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、熱穩定性等特性，是高機動性裝備，輕量化制造的優選材料之一。TC4作為工業應用比例最高的中強度雙相鈦合金，其連接技術的不斷改進一直以來是先進制造和材料科學領域的研究熱點。通過對TC4鈦合金板直流TIG操作方法的反復實踐?？偨Y出一套“溢氣式”保護的焊接工藝方法，焊縫成形和內部組織性能均達到質量要求。
TC4；鈦合金板材；手工鎢極氬弧焊溢氣式保護可焊性
表 1 TC4 鈦合金的化學成分 (%)
表 2 TC4 鈦合金的機械及物理性能
TC4鈦合金的焊接特性
TC4 鈦合金是一種化學性質非?；顫姷慕饘?，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、水蒸氣和氮氣等產生強烈的化學反應。當含碳量大于 0.2% 時，在鈦合金中形成硬質 TiC。溫度較高時，與 N 作用，也會形成 TiN 硬質表層。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生硬脆表層的深度可達（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生明顯的變化，特別是在 882℃以上，接頭晶粒嚴重粗大化，冷卻時形成馬氏體組織，使接頭強度、硬度、 塑性和韌性下降，過熱傾向嚴重，接頭嚴重脆化。因此， 在進行 TC4 鈦合金焊接時，對熔池、熔滴及高溫區， 不管是正面還是反面都應進行全面可靠的惰性氣體作為保護氣。這是保證鈦及其合金焊接質量的關鍵。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，在焊接應力作用下易產生裂紋。在常溫下，鈦與氧反應生成致密的氧化膜，從而使其具有高的化學穩定性與耐腐蝕性。在施焊過程中， 焊接溫度高達 5000 ～ 10000℃，鈦及其合金與氧、 氫和氮發生快速反應。據試驗，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生明顯的變化，特別是在 882℃以上，接頭晶粒嚴重粗大化，冷卻時形成馬氏體組織，使接頭強度、硬度、 塑性和韌性下降，過熱傾向嚴重，接頭嚴重脆化。因此， 在進行 TC4 鈦合金焊接時，對熔池、熔滴及高溫區， 不管是正面還是反面都應進行全面可靠的惰性氣體作為保護氣。這是保證鈦及其合金焊接質量的關鍵。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 力作用下易產生裂紋。
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、磷等雜質含量較少，所以裂紋的敏感性低在當母材和焊絲質量不合格，特別是當焊絲有裂紋、夾層缺陷時，會在夾層的裂紋處聚集大量有害雜質而使焊縫產生熱裂紋。
2.2.2 冷裂紋傾向
當焊縫中含有氫、氧、氮量較多時，焊縫和熱影響區變脆，在較大焊接應力作用下容易產生裂紋，這種裂紋是在較低的溫度下形成的。在焊接鈦及鈦合金時，影響區有時會出現延遲裂紋，其主要原因是氫造成的，氫化物吸出時產生較大的組織應力，再加上氫原子的擴散及聚焦，最終使焊接接頭產生裂紋（氫脆）， 防止這種延遲裂紋的方法主要還是進行全面的惰性氣體保護控制焊接頭氫的來源。
2.2.3 氣孔的產生
TC4 鈦及鈦合金焊接時最常見的缺陷是氣孔，主要產生在熔合線附近。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 鈦合金的熱導率 =7.955W/m•K，為鐵的 1/5、鋁的 1/10，線膨脹系數 =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。故鈦合金容易產生變形，而且矯形很困難，因此在焊接鈦合金時應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 結晶傾向
TC4 鈦合金的熔點高、熱容量大、導熱性差，因此在焊接時容易產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，所以焊接時應嚴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，來避免產生較粗大的晶粒。
TC4鈦合金施焊的工藝
3.1 焊接設備及工具準備
焊接時采用 WSME-500 逆變式交直流脈沖氬弧焊機，焊前檢查焊機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、硬質合金刮刀、化學清洗劑（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
氬氣的純度對接頭質量的影響很大，TC4 鈦合金焊接時要求使用純度為 99.999% 的高純氬，氬氣應符合《GB/ Ｔ 4842 － 2006 純氬》的要求。當氬氣瓶中的壓力降至 1MPa，應停止使用。
3.2.3 鎢極
選用 Φ4.0 的鈰鎢極，鎢極端部應磨成 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，應盡量減少焊接層數和填充金屬。隨著焊接層數的增多，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
采用機械加工、硬質合金刮刀或不銹鋼絲刷，清理母材兩側 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、有機物質、油污等。焊接時必須戴潔凈的手套，不得使用角磨機磨坡口及其兩側附近區域， 嚴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致熱鹽應力腐蝕。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 焊接工藝參數的選擇
傳統焊接方法采用外置氬氣“吹氣式”保護，保護氣體不能“局限”到焊接區域，不能形成有效的保護氣膜，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、高純氬箱內焊接 及真空焊接）三種類型，真空焊接鈦合金的質量最好，但其成本過高。高純氬箱內焊接，需要將箱體內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，在大氣環境中焊接。采用局部 氣體保護的焊接方法，利用焊槍噴嘴加拖罩， 和背面保護裝置通以適量的氬氣，氣體保護裝置將充氣室的氬氣通過針孔充盈焊縫預留槽，槽內氬氣最終通過工件對接焊縫溢出，實現內置輸氣，在焊接區域形成“溢氣式”保護氣膜，把焊接高溫區與空氣隔開，以防止空氣侵入而沾污焊接區的金屬。拖罩和背面保護裝置應單獨通入氬氣。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。
根據以往焊接 TC4 鈦合金的經驗，設定焊接參數見表 3。焊縫和近縫區顏色是保護效果和焊接質量的標志，焊縫和熱影響區的表面顏色見表 4。焊縫表面顏色對焊接質量影響見表 5。
表 3 手工鎢極氬弧焊焊接參數
表 4 焊縫和熱影響區的表面顏色
表 5 焊縫表面顏色對焊縫質量的影響
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 度時才可以進行下一層的焊接。應注意母材的變形，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切換更大的保護噴嘴，增大保護面積，提高保護效果。
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。送絲時應注意不要將焊絲熔化端部移出氬氣保護區，否則焊絲端部被氧化后在融入熔池會影響焊縫的質量。蓋面層焊接時要注意母材兩側各熔 1-2mm, 焊趾要齊，焊縫高度控制在 2-3mm, 不得出現表面氣孔，裂紋，咬邊等焊接缺陷。
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4.1 執行上述工藝參數進行水平固定位置模擬實驗
（1）焊接時，對焊縫的保護氣體氬氣的純度為 99.99%，未對試件背面及熱影響區進行惰性氣體保護，在試件焊接時熔池中有氣體向外溢出且能聽到焊縫在產生裂紋的聲音，焊縫表面為暗灰色，如圖 8 所示。
（2）經上述實驗證明，對試件的保護不夠。此次對焊縫的保護氣體氬氣的純度為 99.999%，對試件背面及熱影響區進行氬氣保護，氬氣純度為 99.999%， 在焊接時，熔池無氣體向外溢出，且焊縫為淡黃色表面顏色達到一級要求，如圖 9 所示。
（3）總結以上兩組經驗，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 X 射線檢驗焊道內部達到射線檢查標準，如圖 10 所示。
4.2 改變焊接手法進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）總結以上兩組經驗，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 X 射線檢驗焊道內部達到射線檢查標準，如圖 13 所示。
