【正文】 材應(yīng)力變形大等問題[15]。試驗方案提出焊接厚板鈦合金的方法為窄間隙TIG多層焊?？紤]到上述因素，所設(shè)計焊槍的體積越小越好，盡可能的輕質(zhì)，以減輕焊工的勞動強(qiáng)度，保證焊接質(zhì)量。圖23 整體焊槍設(shè)計圖常溫下鈦表面鈍化層（氧化膜）的致密性極強(qiáng)，使得鈦非常穩(wěn)定。此時焊縫及熱影響區(qū)會因吸收空氣中的氮和氧而導(dǎo)致塑性下降。鈦合金敞開式焊接依靠焊炬噴嘴、拖罩（圖24所示）和背面保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)[3]。圖24 焊槍與拖罩圖25 雙U形窄間隙坡口針對于本課題雙U形窄間隙坡口，設(shè)計了一種能夠深入坡口中的“拖罩”（圖26所示）。蓋面時所使用拖罩的設(shè)計也具有突出的特點，拖罩前部的弧形結(jié)構(gòu)，可以更好的貼合焊槍噴嘴，給予焊接區(qū)最充分的保護(hù)；整個拖罩分為兩部分，兩部分有獨立的供氣系統(tǒng)（如圖27b所示），前部分氣室較?。ㄈ鐖D27c所示），可以使氣流更集中，這對于焊接試板邊緣特別有意義，可以更好的保護(hù)試板邊緣，即在沒有引弧板的情況下也可以達(dá)到良好的焊接效果；拖罩內(nèi)的銅網(wǎng)使氣體更均勻的噴出。其退火后平衡組織以α相為主，β相含量通常930%。因此近α鈦合金具有較好的強(qiáng)度和塑韌性，其塑韌性要好于TC4，其成分見表21。 試驗設(shè)備及方法 試驗設(shè)備根據(jù)厚板鈦合金窄間隙焊接特點，設(shè)計和制造了具有質(zhì)量輕、冷卻好、可深入窄間隙坡口內(nèi)焊接等特點的焊槍以及窄間隙下特殊的保護(hù)裝置，如圖29a、b、c所示。將試件置于工作臺上，背面用鋁箔封好后通氬氣保護(hù)。為了確定窄間隙鈦合金焊接的最佳電流參數(shù)，同時研究不同電流參數(shù)對于焊接接頭組織和性能的影響，根據(jù)已有文獻(xiàn)和經(jīng)驗，確定電流的大致范圍在100A~300A，本試驗中分別在120A、180A、240A和300A條件下進(jìn)行鈦合金窄間隙TIG焊接試驗，焊接工藝試驗的相關(guān)參數(shù)如表22所示。min1）背側(cè)氣體流量q（L本試驗中對焊接后的試板進(jìn)行真空退火處理，熱處理規(guī)范：真空條件下650℃保溫2h，隨爐冷卻。圖211 測溫原理圖 微觀組織分析為了觀察接頭各區(qū)域的金相組織，通過電火花線切割機(jī)對不同條件下焊接形成的試件接頭取樣，制作金相試件，宏觀金相試件經(jīng)過精銑，砂紙打磨，機(jī)械拋光后腐蝕得到，可以直接觀察到焊縫與熱影響區(qū)。本論文采用拉伸試驗測試接頭的抗拉性能，評價接頭的結(jié)合強(qiáng)度。拉伸試驗前后的實物圖如圖213所示。表31 焊接保護(hù)氣體流量位置焊槍銅管/拖罩背側(cè)氣體流量8L/min15L/min7L/min在120A電流下焊接，可以得到外觀完整的接頭，但經(jīng)過超聲探傷后發(fā)現(xiàn)有未融合，在后續(xù)的拉伸試件斷口中的確發(fā)現(xiàn)了未熔合現(xiàn)象，120A電流過小，熱輸入量不足，窄間隙坡口側(cè)壁熔合困難；在300A電流下焊接，焊接效果不夠理想，首先，在如此大的電流焊接，鎢極燒損嚴(yán)重，易造成焊縫夾鎢，其次惡劣的焊接條件影響焊工的操作，再次，過大的熱輸入勢必導(dǎo)致接頭中應(yīng)力過大，焊縫及熱影響區(qū)晶粒粗大，性能變差，試驗中我們發(fā)現(xiàn)了有焊縫開裂的現(xiàn)象。焊縫側(cè)面和表面成形如圖33a、b所示。鈦合金窄間隙TIG多層焊焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)三個部分組成。圖34為在焊接接頭整體的宏觀，從圖中可以清楚的看到母材到熱影響區(qū)再到焊縫的過渡，焊接層數(shù)以及熱影響區(qū)的范圍。焊接從接頭的宏觀金相中可以看到，窄間隙下焊縫和熱影響區(qū)的尺寸都較小，最寬處不過20mm，因此焊接造成的不利影響也相應(yīng)的減小。對比180A和240A兩種電流下熱影響區(qū)晶粒尺寸的大小，如圖338所示， 240A下晶粒尺寸稍大，是由于焊接熱輸入較大的原因造成的。