【正文】 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。因此，在鈦及鈦合金的焊接中，必須使用氬氣進行大范圍保護或 置于 真空環(huán)境中，以防止大氣污染 [16]。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。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 。焊接蓋面過程中，相當于薄板的焊接，拖罩還是可以起到保護作用的。 圖 26 保護方案示意圖 實際上這種 “ 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)進行保護。 焊接試板的背面同樣需要保護，設計利用單側(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。 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。 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 成分如表 21所示 ， 熱處理狀態(tài)為 650℃ 保溫 3小時，隨爐冷卻。 本試驗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)焊接后接頭應力水平較高， 接頭 可能會因為塑性不足而導致開裂。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]。 表 21 TC4 鈦合金 與 Ti4Al2V焊絲 化學成分表 (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）。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（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。 a）焊槍 b）保護銅管 c）背側(cè)保護 圖 29 試驗中的保護裝置 本實驗中采用普通直流 TIG 焊機，在室溫條件下，采用直流電流進行焊接。 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。整個焊接系統(tǒng)的 示意圖如圖 210所示。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。 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） 銅管氣體流量 q（ Lmin1） 120300 8 1020 10 厚板結(jié)構(gòu)焊接時拘束度大，焊接殘余應力較高，應力集中較大。過大的殘余應力對接頭的拉伸、剛度、疲勞等性能 早成較大的影響。在此溫度下退火的目的是消除應力，并不能改變接頭組織，但接頭的性能會有一定的提升。本論文對鈦合金窄間哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（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。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。 力學性能測試 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。由于焊接過程中采用手工焊的方式進行焊接，導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 強度。在 INSTRON1599電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，橫梁移動速度 。 圖 212 拉伸試件尺寸圖 a）拉伸前 b）拉伸后 圖 213 拉伸試件實物圖 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（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)。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。 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。無損檢測，焊接后試板進行100%RT探傷，評定標準 JB/， I極合格。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（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。 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。熔池在經(jīng)歷了熔化，化學冶金等一些列復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。這一系列變化都會影響焊接接頭的性能。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。 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)可能會導致接頭的性能變差。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（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。 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。 兩種電流下晶粒的尺寸相當， 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)相當于進行了多次正火處理，而使得晶粒尺寸均勻。因為熔池壁和焊縫金屬具有相似的化學成分，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。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。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 。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。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。 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 。 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。如圖 39 所示，在 T3 溫度下轉(zhuǎn)變得到 β+α相；當轉(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。 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)大學本科畢業(yè)設計（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 。 由于接頭各區(qū)域微觀組織的形成機理的差異，成分分布不均勻，組織類型及分布也不一致 。 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。 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]。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，有共同的晶體學取向，各 α相由 β中間層分開。 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相因為冷卻速度較快被拉長呈長針狀， 如圖 312 所示 。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。 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 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)大學本科畢業(yè)設計（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)量分數(shù)要超過 180A電流下焊接得到的焊縫元素含量。 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。 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。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%。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 第 4 章 厚板 鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭力學性能測試 本試驗中采用 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。 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。接頭 橫截面 上硬度分布規(guī)律如圖 41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 。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 26 圖 42 硬度測試壓痕 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接接頭強度 接頭的抗拉強度是衡量對接接頭力學性能的重要指標，它宏觀反映了接頭的力學性能，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，使得接頭的強度要高于常規(guī)焊接接頭強度。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