【正文】 美國機(jī)械學(xué)會 等人嘗試在正確的參數(shù)下焊接 厚的法蘭盤 環(huán)焊縫 結(jié)構(gòu) (如圖 18 所示 )。 圖 15 40mm厚 TA2窄間隙焊接接頭 電子束焊接 電子束焊接以其能量密度高，焊接速度快，焊縫深寬比 大 等特點(diǎn)，特別適合于厚板的焊接。 采用 MIG焊時(shí)，開坡口如圖 14。 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)深潛器的壁厚為 90mm，厚板材料在焊接時(shí)必然會引起較大的 焊接 應(yīng)力和變形，而且 厚板材料焊接時(shí)常加工成 U 形或 V 形坡口，以多層多道焊的方式進(jìn)行焊接 ，填充金屬量過大是這種焊接方法一個很大的不足 [4]，不僅浪費(fèi)了焊接材料，而且因?yàn)闊彷斎肓窟^大而使得接頭性能變差。 鈦合金焊接接頭中的氣孔主要分為兩類，在焊接熱輸入較大時(shí)熔合線附近形成氣孔，在焊接熱輸入較小時(shí)焊縫中部產(chǎn)生氣孔。 如果鈦合金在無保護(hù)或者保護(hù)不良的情況下進(jìn)行焊接，焊接接頭會因?yàn)殚g隙元素的污染而導(dǎo)致接頭的脆化。 本課題的研究，正是致力于深海探測器制造過程中鈦合金焊接技術(shù)的開發(fā)。如圖 13 所示，該潛水器是一個直徑約為 2m，壁厚 90mm的球形容器，由 12 塊弧瓣 形 鈦合金板拼焊而成。 中國載人深海探測 這條路任重而道遠(yuǎn)。 國際在線報(bào)道：中國國際廣播電臺環(huán)球資訊午間話題關(guān)注 “ 蛟龍 ” 號深海探測器突破 3700 米事件。 microstructure。力學(xué)性能測試表明，窄間隙接頭因嚙合強(qiáng)化而使得接頭強(qiáng)度得到提高 ，而且隨著電流的增大，焊縫熔合比的增大使得接頭性能進(jìn)一步提高 。 本文采用 TIG 電弧焊方法，窄間隙條件下多層焊的方 式，以 Ti4Al2V 為填充焊絲，對厚板 TC4 鈦合金進(jìn)行了焊接。 焊縫金相組織觀察和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn) ，優(yōu)化焊接參數(shù) 。 4) 對焊接試板焊接過程中焊接變形與焊接溫度場的測量和分析。 本課題的研究，對于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中厚板鈦合金的焊接提供了奠定了必要的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。研究窄間隙條件下焊接厚板鈦合金的工藝及接頭的組織性能，優(yōu)化焊接參數(shù)，得到性能更為優(yōu)良的接頭。 3) 焊接后接頭的組織分析與力學(xué)性能試驗(yàn)。 正式焊接 78mm 厚 鈦合金板，焊接工藝 的初步確定 。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 無 指導(dǎo)教師簽字 ___________________ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字 ___________________ 年 月 日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 解決 4500mm級深海探測器制造過程中關(guān)于厚板鈦合金焊接的問題，同時(shí)推動厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，提出窄間隙條件下 TIG 焊，作為一種 高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法 。 通過微觀金相分析，明晰了窄間隙焊接條件下晶粒生長規(guī)律與組織特征 ，發(fā)現(xiàn)電流變化對于晶粒和 組織影響甚微 。 narrowgap TIG。這種 勘探 要求大額投入和尖端技術(shù)， 這 是 中國發(fā)展深海探 測 一個繞不過去的坎兒。 圖 11 蛟龍?zhí)? 