（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510650）

0 前言

TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金，含有6%的α相穩(wěn)定元素Al和4%的β相穩(wěn)定元素V。TC4鈦合金比剛度高、比強(qiáng)度高、無磁性、耐腐蝕、抗疲勞和蠕變性能好，綜合性能優(yōu)異，在航空航天、核工業(yè)、海洋工程、能源化工等領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[1-3]。近年來，隨著海洋工程、壓力容器、化工等領(lǐng)域的發(fā)展，20 mm以上厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越普遍，對鈦合金的焊接工藝提出了更高的要求。目前厚板鈦合金焊接多采用電子束焊接方法，該方法不僅生產(chǎn)成本高，而且構(gòu)件受真空室尺寸及大構(gòu)件裝配精度的約束[4-5]。因此，研究更高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、適用于厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的焊接方法對于推動厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

窄間隙TIG焊接技術(shù)由美國Battle研究所于1963年率先提出，其坡口間隙較常規(guī)TIG焊接方法小很多。采用窄間隙方法焊接厚板可以大幅減小焊縫截面積，降低焊縫金屬填充量，以較小的線能量實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率[6-8]。該方法的關(guān)鍵在于獲得側(cè)壁熔合良好且熔深均勻的焊縫。20世紀(jì)末，烏克蘭Paton焊接研究所創(chuàng)造性地將磁場引入到窄間隙焊接過程中，開發(fā)出磁控窄間隙TIG焊接技術(shù)[9]。采用磁控窄間隙TIG焊接中厚板鈦合金具有較好的應(yīng)用前景[10]。

本研究對30 mm和100 mm厚TC4鈦合金進(jìn)行磁控窄間隙TIG焊接工藝試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)跟蹤焊接過程。焊后分析接頭微觀組織，研究磁場對焊縫組織的影響。研究接頭典型缺陷，分析電弧擺動和電極位置對焊縫成形的影響，并測試接頭的力學(xué)性能，為厚板鈦合金磁控窄間隙TIG焊接工藝的優(yōu)化和工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑門C4鈦合金，通過真空電子束熔煉生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1所示。材料經(jīng)過軋制和熱處理，切割成尺寸為650mm×300mm×30mm和650mm×300 mm×100 mm的試板，并清潔試板表面及邊緣，用于后續(xù)焊接試驗(yàn)。填充材料采用與母材相同的材料制成，直徑2 mm。焊接過程不開坡口，試板間隙Δ=8～10 mm，焊縫背板采用永久成形墊，其材料與母材材料相同，成形墊厚度5～10 mm，見圖1。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy %

圖1 TC4鈦合金磁控窄間隙TIG焊接接頭示意Fig.1 Schematic of the TC4 titanium alloy joint for magnetically controlled narrow-gap welding

采用由烏克蘭巴頓焊接研究所開發(fā)的磁控窄間隙TIG焊接設(shè)備，焊接過程如圖2所示，為了獲得良好的側(cè)壁熔合，在焊接過程中引入橫向磁場。電磁鐵心實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)體的功能并置于間隙中，當(dāng)電流通過電磁線圈時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)磁場，磁感線沿焊縫方向布置，使電弧橫向擺動。通過改變電磁線圈的電流極性，實(shí)現(xiàn)電弧在兩側(cè)壁上的周期性擺動，同時(shí)也調(diào)整電弧斑點(diǎn)在側(cè)壁上的位移。磁感應(yīng)強(qiáng)度為0～8mT，磁場的逆變頻率可以在1～80 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。采用具有圓柱形保護(hù)噴嘴的焊矩，并通過外加保護(hù)氣罩加強(qiáng)對焊接區(qū)域的保護(hù)。

圖2 磁控窄間隙TIG焊接過程示意Fig.2 Schematic of the magnetically controlled narrowgap welding process

在焊接過程中，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度來研究外加磁場對焊縫微觀組織的影響。并通過改變鎢極位置研究其對焊縫成形的影響。在垂直焊縫方向截取金相試樣，經(jīng)過打磨、腐蝕，使用金相顯微鏡觀察顯微組織形貌，并測試接頭力學(xué)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下焊接得到的接頭微觀組織如圖3所示，焊縫為典型的針狀馬氏體組織，呈現(xiàn)籃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 mT（即沒有焊接電弧擺動）時(shí)獲得的焊縫組織如圖3a所示，為平行分布、粗大的馬氏體組織。由于沒有外加磁場和電弧擺動，熔池?cái)嚢枳饔萌?，晶粒不斷長大，形成長而粗大的馬氏體。

圖3 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下所得焊縫的微觀結(jié)構(gòu)（400×）Fig.3 Microstructure of the welds made with different induction of controlling magnetic field(400×)

