TC4钛合金板直流TIG焊焊接工艺研究
TC4钛合金板直流TIG焊焊接工艺研究
钛合金被视为“全能金属”，具有比强度高、耐腐蚀、热稳定性等特性，是高机动性装备，轻量化制造的优选材料之一。TC4作为工业应用比例最高的中强度双相钛合金，其连接技术的不断改进一直以来是先进制造和材料科学领域的研究热点。通过对TC4钛合金板直流TIG操作方法的反复实践。总结出一套“溢气式”保护的焊接工艺方法，焊缝成形和内部组织性能均达到质量要求。
TC4；钛合金板材；手工钨极氩弧焊溢气式保护可焊性
表 1 TC4 钛合金的化学成分 (%)
表 2 TC4 钛合金的机械及物理性能
TC4钛合金的焊接特性
TC4 钛合金是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下对氢、氧和氮等气体具有极强的亲和力，钛与大气中的 O、N、CO2、水蒸气和氮气等产生强烈的化学反应。当含碳量大于 0.2% 时，在钛合金中形成硬质 TiC。温度较高时，与 N 作用，也会形成 TiN 硬质表层。在 600℃以上时，钛能吸收氧形成硬度较高的硬化层。钛合金吸收气体而产生硬脆表层的深度可达（0.1 ～ 0.15）mm，硬化程度比原来基体硬度高 （20 ～ 30）%。特别是在焊接过程中，这种能力伴随着温度的升高更为强烈，实践证明，焊接时对钛合金与氢、氧和氮等气体的吸收和溶解不加以控制，无疑会给钛合金焊接接头的施焊过程带来极大的困难，为 了掌握钛合金的焊接工艺，提高焊接质量，必须深入了解钛及钛合金的特点。
2.1 焊接接头的脆化
中侵入这些有害气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化，特别是在 882℃以上，接头晶粒严重粗大化，冷却时形成马氏体组织，使接头强度、硬度、 塑性和韧性下降，过热倾向严重，接头严重脆化。因此， 在进行 TC4 钛合金焊接时，对熔池、熔滴及高温区， 不管是正面还是反面都应进行全面可靠的惰性气体作为保护气。这是保证钛及其合金焊接质量的关键。碳主要来源于母材、焊丝和油污，碳在超过溶解度时析出硬脆的碳化钛，使焊缝塑性迅速下降，在焊接应力作用下易产生裂纹。在常温下，钛与氧反应生成致密的氧化膜，从而使其具有高的化学稳定性与耐腐蚀性。在施焊过程中， 焊接温度高达 5000 ～ 10000℃，钛及其合金与氧、 氢和氮发生快速反应。据试验，TC4 钛合金在施焊过 程中，温度在 300℃以上时能快速吸氢，450℃以上 时能快速吸氧，600℃以上时能快速吸氮。而当熔池中侵入这些有害气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化，特别是在 882℃以上，接头晶粒严重粗大化，冷却时形成马氏体组织，使接头强度、硬度、 塑性和韧性下降，过热倾向严重，接头严重脆化。因此， 在进行 TC4 钛合金焊接时，对熔池、熔滴及高温区， 不管是正面还是反面都应进行全面可靠的惰性气体作为保护气。这是保证钛及其合金焊接质量的关键。碳主要来源于母材、焊丝和油污，碳在超过溶解度时析出硬脆的碳化钛，使焊缝塑性迅速下降，在焊接应 力作用下易产生裂纹。
2.2 焊接接头的裂纹
2.2.1 热裂纹倾向
由于钛合金中的碳、硫、磷等杂质含量较少，所以裂纹的敏感性低在当母材和焊丝质量不合格，特别是当焊丝有裂纹、夹层缺陷时，会在夹层的裂纹处聚集大量有害杂质而使焊缝产生热裂纹。
2.2.2 冷裂纹倾向