圖 12 國外一深海探測器 取得成績的同時(shí)我們也要看到差距，美國 1964 年建造的 “ 阿爾文 ” 號載人潛水器 即可 下潛到 4500m的深海；法國 1985 年研制成的 “ 鸚鵡螺 ” 號潛水器最大下潛深度可達(dá) 6000m；我們的鄰居俄羅斯和日本已經(jīng)完成了深海 6000m 級水深的探測數(shù)千次。項(xiàng)目計(jì)劃 開發(fā) 在水下 4500 米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。深海探測器的設(shè)計(jì)厚度是 90mm，因此如何完成厚板鈦合金的焊接，成為深海探測器制造的關(guān)鍵問題。 厚板鈦合金焊接性分析 常溫下鈦合金因表面氧化膜的作 用而保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性能，在焊接高哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 溫下，鈦合金表面氧化膜變得疏松，使鈦與氫、氧、氮的反應(yīng)速度加快，降低了焊接接頭的塑韌性 。 氣孔是鈦及鈦合金在焊接時(shí)最常見的 焊接缺陷 [3]。 一般來說，電子束焊接氣孔最多，等離子最少，氬弧焊趨于中間 。實(shí)驗(yàn)用板厚為 20mm，用 TIG打底， MIG填充的方法對鈦合金厚板進(jìn)行焊接。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用窄間隙 TIG 的方法可以得到無缺陷的焊縫，焊接接頭性能良好 ，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接接頭因?yàn)檎g隙條件焊接，使得接頭的強(qiáng)度較常規(guī)坡口焊接條件下下強(qiáng)度高 [6]。當(dāng)控制聚焦電流使電子束焦點(diǎn)落在工件表面附近一定區(qū)域內(nèi)時(shí) ， 焊接熔深 、 熔寬和焊縫寬度 比值隨著 焦點(diǎn)位置 的不同 表現(xiàn)出不同值，而 后隨著焦點(diǎn)位置的上移或下移 ， 焊接熔深和深寬比 H/B不斷減小 ， 熔 寬和焊縫寬度不斷增加 [7]。 圖 18 結(jié)構(gòu)上方的環(huán)焊縫 圖 19 雙側(cè)焊接的建立 分析上述 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在焊接厚板鈦合金方面 電子束焊接 是比較有優(yōu)勢的焊接方法 ，電子束焊接具有焊接速度高，焊接變形小，熱效率高等一系列優(yōu)點(diǎn) [9]，特別適合于厚板活潑金屬的焊接，但焊接生產(chǎn)成本高，且試件尺寸受真空室限制 [1011]；相比之下，采用氬弧焊的方法，工藝簡單，操作靈活，可以有效解決大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)問題 [1213]， 如果是以 開 V 形坡口 ， 多層多道方式焊接厚板鈦合金 ，焊接效果并不理想 ， 以窄間隙 TIG 的方式焊接厚板鈦合金板有一定的借鑒意義，但是必須在良好的保護(hù)下進(jìn)行焊接。 本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（ TC4）厚板，對厚板鈦合金的焊接工藝進(jìn)行深入研究，探究最優(yōu)的焊接參數(shù)和提高焊接接頭強(qiáng)度的有效途徑，得到質(zhì)量優(yōu)良的接頭的同時(shí)，對接 頭性能進(jìn)行測試，進(jìn)一步分析影響接頭性能的主要因素。首先，鈦合金焊接時(shí)晶粒長大傾向并不明顯，同時(shí)為保證窄間隙多層焊時(shí)側(cè)壁 熔 合良好，宜采用較大的熱輸入。 綜合考慮上述因素，抓住所設(shè)計(jì)焊槍冷卻好、質(zhì)量輕及細(xì)長陶瓷噴嘴三個主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了適合于窄間隙、大電流下焊接的焊槍。但在溫度升高過程中，鈦對氫、氧和氮的吸收能力不斷加強(qiáng) [16]。因此，在鈦及鈦合金的焊接中，必須使用氬氣進(jìn)行大范圍保護(hù)或 置于 真空環(huán)境中，以防止大氣污染 [16]。