the TIG and plasma processesJ.Welding and Metal Fabrication,1996,64(1): 11177 Troy Paskell. GTAW flux increase weld joint penetrationJ. Welding Journal,1997,(4): 57628 張京海,魯曉聲. 鎢極氬弧焊用焊劑的發(fā)展與