從圖336宏觀金相中可以很容易辨別出焊縫區(qū)域，兩側(cè)為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)部分晶粒局部熔化，晶粒直接從熔池壁上結(jié)晶，并沿著母材晶粒同一軸向生長，即聯(lián)生結(jié)晶，外延生長，不是每個晶粒都能順利的長大到焊縫中心，只有那些結(jié)晶取向與溫度梯度方向相同的晶粒才能持續(xù)長大，即晶粒在競爭中成長。 鈦及鈦合金同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鈦及鈦合金在加熱和冷卻過程中會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鈦及其合金相變的基礎(chǔ)。本次試驗中所使用的母材TC4（Ti6Al4V）鈦合金是典型的雙相鈦合金，在鈦中添加了α穩(wěn)定元素Al和β相穩(wěn)定元素V，因此在室溫下呈現(xiàn)雙相組織。自高溫β相穩(wěn)定區(qū)冷卻下來，β相若在等溫條件下轉(zhuǎn)變，在不同的等溫溫度下得到不同的相變產(chǎn)物。現(xiàn)以240A電流下接頭的顯微組織為例，對鈦合金窄間隙TIG焊接條件下接頭組織轉(zhuǎn)變規(guī)律進(jìn)行說明。圖310 焊接接頭各區(qū)域微觀組織母材（A區(qū)域）TC4鈦合金高溫時是完全β相組織，體心立方晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度降至約996℃時，開始由β相向α相轉(zhuǎn)變，α相呈密排六方結(jié)構(gòu)，因為材料中含有β相穩(wěn)定元素，不可能發(fā)生完全的α相轉(zhuǎn)變，冷卻至室溫時呈現(xiàn)α+β雙相組織。圖311 母材顯微組織圖312 焊縫顯微組織當(dāng)高溫β相以較快的速度冷卻下來時，含β相穩(wěn)定元素的合金易得到一種網(wǎng)籃狀組織，冷卻速度進(jìn)一步加快時，β相分解以非形核方式長大，發(fā)生無擴(kuò)散馬氏體相變，生成針狀六方α’相及正交馬氏體相。a）網(wǎng)籃狀組織b）針狀鈦馬氏體圖313 熱影響區(qū)的顯微組織窄間隙坡口TIG焊接過程中，因為焊絲采用的是合金含量較低的近α鈦合金，焊接過程中因為混入了母材中的合金成分而使得焊縫合金元素含量升高。圖315 Al、V元素含量隨焊縫位置不同的變化為的對比電流在180A和240A兩種情況下焊縫合金元素Al、V以及基體元素Ti的分布，同時排除局部區(qū)域元素分布不均勻?qū)Ρ冉Y(jié)果造成的不良影響，在相同放大倍數(shù)下截取焊縫相同位置的圖片，進(jìn)行整體區(qū)域能譜分析，兩種電流下掃描區(qū)域如圖314所示A和B區(qū)，掃描結(jié)果如表33所示。由于在窄間隙坡口下焊接，焊接接頭熱影響區(qū)沒有明顯的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)，晶粒尺寸均勻，熱影響區(qū)尺寸十分很窄只有約3mm，這些體現(xiàn)了窄間隙條件下焊接的特點。母材中合金元素進(jìn)入焊縫后呈現(xiàn)梯度分布。從母材到焊縫。硬度測試的壓痕（500x）如圖42所示。表41 180A電流下焊縫的拉伸強(qiáng)度焊接電流抗拉強(qiáng)度σb（MPa）屈服強(qiáng)度σs（MPa）非標(biāo)準(zhǔn)延伸率A（%）斷裂位置180A電流下沿厚度方向從焊縫表面到根部依次取樣755715焊縫740700焊縫790755焊縫795755焊縫790740焊縫765720焊縫表42 240A電流下焊縫的拉伸強(qiáng)度焊接電流抗拉強(qiáng)度σb（MPa）屈服強(qiáng)度σs（MPa）非標(biāo)準(zhǔn)延伸率A（%）斷裂位置240A電流下沿厚度方向從焊縫表面到根部依次取樣765710焊縫760710焊縫785740焊縫800755焊縫805755焊縫785740焊縫綜合來看不同電流下的強(qiáng)度測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，不論是在何種電流條件下材料的抗拉強(qiáng)度隨著取樣的位置不同而變化，焊縫單側(cè)U形坡口的中下部的強(qiáng)度達(dá)到最高，其中180A電流下最大強(qiáng)度795MPa，240A電流下最大強(qiáng)度805MPa，分析強(qiáng)度變化原因，是因為多層焊焊接過程中，后層焊縫覆蓋在前一層焊縫的上部，并產(chǎn)生相互的熱作用，后一層焊縫對前一層焊縫有熱處理作用，而前一層焊縫可以對后一層焊縫產(chǎn)生預(yù)熱的作用。