【正文】 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(cè)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(duì)接接頭力學(xué)性能的重要指標(biāo)，它宏觀(guān)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)焊接接頭強(qiáng)度。 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(cè)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(guò)焊接電流的調(diào)整，所得到的焊接接頭的微觀(guān)組織沒(méi)有明顯的差別。 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(duì)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(guò) 180A電流下焊接得到的焊縫元素含量。 焊縫（ C 區(qū)域）填充金屬使用的是近 α鈦合金 Ti4Al2V，焊接過(guò)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(zhǎng)呈長(zhǎng)針狀， 如圖 312 所示 。 由于接頭各區(qū)域微觀(guān)組織的形成機(jī)理的差異，成分分布不均勻，組織類(lèi)型及分布也不一致 。 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 。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(gè)焊接層，也是聯(lián)生結(jié)晶的結(jié)果。 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(guān) 鈦合金 窄間隙 TIG 多層焊 接頭 晶粒生長(zhǎng)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(guò)渡，依次包括粗晶區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)等區(qū)域。熔池在經(jīng)歷了熔化，化學(xué)冶金等一些列復(fù)雜過(guò)程后迅速凝固形成牢固的焊縫，并在隨后的過(guò)程中繼續(xù) 發(fā)生 固態(tài)相變。 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。由于焊接過(guò)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(duì)相同焊接條件下的試件在不同深度位置處各取 6個(gè)拉伸試件，測(cè)量其平均抗拉強(qiáng) 強(qiáng)度。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(huì)有一定的提升。 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。 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。 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(huì)因?yàn)樗苄圆蛔愣鴮?dǎo)致開(kāi)裂。 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(duì)焊接高溫區(qū)進(jìn)行保護(hù)。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]。 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(zhǎng)陶瓷噴嘴三個(gè)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。 本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（ TC4）厚板，對(duì)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?jī)?yōu)良的接頭的同時(shí)，對(duì)接 頭性能進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步分析影響接頭性能的主要因素。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]。實(shí)驗(yàn)用板厚為 20mm，用 TIG打底， MIG填充的方法對(duì)鈦合金厚板進(jìn)行焊接。 氣孔是鈦及鈦合金在焊接時(shí)最常見(jiàn)的 焊接缺陷 [3]。深海探測(cè)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(cè)器制造的關(guān)鍵問(wèn)題。 圖 11 蛟龍?zhí)? 圖 12 國(guó)外一深海探測(cè)器 取得成績(jī)的同時(shí)我們也要看到差距，美國(guó) 1964 年建造的 “ 阿爾文 ” 號(hào)載人潛水器 即可 下潛到 4500m的深海；法國(guó) 1985 年研制成的 “ 鸚鵡螺 ” 號(hào)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(jí)水深的探測(cè)數(shù)千次。 narrowgap TIG。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 無(wú) 指導(dǎo)教師簽字 ___________________ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 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(jí)深海探測(cè)器制造過(guò)程中關(guān)于厚板鈦合金焊接的問(wèn)題，同時(shí)推動(dòng)厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門(mén)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 。 3) 焊接后接頭的組織分析與力學(xué)性能試驗(yàn)。 本課題的研究，對(duì)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)。 焊縫金相組織觀(guān)察和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn) ，優(yōu)化焊接參數(shù) 。力學(xué)性能測(cè)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 。 國(guó)際在線(xiàn)報(bào)道：中國(guó)國(guó)際廣播電臺(tái)環(huán)球資訊午間話(huà)題關(guān)注 “ 蛟龍 ” 號(hào)深海探測(cè)器突破 3700 米事件。如圖 13 所示，該潛水器是一個(gè)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。 如果鈦合金在無(wú)保護(hù)或者保護(hù)不良的情況下進(jìn)行焊接，焊接接頭會(huì)因?yàn)殚g隙元素的污染而導(dǎo)致接頭的脆化。 