拖罩是敞開 式鈦合金焊接時(shí)最常用，也是最有效的保護(hù)措施，但是拖罩并不是適用于窄間隙 坡 口下的焊接 。 圖 26 保護(hù)方案示意圖 實(shí)際上這種 “ 拖罩 ” 是一只 通有氬氣的銅管，深入坡口中，跟隨焊槍對焊接高溫區(qū)進(jìn)行保護(hù)。 a）保護(hù)銅管 b）拖罩 c）拖罩內(nèi)部 圖 27 保護(hù)裝置 試驗(yàn)材料和坡口 本實(shí)研究過程中所用的母材為 TC4（ Ti6Al4V） 鈦合金，厚度 78mm。 本試驗(yàn)所用填充材料可以選擇與母材同質(zhì)的 TC4鈦合金焊絲，考慮到厚板結(jié)構(gòu)焊接后接頭應(yīng)力水平較高， 接頭 可能會因?yàn)樗苄圆蛔愣鴮?dǎo)致開裂。 表 21 TC4 鈦合金 與 Ti4Al2V焊絲 化學(xué)成分表 (wt.%) 材料 Ti Al V Fe C N H O TC4 基 Ti4Al2V 基 試驗(yàn)所用板材和焊絲由陜西省寶雞鈦業(yè)股份有限公司提供，試板尺寸 為377mm98mm78mm的 TC4鈦合金板（多對）。 a）焊槍 b）保護(hù)銅管 c）背側(cè)保護(hù) 圖 29 試驗(yàn)中的保護(hù)裝置 本實(shí)驗(yàn)中采用普通直流 TIG 焊機(jī)，在室溫條件下，采用直流電流進(jìn)行焊接。整個焊接系統(tǒng)的 示意圖如圖 210所示。 采用多層焊的方式，層間溫度控制在 100℃ 以下，焊接平均速度 10cm/min，單層填充金屬厚度約為 3mm。min1） 120300 8 1020 10 厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)拘束度大，焊接殘余應(yīng)力較高，應(yīng)力集中較大。在此溫度下退火的目的是消除應(yīng)力，并不能改變接頭組織，但接頭的性能會有一定的提升。微觀金相試件經(jīng)過磨平、拋光、腐蝕、清洗等步驟處理后，在金相顯微鏡 （ OM）下觀察 接頭 各區(qū)域的組織。由于焊接過程中采用手工焊的方式進(jìn)行焊接，導(dǎo)致接頭性能并不均勻，因此本論文對相同焊接條件下的試件在不同深度位置處各取 6個拉伸試件，測量其平均抗拉強(qiáng) 強(qiáng)度。 圖 212 拉伸試件尺寸圖 a）拉伸前 b）拉伸后 圖 213 拉伸試件實(shí)物圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第 3 章 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭顯微組織分析 本次試驗(yàn)中，選擇了兩種坡口尺寸，四種電流參數(shù)和 一系列變化的保護(hù)氣體流量，通過多組的焊接試驗(yàn)，以 確定最佳的焊接參 數(shù)。 圖 31 120A下未融合現(xiàn)象 圖 32 300A下出現(xiàn)裂紋 在 180A和 240A下焊接試板焊接效果良好。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 a） 焊縫 表面成形 b） 焊縫側(cè)面成形 圖 33 焊縫成形 在本章主要對 180A和 240A兩種電流條件下焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察分析。熔池在經(jīng)歷了熔化，化學(xué)冶金等一些列復(fù)雜過程后迅速凝固形成牢固的焊縫，并在隨后的過程中繼續(xù) 發(fā)生 固態(tài)相變。從宏觀 金相 上并沒有發(fā)現(xiàn) 兩種電流參數(shù)下 斷面 形貌上的區(qū)別。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 34 焊縫宏觀 鈦合金 窄間隙 TIG 多層焊 接頭 晶粒生長規(guī)律 常規(guī)坡口條件下的焊接接頭熱影響區(qū)，從熔合區(qū)向 母材過渡，依次包括粗晶區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)等區(qū)域。 