【正文】 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 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）。 其退火后平衡組織以 α相為主， β相含量通常 930%。 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裝置，如圖 29a、 b、 c所示。 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。本試驗中對焊接 后的 試板進行真空退火處理，熱處理規(guī)范 ： 真空條件下 650℃ 保溫 2h，隨爐冷卻。 強度測試 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)合強度。 表 31 焊接保護氣體流量 位置 焊槍 銅管 /拖罩 背側(cè) 氣體流量 8L/min 15L/min 7L/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。 鈦合金窄間 隙 TIG 多層焊焊接接頭宏觀 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。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。 從圖 3 36 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。 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?，F(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)律進行說明。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 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，冷卻速度進一步加快時， β相分解以非形核方式長大，發(fā)生無擴散馬氏體相變，生成針狀六方 α’相及正交馬氏體相。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 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。 母材中合金元素進入焊縫后呈現(xiàn)梯度分布。 硬度測試的壓痕（ 500x）如圖 42所示。 分析焊接電流對接頭強度的影響，測試了不同焊接電流下接頭的抗拉強度。為了了解接頭的 機械 性能，分析接頭的 斷 口形貌，對接頭進行了拉伸試驗 和 硬度試驗，測試了接頭的綜合機械性能，對窄間隙條件下接頭嚙合效應(yīng)進行分析，評價接頭的力學(xué)性能。其中， 180A下 A、 B兩區(qū)域 Al的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) %， 240A下 Al平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) %，高出 180A下 Al含量的 20%， V的平均含量高出 180A下 ，分析結(jié)果產(chǎn)生的原因，焊接電流增大后，焊接線能量增加，母材熔化量增加，進而導(dǎo)致焊縫的熔合比變大。 圖 313 為鈦合金焊接試板接頭熱影響區(qū)（ B 區(qū)域）的顯微組織圖片，窄間隙條件下焊接，熱影響區(qū)范圍窄，冷卻速度快，因此在熱影響區(qū)形成了如圖 313a 所示網(wǎng)籃狀組織，圖 313b 所示為冷卻速度更快時而形成的針狀馬氏體組織。 接頭的 各 區(qū)域如圖 310 所示 ， A、 B、 C 分別代表母材、熱影響區(qū)及焊縫。其轉(zhuǎn)變的突出特點 是 新相與母相間具有嚴(yán)格的取向關(guān) 系， α相將以片狀或針狀有規(guī)則的析出，穿越整個晶粒 [18]。 隨 著熔池開始凝固，晶粒在焊縫形成聯(lián)生結(jié)晶后，垂直于熔合線呈柱狀晶生長并向焊縫中心區(qū)域推進。粗晶區(qū)緊鄰熔合線，加熱溫度高，高溫停留時間長，金屬處于過熱狀態(tài)，晶粒長大嚴(yán)重，脆性大，韌性低；細(xì)晶區(qū)位置相當(dāng)于進行了正火處理而呈現(xiàn)細(xì)小均勻晶粒 ，性能較好 ；不完全正火區(qū)的特點是晶粒大小不一，性能也不盡一致。其中熱影響區(qū)雖然沒有熔化，但也因受到高溫影響而發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變。 外觀檢驗，焊縫平滑過渡，無裂紋、咬邊、焊瘤等缺陷， 焊縫 表面 呈 銀白色 金屬光澤 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 利用線切割將焊接接頭切成拉伸試件，使焊縫居中，拉 伸 試件尺寸如圖 212所示，在精磨床上將線切割面上殘留的溝槽磨平。 焊接過程中，工件上的溫度隨著瞬時熱源的移動作用而發(fā)生周期性的變化，稱之為焊接熱循環(huán)，焊接熱循環(huán)研究了焊接過程中工件上某點的溫度隨時間的變化，對于焊接熱循環(huán)的研究有助于加深對焊接過程的理解。 表 22 焊接工藝試驗參數(shù) 焊接電流 I（ A） 焊槍氣體流量 q（ L焊接過程中，工件置于銅質(zhì)工作臺上，采用手工操作的方式進行焊接。因此選用塑韌性較好的近 α鈦合金 Ti4Al2V。由于窄間隙坡口窄而深的特征，接近于垂直的坡口側(cè)壁形成兩側(cè) 天然的氣槽，加之氬氣的密度大于空氣，氬氣會聚集于坡口之中，實現(xiàn)對焊接高溫區(qū)長時間的保護 ，保護銅管實物圖如 27a 所示。因此鈦合金的焊接衍生出兩種方式：箱內(nèi)焊接和敞開式焊接。 焊槍黃銅制主體如圖 21 所示，總長度 40mm，保證了槍體輕質(zhì)的特點，減輕了焊接工人負(fù)擔(dān)；特 制 的陶瓷噴嘴 （圖 22 所示） 外徑 D 只有 10mm，長度 L卻達到了 63mm，可以深入窄間隙坡口中進行焊接；焊槍具有良好的水冷系統(tǒng)，試驗證明即使在較大的焊接電流下長時間焊接，焊槍也不會過熱 。 