当焊缝中含有氢、氧、氮量较多时，焊缝和热影响区变脆，在较大焊接应力作用下容易产生裂纹，这种裂纹是在较低的温度下形成的。在焊接钛及钛合金时，影响区有时会出现延迟裂纹，其主要原因是氢造成的，氢化物吸出时产生较大的组织应力，再加上氢原子的扩散及聚焦，最终使焊接接头产生裂纹（氢脆）， 防止这种延迟裂纹的方法主要还是进行全面的惰性气体保护控制焊接头氢的来源。
2.2.3 气孔的产生
TC4 钛及钛合金焊接时最常见的缺陷是气孔，主要产生在熔合线附近。氢是形成气孔的重要原因，在焊接时由于钛吸收氢的能力很强，而随着温度的下降氢的溶解度显著下降，所以溶解于液态金属中的氢往往来不及逸出形成气孔。
2.2.4 焊接变形
TC4 钛合金的热导率 =7.955W/m•K，为铁的 1/5、铝的 1/10，线膨胀系数 =8.6×10-6℃（0-100℃）， 比热 =0.612cal/g•℃。钛合金的弹性模量较低，TC4钛合金的弹性模量 E=110GPa，约为钢的 1/2。故钛合金容易产生变形，而且矫形很困难，因此在焊接钛合金时应该采用垫板和压板将待焊工件压紧，以减少焊接变形。
2.2.5 结晶倾向
TC4 钛合金的熔点高、热容量大、导热性差，因此在焊接时容易产生较大的焊接熔池并且熔池的温度很高。这使得焊缝及热影响区的金属在高温的时间比较长，晶粒长大倾向较大，使得接头塑性的断裂韧性降低。长大的晶粒难以用热处理的方法恢复，所以焊接时应严格控制焊接的热输入量，一般采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，来避免产生较粗大的晶粒。
TC4钛合金施焊的工艺
3.1 焊接设备及工具准备
焊接时采用 WSME-500 逆变式交直流脉冲氩弧焊机，焊前检查焊机与氩弧焊枪焊接电缆及其它各连接部位是否连接牢靠。检查工具、用具是否备齐，并保持清洁，所需工具有，不锈钢丝刷，备用钨极和喷嘴，金刚石锉刀、硬质合金刮刀、化学清洗剂（丙酮、 无水乙醇、甲醇等）氩弧焊手套等。
3.2 焊接材料的选择
3.2.1 焊丝的选用
母材为TC4钛合金板(300mm×200mm×30mm)， 考虑其焊接效率、热输入、尽量减少焊接层数及焊后焊缝塑性和韧性，因此选用等强度等成分的 Φ3.0 的 TC4 专用焊丝。
3.2.2 氩气保护
氩气的纯度对接头质量的影响很大，TC4 钛合金焊接时要求使用纯度为 99.999% 的高纯氩，氩气应符合《GB/ Ｔ 4842 － 2006 纯氩》的要求。当氩气瓶中的压力降至 1MPa，应停止使用。
3.2.3 钨极
选用 Φ4.0 的铈钨极，钨极端部应磨成 30 ～ 45 度锥形。
3.3 试件坡口制备及焊前清理
3.3.1 坡口制备
在选择坡口形式尺寸时，应尽量减少焊接层数和填充金属。随着焊接层数的增多，焊缝累计吸氢量增加以至影响焊接接头性能，接头塑性下降，又由于钛合金焊接时熔池尺寸较大，试件厚度为 30mm，因此焊件开双 X 型坡口，试件坡口角度为 60°试件钝边 为 2mm。
3.3.2 焊前清理
采用机械加工、硬质合金刮刀或不锈钢丝刷，清理母材两侧 20-30mm 的氧化膜，直至露出金属光泽为止。然后用丙酮、无水乙醇、甲醇等清洗母材及焊丝表面的手印、有机物质、油污等。焊接时必须戴洁净的手套，不得使用角磨机磨坡口及其两侧附近区域， 严禁用铁器敲打钛板表面及坡口。采取有效措施避免在焊接时造成钢与钛互熔。
不洁净和不干燥的零件表面会使焊缝形成气孔。焊接不合适也会促使焊缝产生气孔。零件表面的盐类残留（甚至指纹的印痕）在一定温度下可能导致热盐应力腐蚀。所以钛及钛合金的被焊处表面必须保持洁净。清理完后应尽量缩短存放时间尽快焊接，以免二 次污染。
3.4 焊接工艺参数的选择
