【正文】 。本課題所焊球體不適于在充有惰性氣體的箱內(nèi)焊接，而敞開式焊接時必須施以保護措施。 焊接試板的背面同樣需要保護，設(shè)計利用單側(cè)帶膠的鋁箔貼于試板背側(cè)（如圖 26 所示），將坡口封閉成密閉空腔，也同樣通氬氣保護。近 α鈦合金是 α固溶體和少量 β相 （ 2%8%） 組成，保留了 α合金與 α+β雙相合金 的許多優(yōu)點 [17]。 窄間隙 TIG 多層焊 實驗前，在一對鈦板上加工雙 U形窄間隙坡口，并用細砂紙打磨坡口附近和焊絲表面氧化膜，再用丙酮清洗， 清除 母材和焊絲表面油污。min1） 銅管氣體流量 q（ L本論文對鈦合金窄間哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 隙條件下焊接的焊接溫度場進行測量，利用熱電偶對工件上某些點溫度進行采集，計算機繪制測溫曲線，測溫系統(tǒng)原理圖如 圖 211所示。在 INSTRON1599電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，橫梁移動速度 。無損檢測，焊接后試板進行100%RT探傷，評定標(biāo)準(zhǔn) JB/， I極合格。這一系列變化都會影響焊接接頭的性能。 由于本試驗在窄間隙條件下焊接，熱影響區(qū)各區(qū)域的劃分并不明顯，圖 336 分別為 180A 和 240A 下焊接接頭的局部宏觀金相照片，可以看到接頭 焊縫中晶粒粗大的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，緊鄰焊縫的熱影響區(qū)并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的粗晶區(qū)和細晶區(qū)，熱影響區(qū)晶粒較母材晶粒稍大，呈現(xiàn) 等 軸 均勻的狀態(tài) ， 熱影響區(qū) 兩側(cè)各約為 3mm，再外側(cè)區(qū)域的晶粒與母材無異。但隨著熔池的散熱條件的不同，溫度梯度的方向發(fā)生了改變，晶粒生長方向也發(fā)生了改變，最終呈現(xiàn)出如焊縫區(qū)域所示彎曲晶粒狀 。 TC4 鈦合金在不同溫度條件下的相變特點 鈦合金中 β 相穩(wěn)定元素含量及冷卻速度對 β 相變有著重要意義。 從圖 中 可以看出，因為焊接熱循環(huán)而使焊接熱影響區(qū)的組織區(qū)別于母材。兩種形態(tài)的組織沒有本質(zhì)的 區(qū)別 ，只是冷卻速度不同造成 α相形態(tài)不同。 本章小結(jié) 本章主要研究鈦合金窄間隙 TIG焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)，包括晶粒的生長規(guī)律、顯微組織形成機理以及焊縫成分的分析等，得出以下結(jié)論： 1) 窄間隙 TIG焊接焊縫為粗晶粒狀的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，晶粒生長符合聯(lián)生結(jié)晶 、 競爭生長的規(guī)律。 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭的顯微硬度分布 對 180A和 240A焊接電流條件下 的焊接接頭取樣，磨平，在顯微維氏硬度試驗機上進行顯微硬度 試驗， 加載力 500g，保壓時間 10s。沿焊縫厚度方向，在半 邊 U形焊縫上，從焊縫表面到焊縫根部等距選取 6個拉伸試件，測試結(jié)果如表 4 42所示。焊縫 區(qū)域的金屬為 Ti4Al2V，硬度較低，因為混入了母 材的成分，而使得硬度有所提高，不同電流下焊縫金屬的硬度相當(dāng) 。其中在大電流 240A下焊接得到的焊縫中 Al元素的含量要超過小電流 180A下得到焊縫合金元素含量的 20%。 圖 314 EDS分析區(qū)域示意圖 表 32 焊縫分區(qū)域元素掃描含量 wt（ %） 元素 C D E F G H I Al V 將表 32中各元素含量繪制成圖 315中曲線， 從圖 315中可以看到窄間隙 TIG多層焊時母材向焊縫中元素過渡的規(guī)律，所用母材的合金元素（ Al和 V）的含量要高于焊絲中含量，焊接過程中，部分母材熔化，從焊縫邊緣至焊縫中間 Al和 V的含量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，分析這種變化的原因是由于金屬熔化后，合金元素由母材向焊縫中心擴散需要需要時間，金屬凝固時間短，元素來不及均勻化，因此呈現(xiàn)元素梯度分布，其中 Al元素的減少趨勢很明顯，而 V元素在整體減少的趨勢中有波動，分析原因 V元素本身含量較少，焊接過程中各種力對熔池 的攪拌作用使得 V元素分布的并 不 呈現(xiàn)嚴格的單調(diào)趨勢。圖 311 可以看出母材是由 α相和 β相組成的混合 組織 ，沿 β晶界有 α鑲邊，在一束范圍內(nèi)，各 α相是平行的，有共同的晶體學(xué)取向，各 α相由 β中間層分開。 圖 39 鈦合金 TTT 等溫轉(zhuǎn)變示意圖（在 β穩(wěn)定元素含量較多的情況下） [19] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭微觀組織分析 對 比不同電流下焊縫顯微組織，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過焊接熱循環(huán)接頭形成的組織相同 。