針對厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接，研究內(nèi)容主要圍繞以下幾個方面研究： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 1. 焊槍及保護裝置的設(shè)計及制造 2. 厚板鈦合金焊接工藝的確定及參數(shù)的優(yōu)化 3. 焊接接頭金相組織的觀察和力學(xué)性能的測試 4. 焊接溫度場的測量及焊接變形控制的分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2 章 焊接工藝試驗 焊槍及 保護裝置的設(shè)計及制作 焊槍的設(shè)計及制作 作為氬弧焊機重要組成部分之一的氬弧焊槍，其作用是夾持鎢極、傳導(dǎo)焊接電流和輸送保護氣。 圖 16 不同聚焦電流下焊縫成形情況 圖 17 聚焦電流對焊縫成形參數(shù)的影響 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 美國機械學(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 )。 采用 MIG焊時，開坡口如圖 14。 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熔合線附近形成氣孔，在焊接熱輸入較小時焊縫中部產(chǎn)生氣孔。 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)。 中國載人深海探測 這條路任重而道遠。 microstructure。 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 鈦合金進行了焊接。 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。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。 正式焊接 78mm 厚 鈦合金板，焊接工藝 的初步確定 。 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 。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。項目計劃 開發(fā) 在水下 4500 米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。 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（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 。 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 。 試驗發(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 ，同時發(fā)現(xiàn)焊接接頭因為窄間隙條件焊接，使得接頭的強度較常規(guī)坡口焊接條件下下強度高 [6]。 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 [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下進行焊接。首先，鈦合金焊接時晶粒長大傾向并不明顯，同時為保證窄間隙多層焊時側(cè)壁 熔 合良好，宜采用較大的熱輸入。但在溫度升高過程中，鈦對氫、氧和氮的吸收能力不斷加強 [16]。拖罩是敞開 式鈦合金焊接時最常用，也是最有效的保護措施，但是拖罩并不是適用于窄間隙 坡 口下的焊接 。 a）保護銅管 b）拖罩 c）拖罩內(nèi)部 圖 27 保護裝置 試驗材料和坡口 本實研究過程中所用的母材為 TC4（ Ti6Al4V） 鈦合金，厚度 78mm。 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）。整個焊接系統(tǒng)的 示意圖如圖 210所示。min1） 120300 8 1020 10 厚板結(jié)構(gòu)焊接時拘束度大，焊接殘余應(yīng)力較高，應(yīng)力集中較大。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。 圖 212 拉伸試件尺寸圖 a）拉伸前 b）拉伸后 圖 213 拉伸試件實物圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（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 一系列變化的保護氣體流量，通過多組的焊接試驗，以 確定最佳的焊接參 數(shù)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（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行觀察分析。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。 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，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)于進行了多次正火處理，而使得晶粒尺寸均勻。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。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，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。 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]。 本次試驗中，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行分析。 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)因為冷卻速度過快而形成了網(wǎng)籃組織或正交鈦馬氏體組織。接頭 橫截面 上硬度分布規(guī)律如圖 41