传统焊接方法采用外置氩气“吹气式”保护，保护气体不能“局限”到焊接区域，不能形成有效的保护气膜，对钛合金与氢、氧和氮等气体的吸收和溶解不易控制，容易发生焊接接头脆化、焊缝裂纹、气泡等焊接缺陷，返工成本较高。钨极氩弧焊焊接 TC4 钛合金可分为敞开式焊接、高纯氩箱内焊接 及真空焊接）三种类型，真空焊接钛合金的质量最好，但其成本过高。高纯氩箱内焊接，需要将箱体内充满氩气受焊件大小操作影响。因此我们选用的是敞开式焊接，在大气环境中焊接。采用局部 气体保护的焊接方法，利用焊枪喷嘴加拖罩， 和背面保护装置通以适量的氩气，气体保护装置将充气室的氩气通过针孔充盈焊缝预留槽，槽内氩气最终通过工件对接焊缝溢出，实现内置输气，在焊接区域形成“溢气式”保护气膜，把焊接高温区与空气隔开，以防止空气侵入而沾污焊接区的金属。拖罩和背面保护装置应单独通入氩气。焊接时为防止钛合金在 300-600℃氧化、氮化及吸氢，要求紧贴工件。
根据以往焊接 TC4 钛合金的经验，设定焊接参数见表 3。焊缝和近缝区颜色是保护效果和焊接质量的标志，焊缝和热影响区的表面颜色见表 4。焊缝表面颜色对焊接质量影响见表 5。
表 3 手工钨极氩弧焊焊接参数
表 4 焊缝和热影响区的表面颜色
表 5 焊缝表面颜色对焊缝质量的影响
焊接过程中为了防止焊缝表面氧化、焊缝塑性韧性下降、接头脆性增大，应控制热输入，控制层间温度，试件表面温度降至 30-40 度时才可以进行下一层的焊接。应注意母材的变形，采用两面对称焊，如图 7 所示。焊接时随着坡口面的角度增大应切换更大的保护喷嘴，增大保护面积，提高保护效果。
焊接过程中焊枪离焊件表面距离尽量小，但不要影响焊接时的视线，焊枪操作要平衡均匀，基本不作摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度也不宜过大，以防影响氩气保护。送丝时应注意不要将焊丝熔化端部移出氩气保护区，否则焊丝端部被氧化后在融入熔池会影响焊缝的质量。盖面层焊接时要注意母材两侧各熔 1-2mm, 焊趾要齐，焊缝高度控制在 2-3mm, 不得出现表面气孔，裂纹，咬边等焊接缺陷。
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4.1 执行上述工艺参数进行水平固定位置模拟实验
（1）焊接时，对焊缝的保护气体氩气的纯度为 99.99%，未对试件背面及热影响区进行惰性气体保护，在试件焊接时熔池中有气体向外溢出且能听到焊缝在产生裂纹的声音，焊缝表面为暗灰色，如图 8 所示。
（2）经上述实验证明，对试件的保护不够。此次对焊缝的保护气体氩气的纯度为 99.999%，对试件背面及热影响区进行氩气保护，氩气纯度为 99.999%， 在焊接时，熔池无气体向外溢出，且焊缝为淡黄色表面颜色达到一级要求，如图 9 所示。
（3）总结以上两组经验，此次将试件放在真空室中，抽真空 -3Pa，在焊接前对真空室充入氩气，氩气纯度为 99.99%，焊接氩气纯度为 99.99%，焊接完成后焊缝正面背面均为银白色。焊接完成后经 X 射线检验焊道内部达到射线检查标准，如图 10 所示。
4.2 改变焊接手法进行水平固定工艺模拟实验
（1）采用摇摆焊，焊接完成后，焊缝表面颜色呈金紫色或深蓝色，如图 11 所示。
（2）采用摇摆焊焊接热输入过大，此次实验采用低频率横向摆动，并且俩边稍微停留焊缝表面颜色呈金紫色，如图 12 所示。
（3）总结以上两组经验，焊接时，焊枪基本不作摆动，焊枪尽可能与焊件表面垂直（80-90 度），焊缝表面颜色呈银白色。焊接完成后经 X 射线检验焊道内部达到射线检查标准，如图 13 所示。