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為6 mT時(shí)，焊縫的組織為更為粗糙的馬氏體結(jié)構(gòu)。由于外加磁場對熔池的攪拌作用，在結(jié)晶前沿發(fā)生金屬周期性亞熔融，造成焊縫金屬凝固中的枝晶晶臂斷裂，成為新的形核核心，增大了非均勻形核率[11]，而攪拌抑制了晶粒的非均勻化生長，這種情況下的針狀馬氏體比無磁場情況下更短，如圖3b所示。

在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于6 mT時(shí)進(jìn)行焊接，焊縫組織更為均勻，如圖3c所示。焊縫中心和外圍都沒有粗糙的針狀馬氏體，而呈現(xiàn)更均勻的細(xì)針狀結(jié)構(gòu)組織。逆變頻率在20 Hz以上時(shí)，幾乎不影響焊縫金屬結(jié)構(gòu)中針狀馬氏體的長度。

窄間隙焊接時(shí)應(yīng)用磁控焊接電弧可以大幅減小焊縫金屬中針狀馬氏體的平均長度，獲得更均勻、結(jié)構(gòu)更精細(xì)的焊縫。

2.2 典型缺陷

窄間隙焊接工藝面臨的主要問題是獲得均勻熔化的側(cè)壁。窄間隙TIG焊接時(shí)，如果電弧沒有偏轉(zhuǎn)，易出現(xiàn)側(cè)壁熔合不良的缺陷。為了消除該典型缺陷，通過施加外部磁場實(shí)現(xiàn)電弧的擺動。焊接時(shí)，電弧在外加磁場作用下，受洛倫茲力作用發(fā)生周期性橫向擺動，如圖4所示。電弧交替地偏離間隙側(cè)壁時(shí)，熔池和側(cè)壁熔融金屬的攪拌和振蕩效果增強(qiáng)，從而避免側(cè)壁熔合不良[12-13]。

圖4 磁控窄間隙TIG焊接電弧擺動示意Fig.4 Schematic of the arc swing in magnetic field during welding process

無外加磁場和有外加磁場情況下，鈦合金窄間隙TIG焊接接頭間隙側(cè)壁和填充金屬區(qū)域如圖5所示。無外加磁場時(shí)，側(cè)壁與填充金屬間存在明顯的未熔合，而有外加磁場時(shí)該情況得到顯著改善。

圖5 鈦合金窄間隙TIG焊接接頭側(cè)壁和熔敷金屬區(qū)域Fig.5 Zoneof joint between the sidewall and cladded metal

焊接時(shí)由于熱循環(huán)的作用和本身的裝配誤差，實(shí)際的焊接路徑與理想路徑會產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致電極偏離間隙中心位置。電極偏離時(shí)，電極和側(cè)壁間距發(fā)生變化，引起通過側(cè)壁的電流變化，造成側(cè)壁熔透深度不均勻。間隙側(cè)壁電流占焊接電流的比例與側(cè)壁-電極距離的關(guān)系如圖6所示。

圖6 間隙側(cè)壁電流占焊接電流的比例與間隙-電極距離的關(guān)系（Z—側(cè)壁-電極距離；X—側(cè)壁電流所占比例）Fig.6 Relation between the current in the sidewall and the distance between the sidewall and the electrode

由圖6可知，靠近電極的側(cè)壁輸入的電流比例會上升，遠(yuǎn)離電極則會下降，電極位置偏離1 mm，可引起電流比例波動15%～25%。這會破壞間隙側(cè)壁熔化的均勻性，甚至引發(fā)缺陷。電極偏離間隙中心時(shí)焊縫成形情況如圖7所示，為避免出現(xiàn)側(cè)壁熔深不均勻，需要嚴(yán)格控制電極位置。

圖7 電極偏離間隙中心時(shí)焊縫成形情況Fig.7 Weld formation at the displacement of tungsten electrode from the central plane of joint

2.3 力學(xué)性能

分別測試30 mm和100 mm厚接頭的力學(xué)性能，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯宇^強(qiáng)度不低于母材的96%，性能優(yōu)異。

3 結(jié)論

（1）窄間隙TIG焊接時(shí)引入磁控電弧大幅減小了焊縫金屬中針狀馬氏體的平均長度，細(xì)化晶粒，獲得更均勻、結(jié)構(gòu)更精細(xì)的焊縫。

（2）受外加磁場控制的電弧擺動可以有效避免間隙側(cè)壁熔合不良問題，獲得穩(wěn)定的側(cè)壁熔合。

表2 TC4鈦合金母材及接頭的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of TC4 alloy and joints

（3）為獲得熔深均勻的側(cè)壁，需要嚴(yán)格控制電極中心位置位于間隙中心面上。

（4）采用磁控窄間隙TIG焊接獲得的30 mm和100 mm厚TC4鈦合金接頭力學(xué)性能良好。

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