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(huì)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(guò)大是這種焊接方法一個(gè)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^(guò)大而使得接頭性能變差。 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。 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接 鑒 于此，提出一種利用手工氬弧焊，窄間隙條件下焊接厚板鈦合金的方法，并配以良好的惰性氣體保護(hù)措施。焊接前估計(jì)所使用焊接電流值 100A~300A，因此，所設(shè)計(jì)焊槍?xiě)?yīng)承受較大的焊接電流，這要求焊槍必須有良好的冷卻系統(tǒng) ； 窄間隙坡口是 窄而深的間隙，采用 TIG 焊的方法在窄間隙坡口條件下焊接，焊槍的氣體保護(hù)噴嘴必須深入到窄間隙坡口中，對(duì)焊接區(qū)充分的保護(hù)。焊接過(guò)程中，隨著溫度的升高，鈦從 250℃ 開(kāi)始吸氫， 400℃ 開(kāi)始吸氧， 600℃ 開(kāi)始 吸氮。如圖 25 所示為本課題設(shè)計(jì)的雙 U 形窄間隙坡口，坡口坡角小，窄而深，普通的拖罩根本無(wú)法深入其 中，而拖罩浮于試板表面時(shí)會(huì)造成坡口中氣體的紊流，使保護(hù)效果變差。 TC4（ Ti6Al4V） 鈦合金屬于 α+β鈦合金。鈦合金窄間隙焊接工藝的研究較少，并不確定雙 U形坡口的具體尺寸，因此本次焊接工藝試驗(yàn) 選用了兩種尺寸的雙 U形窄間隙坡口，坡口尺寸如圖 28a、 b所示，通過(guò)焊接過(guò)程中變形情況的測(cè)量和分析進(jìn)而確定最佳的坡口尺寸。 圖 210 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 焊接過(guò)程中，深入窄間隙坡口的 通氬銅管中氬氣流量很重要，焊接過(guò)程中氬氣流量過(guò)大，造成氣體在坡口間隙中的紊流，混入空氣而使保護(hù)效果變差；氬氣流量過(guò)小，同樣起不到良好的保護(hù)效果。本試驗(yàn)中所用 78mm厚鈦合金板，即使在窄間隙下焊接，接頭中還是會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力。 SME 成分分析 SME 試驗(yàn)時(shí)， 試 樣的制作過(guò)程與金相 試樣 相同，拋光后不經(jīng)過(guò)腐蝕，直接在電鏡下進(jìn)行觀(guān)察，本論文采用日本日立公司生產(chǎn)的掃 描電子顯微鏡（ Hitatchi S4700）進(jìn)行顯微組織觀(guān)察，并用 SME 所附帶的能譜分析裝置（ EDS）進(jìn)行由母材到焊縫的成分分析。 保護(hù)氣體含量的確定主要根據(jù)焊縫焊接后顏色確定。 關(guān)于焊接坡口尺寸的確定，在第 5章中進(jìn)行討論。 240A 電流下焊接，因?yàn)?熱 輸入較大的緣故 ， 接頭的范圍要稍寬一些。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 35 180A下宏觀(guān)金相 圖 36 240A下宏觀(guān)金相 圖 37 180A 下熱影響區(qū)的晶粒圖 圖 38 240A 下熱影響區(qū)的晶粒圖 厚板鈦合金在 TIG 焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬開(kāi)始凝固時(shí)，首先在熔合區(qū)處半熔化的晶粒處開(kāi)始向焊縫中生長(zhǎng)。純鈦在高溫情況下呈現(xiàn)完全的 β相，當(dāng)溫度降至 882℃ 度時(shí)，鈦會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即由體心立方 βTi→ 密排六方 αTi， αTi在 882℃ 以下穩(wěn)定，所以鈦在常溫下呈現(xiàn)完全的 α相組織。圖 39 同樣給出了連續(xù)冷卻時(shí)的相變情況，緩慢冷卻時(shí)， β→β+α ，增加冷卻速度會(huì) 出現(xiàn) ω 相， 再 增加冷卻速度，可以不發(fā)生相變得到室溫介穩(wěn)的 β相，或者得到 斜方結(jié)構(gòu)的 α’或者 α’’馬氏體相 ，鈦馬氏體是由高溫 β相無(wú)擴(kuò)散相變得到的 。 冷卻速度較慢時(shí)，如母材的加工過(guò)程， α相由 β相中析出，得到片 層 狀魏氏組織以及沿 β晶界析出的 α相。如圖 314所示，按照?qǐng)D中由 C區(qū)域到 I區(qū)域 的順序?qū)缚p分區(qū)域掃描合金元素含量，成分分析解如表 32所示。 3) 焊接過(guò)程中，因?yàn)槟覆牡娜刍沟煤缚p金屬中合金元素含量的升高，焊接電流越大 ， 焊縫熔合比越大。 圖 41 不同電流下的顯微硬度分布 由測(cè)試結(jié)果可知，接頭橫街面上的硬度分布不均勻，兩種電流下硬度變化規(guī)律大致相同，鈦合金母材的平均硬度達(dá)到 ，熱影響區(qū)硬度明顯升高，其中 240A電流下熱影響區(qū)最高硬度達(dá)到 349，較鈦合金母材高 %，分析認(rèn)為是由于焊接熱輸入的作用導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和生成的鈦馬氏體組織引起。 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 755 715 焊縫 740 700 焊縫 790 755 焊縫 795 755 。從母材到焊縫，每隔 測(cè)試一點(diǎn)硬度。由于在窄間隙坡口下焊接，焊接接頭熱影響區(qū) 沒(méi)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(diǎn) 。 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 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 焊縫區(qū)域成分分析 窄間隙坡口 TIG焊接過(guò)程中，因?yàn)楹附z采用的是合金含量較低的近 α鈦合金，焊接過(guò)程中因?yàn)榛烊肓四覆闹械暮辖鸪煞侄沟?焊縫 合金元素含量升高。 圖 310 焊接接頭各區(qū)域微觀(guān)組織 母材（ A 區(qū)域 ） TC4 鈦合金高溫時(shí)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(shí)，開(kāi)始由 β相向 α相轉(zhuǎn)變， α相呈密排六方結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴牧现泻?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(shí)呈現(xiàn) α+β 雙相組織。自高溫 β 相穩(wěn)定區(qū)冷卻下來(lái)， 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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 鈦合金 窄間隙 TIG 焊接接頭微觀(guān)組織分析 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(guò)程中會(huì)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)。 對(duì)比 180A 和 240A 兩種電流下熱影響區(qū)晶粒尺寸的大小，如圖 3 38 所示，其中 180A 下晶粒的平均尺寸為 ， 240A 晶粒的平均尺寸為 ，