TC4鈦合金板直流TIG焊焊接工藝研究
TC4鈦合金板直流TIG焊焊接工藝研究
鈦合金被視為“全能金屬”，具有比強度高、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性等特性，是高機(jī)動性裝備，輕量化制造的優(yōu)選材料之一。TC4作為工業(yè)應(yīng)用比例最高的中強度雙相鈦合金，其連接技術(shù)的不斷改進(jìn)一直以來是先進(jìn)制造和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。通過對TC4鈦合金板直流TIG操作方法的反復(fù)實踐。總結(jié)出一套“溢氣式”保護(hù)的焊接工藝方法，焊縫成形和內(nèi)部組織性能均達(dá)到質(zhì)量要求。
TC4；鈦合金板材；手工鎢極氬弧焊溢氣式保護(hù)可焊性
表 1 TC4 鈦合金的化學(xué)成分 (%)
表 2 TC4 鈦合金的機(jī)械及物理性能
TC4鈦合金的焊接特性
TC4 鈦合金是一種化學(xué)性質(zhì)非常活潑的金屬，在高溫下對氫、氧和氮等氣體具有極強的親和力，鈦與大氣中的 O、N、CO2、水蒸氣和氮氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量大于 0.2% 時，在鈦合金中形成硬質(zhì) TiC。溫度較高時，與 N 作用，也會形成 TiN 硬質(zhì)表層。在 600℃以上時，鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。鈦合金吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)（0.1 ～ 0.15）mm，硬化程度比原來基體硬度高 （20 ～ 30）%。特別是在焊接過程中，這種能力伴隨著溫度的升高更為強烈，實踐證明，焊接時對鈦合金與氫、氧和氮等氣體的吸收和溶解不加以控制，無疑會給鈦合金焊接接頭的施焊過程帶來極大的困難，為 了掌握鈦合金的焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，必須深入了解鈦及鈦合金的特點。
2.1 焊接接頭的脆化
中侵入這些有害氣體后，焊接接頭的塑性和韌性都會發(fā)生明顯的變化，特別是在 882℃以上，接頭晶粒嚴(yán)重粗大化，冷卻時形成馬氏體組織，使接頭強度、硬度、 塑性和韌性下降，過熱傾向嚴(yán)重，接頭嚴(yán)重脆化。因此， 在進(jìn)行 TC4 鈦合金焊接時，對熔池、熔滴及高溫區(qū)， 不管是正面還是反面都應(yīng)進(jìn)行全面可靠的惰性氣體作為保護(hù)氣。這是保證鈦及其合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。碳主要來源于母材、焊絲和油污，碳在超過溶解度時析出硬脆的碳化鈦，使焊縫塑性迅速下降，在焊接應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。在常溫下，鈦與氧反應(yīng)生成致密的氧化膜，從而使其具有高的化學(xué)穩(wěn)定性與耐腐蝕性。在施焊過程中， 焊接溫度高達(dá) 5000 ～ 10000℃，鈦及其合金與氧、 氫和氮發(fā)生快速反應(yīng)。據(jù)試驗，TC4 鈦合金在施焊過 程中，溫度在 300℃以上時能快速吸氫，450℃以上 時能快速吸氧，600℃以上時能快速吸氮。而當(dāng)熔池中侵入這些有害氣體后，焊接接頭的塑性和韌性都會發(fā)生明顯的變化，特別是在 882℃以上，接頭晶粒嚴(yán)重粗大化，冷卻時形成馬氏體組織，使接頭強度、硬度、 塑性和韌性下降，過熱傾向嚴(yán)重，接頭嚴(yán)重脆化。因此， 在進(jìn)行 TC4 鈦合金焊接時，對熔池、熔滴及高溫區(qū)， 不管是正面還是反面都應(yīng)進(jìn)行全面可靠的惰性氣體作為保護(hù)氣。這是保證鈦及其合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。碳主要來源于母材、焊絲和油污，碳在超過溶解度時析出硬脆的碳化鈦，使焊縫塑性迅速下降，在焊接應(yīng) 力作用下易產(chǎn)生裂紋。
2.2 焊接接頭的裂紋
2.2.1 熱裂紋傾向
由于鈦合金中的碳、硫、磷等雜質(zhì)含量較少，所以裂紋的敏感性低在當(dāng)母材和焊絲質(zhì)量不合格，特別是當(dāng)焊絲有裂紋、夾層缺陷時，會在夾層的裂紋處聚集大量有害雜質(zhì)而使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。
2.2.2 冷裂紋傾向