分析上述變化原因，在前一章中分析得出不同電流參數(shù)下晶粒尺寸相當(dāng)，接頭組織沒有明顯變化，但是在大電流下焊接熱輸入大，焊縫的熔合比變大，焊縫中混入了更多母材中的合金元素成分，強(qiáng)度得到的提升。在外加載荷作用下，接頭組織相互交錯，發(fā)生嚙合，焊縫機(jī)械性能得到提高。圖44a所示為焊縫斷口處的宏觀形貌，斷口周圍有明顯的塑性變形的痕跡，斷口表面粗糙，灰暗無光澤。a）宏觀斷口b）斷口周圍的塑性變形圖44 斷口形貌本章主要研究鈦合金窄間隙TIG焊接接頭的力學(xué)性能，包括焊接接頭的顯微硬度、拉伸性能等，得出以下結(jié)論：1) 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭的顯微硬度隨著接頭區(qū)域的不同而變化，其中熱影響區(qū)因為晶粒長大和鈦馬氏體組織出現(xiàn)而使硬度最高，焊縫中因為混入母材的成分而使硬度有所提升。斷口周圍有明顯的塑性變形痕跡，斷口表面灰暗，微觀形貌特征為韌窩，屬于韌性斷裂。理論上，窄間隙坡口的尺寸越小，由于焊接加工過程對結(jié)構(gòu)造成的影響就越小，但是坡口的尺寸不可能無限制的減小，焊接過程中要考慮諸多方面的因素，例如坡口的形式，焊接位置的可達(dá)性等。圖51 小尺寸坡口圖52 大尺寸坡口為了更好的控制厚板鈦合金焊接過程中的變形，本實驗選擇了對稱雙U形坡口，目的是通過正反面交替焊接使焊接試板在焊接結(jié)束后保持平行。圖53 試板橫行收縮導(dǎo)致陶瓷噴嘴無法深入坡口中焊接在圖52所示坡口尺寸下焊接時，所用陶瓷噴嘴的外徑為10mm，保證了焊接過程的順利進(jìn)行，形成完整的接頭。的窄間隙坡口最適合于78mm厚鈦合金板窄間隙TIG焊接。通過對每層焊接后坡口頂端尺寸的測量，繪制成78mm厚鈦合金板窄間隙TIG焊焊接過程變形曲線如圖55所示。在整個焊接過程中，任意時刻的坡口尺寸都未小于11mm，這保證了焊槍陶瓷噴嘴深入到坡口之中，還有一定的擺動余地，焊接過程順利進(jìn)行。如圖57所示。焊接過程中使用的焊接參數(shù)與焊接78mm厚鈦合金板焊接參數(shù)完全一致，目的是完全模擬雙邊U形坡口在焊縫根部的溫度場。圖513 2熱電偶各焊接層測溫曲線對比根據(jù)鈦合金焊接時保護(hù)的原則，當(dāng)金屬溫度降至200℃以下時，可以撤銷保護(hù)。焊接過程中采用兩側(cè)交替焊接控制角變形。結(jié) 論本論文對厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝進(jìn)行了研究，獲得了以下主要結(jié)論：1) 通過窄間隙TIG焊接技術(shù)可以實現(xiàn)厚板鈦合金的優(yōu)質(zhì)連接，焊接電流在180A~240A是可以滿足焊接熱量要求，焊縫成形良好，無損檢驗未發(fā)現(xiàn)缺陷。3) 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接過程中，焊縫沿厚度方向上的強(qiáng)度分布并不均勻，焊縫中下部強(qiáng)度呈現(xiàn)最大值。宏觀斷口表面灰暗，微觀形貌特征為韌窩，屬于韌性斷裂，可以看到斷裂沿β晶界、α域界或α片層發(fā)生。參考文獻(xiàn)[1] 周水亮,陶軍,杜欲曉等. 細(xì)晶粒鈦合金薄板TIG焊溫度場分析[J].焊接學(xué)報，2010（12）：33~36.[2] 蔣成禹,汪汀,[J].7(6):16~20.[3] [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：589.[4] , , . 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