而鈦合金中，由于加入了 α或者 β 穩(wěn)定元素，使得有一些鈦合金在常溫下 也存在 β 相，形成所謂的雙相鈦合金。因為熔池壁和焊縫金屬具有相似的化學(xué)成分，相同的晶格類型，因而特別適宜作為金屬結(jié)晶的現(xiàn)成表面，對結(jié)晶最為有利。 由于焊接熱影響區(qū)不同部位所受熱作用的不一致性，造成其內(nèi)部組織和性能的分布極不均勻，焊縫是由熔化金屬凝固形成的鑄態(tài)組織，過寬的焊縫和熱影響區(qū)可能會導(dǎo)致接頭的性能變差。 在本章，主要 對 鈦合金窄間隙下焊接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)進行討論和分析，主要包括三個方面的內(nèi)容：首先，對鈦合金窄間隙 TIG 多層焊焊接接頭晶粒生長特征的分析，研究不同電流參數(shù)下晶粒尺寸的差異；其次，研究鈦合金焊接接頭各區(qū)域微觀組織以及形成機理；最后，結(jié)合能譜分析（ EDS）進行由母材到焊縫的組織成分分析，對比不同電流參數(shù)下熔合比的變化，并結(jié)合 接頭強度分析，研究在鈦合金窄間隙下焊接接頭特有的嚙合強化機理。如表 31所示保護氣體流量保證了焊接后焊縫呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，達到一級焊縫水平。 力學(xué)性能測試 硬度測試 為分析接頭區(qū)域的硬度變化規(guī)律，對接頭進行顯微 硬度測試，顯微硬度計載荷500g，承載時間 10s。過大的殘余應(yīng)力對接頭的拉伸、剛度、疲勞等性能 早成較大的影響。因此選擇在銅管中氬氣流量從 10L/min至20L/min條件下焊接，觀察焊縫顏色 變化 ，確定最佳的焊接氣流量。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 a）小尺寸坡口 b）大尺寸坡口 圖 28 雙 U形窄間隙坡口 焊前對坡口及兩側(cè)各 25mm 以內(nèi) 的表面進行清理，清除表面的污染物，而后進行清洗和干燥，并盡快焊接。 Ti6Al4V含有 6%的 α穩(wěn)定元素 Al和 4%的 β穩(wěn)定元素 V，其主要化學(xué) 成分如表 21所示 ， 熱處理狀態(tài)為 650℃ 保溫 3小時，隨爐冷卻。焊接蓋面過程中，相當(dāng)于薄板的焊接，拖罩還是可以起到保護作用的。采用常規(guī)的氬弧焊填絲焊接時，從焊槍噴出的氣體形成的保護層只能很好的保護熔池，對已凝固而尚處于高溫狀態(tài)的焊縫及熱影響區(qū)則無保護作用。這要求所設(shè)計的 焊槍噴嘴能深入到所開窄間隙坡口中 ； 本項目旨在制造直徑兩米的球形容器，整個球體共有 6 條經(jīng)線焊縫和 1 條赤道環(huán)焊縫，全部由焊工手工操作完成，勞動強度大，對焊工的要求較高。 TIG 焊是所有焊接方法中應(yīng)用面最廣的，對有色金屬及其合金如鈦合金的焊接最具優(yōu)勢 [14]。 國內(nèi) 大連交通大學(xué)的宮平，羅宇等人使用電子束焊接的方法，焊接了 20mm的 TC4 板，并研究了不同聚焦電流對焊縫成形的影響。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 國內(nèi)外對于鈦合金板焊接工藝的研究較多，但是多數(shù) 限于 薄板研究，對于這種厚板鈦合金焊接的研究 很少 。 因為鈦的熔點高，比熱容小，導(dǎo)熱性能差，所以在焊接時冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)高溫下停留時間長， β晶粒在高溫下極易過熱粗化，導(dǎo)致接頭的塑韌性下降。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 圖 13 深海潛水 器效果圖 鈦合金具有密度小、比剛度、比強度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優(yōu)點，在航空航天、海洋工程、汽車和醫(yī) 療等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用 [1]， 鈦合金 在海洋工況下使用極具優(yōu)勢，世界各工業(yè)發(fā)達國家都十分重視鈦材在艦船領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用，特別是原蘇聯(lián)全鈦耐壓殼核潛艇的成功制造，標(biāo)志著鈦材在艦船中應(yīng)用的重大突破 [2]。中國科技部、國家海洋局聯(lián)合發(fā)布：我國自行設(shè)計、自主集成研制的國家 863計劃重大專項 “ 蛟龍 ” 號（如圖 11）載人潛水器在中國 南 海 3000米級 海上試驗取得成功，最大下潛深度達到 3759 米，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè) 9 小時 03 分的紀錄，驗證了 “ 蛟龍 ” 號載人潛水器在 3000 米級水深的各項性能和功能指標(biāo)。 