當(dāng)焊縫中含有氫、氧、氮量較多時，焊縫和熱影響區(qū)變脆，在較大焊接應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，這種裂紋是在較低的溫度下形成的。在焊接鈦及鈦合金時，影響區(qū)有時會出現(xiàn)延遲裂紋，其主要原因是氫造成的，氫化物吸出時產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子的擴(kuò)散及聚焦，最終使焊接接頭產(chǎn)生裂紋（氫脆）， 防止這種延遲裂紋的方法主要還是進(jìn)行全面的惰性氣體保護(hù)控制焊接頭氫的來源。
2.2.3 氣孔的產(chǎn)生
TC4 鈦及鈦合金焊接時最常見的缺陷是氣孔，主要產(chǎn)生在熔合線附近。氫是形成氣孔的重要原因，在焊接時由于鈦吸收氫的能力很強，而隨著溫度的下降氫的溶解度顯著下降，所以溶解于液態(tài)金屬中的氫往往來不及逸出形成氣孔。
2.2.4 焊接變形
TC4 鈦合金的熱導(dǎo)率 =7.955W/m•K，為鐵的 1/5、鋁的 1/10，線膨脹系數(shù) =8.6×10-6℃（0-100℃）， 比熱 =0.612cal/g•℃。鈦合金的彈性模量較低，TC4鈦合金的彈性模量 E=110GPa，約為鋼的 1/2。故鈦合金容易產(chǎn)生變形，而且矯形很困難，因此在焊接鈦合金時應(yīng)該采用墊板和壓板將待焊工件壓緊，以減少焊接變形。
2.2.5 結(jié)晶傾向
TC4 鈦合金的熔點高、熱容量大、導(dǎo)熱性差，因此在焊接時容易產(chǎn)生較大的焊接熔池并且熔池的溫度很高。這使得焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫的時間比較長，晶粒長大傾向較大，使得接頭塑性的斷裂韌性降低。長大的晶粒難以用熱處理的方法恢復(fù)，所以焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制焊接的熱輸入量，一般采用較小的焊接電流和較快的焊接速度，來避免產(chǎn)生較粗大的晶粒。
TC4鈦合金施焊的工藝
3.1 焊接設(shè)備及工具準(zhǔn)備
焊接時采用 WSME-500 逆變式交直流脈沖氬弧焊機(jī)，焊前檢查焊機(jī)與氬弧焊槍焊接電纜及其它各連接部位是否連接牢靠。檢查工具、用具是否備齊，并保持清潔，所需工具有，不銹鋼絲刷，備用鎢極和噴嘴，金剛石銼刀、硬質(zhì)合金刮刀、化學(xué)清洗劑（丙酮、 無水乙醇、甲醇等）氬弧焊手套等。
3.2 焊接材料的選擇
3.2.1 焊絲的選用
母材為TC4鈦合金板(300mm×200mm×30mm)， 考慮其焊接效率、熱輸入、盡量減少焊接層數(shù)及焊后焊縫塑性和韌性，因此選用等強度等成分的 Φ3.0 的 TC4 專用焊絲。
3.2.2 氬氣保護(hù)
氬氣的純度對接頭質(zhì)量的影響很大，TC4 鈦合金焊接時要求使用純度為 99.999% 的高純氬，氬氣應(yīng)符合《GB/ Ｔ 4842 － 2006 純氬》的要求。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至 1MPa，應(yīng)停止使用。
3.2.3 鎢極
選用 Φ4.0 的鈰鎢極，鎢極端部應(yīng)磨成 30 ～ 45 度錐形。
3.3 試件坡口制備及焊前清理
3.3.1 坡口制備
在選擇坡口形式尺寸時，應(yīng)盡量減少焊接層數(shù)和填充金屬。隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計吸氫量增加以至影響焊接接頭性能，接頭塑性下降，又由于鈦合金焊接時熔池尺寸較大，試件厚度為 30mm，因此焊件開雙 X 型坡口，試件坡口角度為 60°試件鈍邊 為 2mm。
3.3.2 焊前清理
采用機(jī)械加工、硬質(zhì)合金刮刀或不銹鋼絲刷，清理母材兩側(cè) 20-30mm 的氧化膜，直至露出金屬光澤為止。然后用丙酮、無水乙醇、甲醇等清洗母材及焊絲表面的手印、有機(jī)物質(zhì)、油污等。焊接時必須戴潔凈的手套，不得使用角磨機(jī)磨坡口及其兩側(cè)附近區(qū)域， 嚴(yán)禁用鐵器敲打鈦板表面及坡口。采取有效措施避免在焊接時造成鋼與鈦互熔。
不潔凈和不干燥的零件表面會使焊縫形成氣孔。焊接不合適也會促使焊縫產(chǎn)生氣孔。零件表面的鹽類殘留（甚至指紋的印痕）在一定溫度下可能導(dǎo)致熱鹽應(yīng)力腐蝕。所以鈦及鈦合金的被焊處表面必須保持潔凈。清理完后應(yīng)盡量縮短存放時間盡快焊接，以免二 次污染。
3.4 焊接工藝參數(shù)的選擇
