【正文】 接頭 橫截面 上硬度分布規(guī)律如圖 41所示。 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(jìn)行分析。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。 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(jìn)行了多次正火處理，而使得晶粒尺寸均勻。 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(jìn)行觀察分析。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。整個焊接系統(tǒng)的 示意圖如圖 210所示。 a）保護(hù)銅管 b）拖罩 c）拖罩內(nèi)部 圖 27 保護(hù)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。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]。 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(hù)下進(jìn)行焊接。 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 。項目計劃 開發(fā) 在水下 4500 米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。 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 。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。 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。 中國載人深海探測 這條路任重而道遠(yuǎn)。 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。 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(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 )。 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(dá)到了 63mm，可以深入窄間隙坡口中進(jìn)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 。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(hù) ，保護(hù)銅管實物圖如 27a 所示。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(jìn)行焊接。 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。 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 。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(jìn)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]。 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。為了了解接頭的 機(jī)械 性能，分析接頭的 斷 口形貌，對接頭進(jìn)行了拉伸試驗 和 硬度試驗，測試了接頭的綜合機(jī)械性能，對窄間隙條件下接頭嚙合效應(yīng)進(jìn)行分析，評價接頭的力學(xué)性能。 硬度測試的壓痕（ 500x）如圖 42所示。 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(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?，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(jìn)行說明。 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。 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。 強(qiáng)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(qiáng)度。 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。 其退火后平衡組織以 α相為主， β相含量通常 930%。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。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]。 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 。 鈦合金能以更輕 的 重量抵抗更強(qiáng) 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。 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。 2) 78mm厚鈦合金試板的窄間隙 TIG 焊接工藝試驗。 焊縫溫度曲線測量及分析。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(dá)到 3759 米，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè) 9 小時 03 分的紀(jì)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)。 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。 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。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(qiáng)度大，對焊工的要求較高。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(hù)作用的。 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(jìn)行清理，清除表面的污染物，而后進(jìn)行清洗和干燥，并盡快焊接。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。如表 31所示保護(hù)氣體流量保證了焊接后焊縫呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，達(dá)到一級焊縫水平。 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。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。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。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%。沿焊縫厚度方向，在半 邊 U形焊縫上，從焊縫表面到焊縫根