溫度場測量結(jié)果符合焊接熱循環(huán)變化規(guī)律，同時因為鈦合金的物理性能特點而呈現(xiàn)出其特殊性。 焊縫溫度曲線測量及分析。 技術(shù)要求與主要內(nèi)容： 利用窄間隙 TIG 焊接的方法，為得到性能優(yōu)良的焊接接頭 ，本課題主要通過以下幾個方面進行研究： 1) 通過對厚板鈦合金焊接性的分析，設(shè)計并制造窄間隙 TIG 焊接條件下使用的焊槍和保護裝置 。 2) 78mm厚鈦合金試板的窄間隙 TIG 焊接工藝試驗。 整理數(shù)據(jù)，撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。 關(guān)鍵詞： 厚板鈦合金；窄間隙 TIG； 顯微 組織 ； 力學(xué)性能 ；溫度場 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） II Abstract To solve the welding problem in manufacturing 4500mm level bathyscaphe and propel the development of thick titanium alloys structures in industrial, narrowgap TIG welding of thick titanium alloys is proposed as an efficient and economical method. Narrowgap TIG welding of TC4 by using Ti4Al2V filler metal with multilayer welding way, experiments have been done under the different sizes of groove and serials of currents and protecting gasflowrates, to determine the optimum welding parameters after the metallographic analysis and mechanical properties testing of welding joint. Results of welding technology experiment shows that the reliable joint can be obtained under the current of 180A240A, welding lateral contraction is about in 78mm titanium plate, and the joint is narrow with no marked division. Metallographic analysis of narrowgap TIG welding joint shows the rules of grain growth and microstructure characteristics, the changing of currents has little effect on the size of grain and microstructure. The tensile test shows that the tensile strength of joint is higher than the seam metal based on the theory of meshing strengthening in narrowgap welding of titanium alloys, the increase of current leads to the rising of perationratio, that also can contribute to increasing of strength. Results of Welding temperature field measurement show that the titanium alloys welding temperature field has its characteristics in the condition of narrowgap TIG welding. Keywords: thick titanium alloys。這標(biāo)志著我國深海載人探測已取得相當(dāng)大的成就。 鈦合金能以更輕 的 重量抵抗更強 的 水壓 ，而且又極耐海水腐蝕，是制造深海探測器的首選材料。但對于 TC4 這樣的雙相鈦合金，由于合金化程度高，晶粒長大傾向相對較小，所以，在焊接 TC4 時宜采用較大的焊接熱輸入。 用于焊接厚板鈦合金主要有以下幾種方法： MIG 多層多道焊 法國的 。 發(fā)現(xiàn) 聚焦電流對焊縫形狀的影響作用很大 ， 聚焦電流不同 ， 焊縫形狀各異。窄間隙焊接不僅可大幅度的減少坡口截面積、大大減少焊縫金屬的填敷量，而且在相對少的焊接熱輸入下，解決了開坡口困難、焊接速度緩慢，焊后板材應(yīng)力變形大等問題 [15]?？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度 ，保證焊接質(zhì)量 。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。