傳統(tǒng)焊接方法采用外置氬氣“吹氣式”保護(hù)，保護(hù)氣體不能“局限”到焊接區(qū)域，不能形成有效的保護(hù)氣膜，對鈦合金與氫、氧和氮等氣體的吸收和溶解不易控制，容易發(fā)生焊接接頭脆化、焊縫裂紋、氣泡等焊接缺陷，返工成本較高。鎢極氬弧焊焊接 TC4 鈦合金可分為敞開式焊接、高純氬箱內(nèi)焊接 及真空焊接）三種類型，真空焊接鈦合金的質(zhì)量最好，但其成本過高。高純氬箱內(nèi)焊接，需要將箱體內(nèi)充滿氬氣受焊件大小操作影響。因此我們選用的是敞開式焊接，在大氣環(huán)境中焊接。采用局部 氣體保護(hù)的焊接方法，利用焊槍噴嘴加拖罩， 和背面保護(hù)裝置通以適量的氬氣，氣體保護(hù)裝置將充氣室的氬氣通過針孔充盈焊縫預(yù)留槽，槽內(nèi)氬氣最終通過工件對接焊縫溢出，實現(xiàn)內(nèi)置輸氣，在焊接區(qū)域形成“溢氣式”保護(hù)氣膜，把焊接高溫區(qū)與空氣隔開，以防止空氣侵入而沾污焊接區(qū)的金屬。拖罩和背面保護(hù)裝置應(yīng)單獨通入氬氣。焊接時為防止鈦合金在 300-600℃氧化、氮化及吸氫，要求緊貼工件。
根據(jù)以往焊接 TC4 鈦合金的經(jīng)驗，設(shè)定焊接參數(shù)見表 3。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護(hù)效果和焊接質(zhì)量的標(biāo)志，焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色見表 4。焊縫表面顏色對焊接質(zhì)量影響見表 5。
表 3 手工鎢極氬弧焊焊接參數(shù)
表 4 焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色
表 5 焊縫表面顏色對焊縫質(zhì)量的影響
焊接過程中為了防止焊縫表面氧化、焊縫塑性韌性下降、接頭脆性增大，應(yīng)控制熱輸入，控制層間溫度，試件表面溫度降至 30-40 度時才可以進(jìn)行下一層的焊接。應(yīng)注意母材的變形，采用兩面對稱焊，如圖 7 所示。焊接時隨著坡口面的角度增大應(yīng)切換更大的保護(hù)噴嘴，增大保護(hù)面積，提高保護(hù)效果。
焊接過程中焊槍離焊件表面距離盡量小，但不要影響焊接時的視線，焊槍操作要平衡均勻，基本不作擺動，當(dāng)需要擺動時，頻率要低，擺動幅度也不宜過大，以防影響氬氣保護(hù)。送絲時應(yīng)注意不要將焊絲熔化端部移出氬氣保護(hù)區(qū)，否則焊絲端部被氧化后在融入熔池會影響焊縫的質(zhì)量。蓋面層焊接時要注意母材兩側(cè)各熔 1-2mm, 焊趾要齊，焊縫高度控制在 2-3mm, 不得出現(xiàn)表面氣孔，裂紋，咬邊等焊接缺陷。
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4.1 執(zhí)行上述工藝參數(shù)進(jìn)行水平固定位置模擬實驗
（1）焊接時，對焊縫的保護(hù)氣體氬氣的純度為 99.99%，未對試件背面及熱影響區(qū)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，在試件焊接時熔池中有氣體向外溢出且能聽到焊縫在產(chǎn)生裂紋的聲音，焊縫表面為暗灰色，如圖 8 所示。
（2）經(jīng)上述實驗證明，對試件的保護(hù)不夠。此次對焊縫的保護(hù)氣體氬氣的純度為 99.999%，對試件背面及熱影響區(qū)進(jìn)行氬氣保護(hù)，氬氣純度為 99.999%， 在焊接時，熔池?zé)o氣體向外溢出，且焊縫為淡黃色表面顏色達(dá)到一級要求，如圖 9 所示。
（3）總結(jié)以上兩組經(jīng)驗，此次將試件放在真空室中，抽真空 -3Pa，在焊接前對真空室充入氬氣，氬氣純度為 99.99%，焊接氬氣純度為 99.99%，焊接完成后焊縫正面背面均為銀白色。焊接完成后經(jīng) X 射線檢驗焊道內(nèi)部達(dá)到射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，如圖 10 所示。
4.2 改變焊接手法進(jìn)行水平固定工藝模擬實驗
（1）采用搖擺焊，焊接完成后，焊縫表面顏色呈金紫色或深藍(lán)色，如圖 11 所示。
（2）采用搖擺焊焊接熱輸入過大，此次實驗采用低頻率橫向擺動，并且倆邊稍微停留焊縫表面顏色呈金紫色，如圖 12 所示。
（3）總結(jié)以上兩組經(jīng)驗，焊接時，焊槍基本不作擺動，焊槍盡可能與焊件表面垂直（80-90 度），焊縫表面顏色呈銀白色。焊接完成后經(jīng) X 射線檢驗焊道內(nèi)部達(dá)到射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，如圖 13 所示。