兩種電流下晶粒的尺寸相當(dāng)， 且未呈現(xiàn)常規(guī)接頭中粗晶現(xiàn)象， 這與材料的性能有關(guān)， TC4 鈦合金合金元素含量較高，即使在 較大熱輸入下晶粒長大的傾向 也較小 [3]，其次多層多道方式窄間隙焊時(shí)，焊層較薄，后一層焊縫對前一層焊縫的正火作 用往往更徹底，使得熱影響區(qū)相當(dāng)于進(jìn)行了多次正火處理，而使得晶粒尺寸均勻。相似的情形出現(xiàn)在多層焊的層間，可以看到許多晶粒貫穿多個焊接層，也是聯(lián)生結(jié)晶的結(jié)果。鈦及其合金在常溫下有兩種同素異構(gòu)晶體，密排六方結(jié)構(gòu)的 相 稱為 α 相，體心立方結(jié)構(gòu)的 相 稱為 β 相。 TC4的相變溫度，即 β轉(zhuǎn)變溫度 996℃ ，在此溫度下將發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。如圖 39 所示，在 T3 溫度下轉(zhuǎn)變得到 β+α相；當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度為 T2 時(shí)，發(fā)生β→β+ω → β+α+ω→β+α 的轉(zhuǎn)變，其中 ω為中間相；若在 T1 溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變， 發(fā)生β→β+ω 的轉(zhuǎn)變。 由于接頭各區(qū)域微觀組織的形成機(jī)理的差異，成分分布不均勻，組織類型及分布也不一致 。 而且 通過不同的冷卻速度，可以得到不同金相形態(tài)的 α相 [19]。 焊縫（ C 區(qū)域）填充金屬使用的是近 α鈦合金 Ti4Al2V，焊接過程中混入少量的母材成分，雖然冷卻速度很快，但是 β相穩(wěn)定元素（ V）含量較少，組織主要是 α相，少量 β相 ， 其中 α相因?yàn)槔鋮s速度較快被拉長呈長針狀， 如圖 312 所示 。 本次試驗(yàn)中，利用掃描電鏡 （ SME）附帶的能譜分析（ EDS）系統(tǒng)，在焊縫的切向方向上對合金元素鋁和釩的含量進(jìn)行分析。 圖 316 180A下焊縫 A、 B區(qū)域的能譜分析結(jié)果 圖 317 240A下焊縫 A、 B區(qū)域能譜分析 結(jié)果 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 表 33 不同電流下焊縫能譜分析結(jié)果 wt（ %） 元素 A B 180A電流下 Ti Al V 240A電流下 Ti Al V 對比不同電流下焊縫合金元素 Al和 V的含量可知，在 240A下焊接得到的焊縫中合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要超過 180A電流下焊接得到的焊縫元素含量。 2) 焊接所用母材 TC4鈦合金為典型的雙相鈦合金，自高溫冷卻過程中，隨著冷卻速度的不同， 可以得到不同金相形態(tài)的 α相，其中母材為平衡態(tài)的雙相鈦魏氏組織，熱影響區(qū)因?yàn)槔鋮s速度過快而形成了網(wǎng)籃組織或正交鈦馬氏體組織。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第 4 章 厚板 鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭力學(xué)性能測試 本試驗(yàn)中采用 窄間隙 TIG多層焊的方式獲得了 完整 的厚板鈦合金窄間隙接頭，試驗(yàn)中最主要的焊接參數(shù)是焊接電流，通過焊接電流的調(diào)整，所得到的焊接接頭的微觀組織沒有明顯的差別。接頭 橫截面 上硬度分布規(guī)律如圖 41所示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 42 硬度測試壓痕 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭強(qiáng)度 接頭的抗拉強(qiáng)度是衡量對接接頭力學(xué)性能的重要指標(biāo)，它宏觀反映了接頭的力學(xué)性能，在鈦合金窄間隙條件下，由于坡口的特殊性及鈦合金熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，使得接頭的強(qiáng)度要高于常規(guī)焊接接頭