1、TC4鈦合金的力學(xué)性能及化學(xué)成分

TC4鈦合金屬于(α+β)型鈦合金，具有良好的機械性能。其化學(xué)成分見表1，機械及物理性能能見表2。

2、TC4鈦合金的焊接特性

TC4鈦合金是一種化學(xué)性質(zhì)非常活潑的金屬，在高溫下對氫、氧和氮等氣體具有極強的親和力，鈦與大氣中的O、N、CO₂、水蒸氣和氮氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量大于0.2%時，在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC。溫度較高時，與N作用，也會形成TiN硬質(zhì)表層。在600℃以上時，鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。鈦合金吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)（0.1～0.15）mm，硬化程度比原來基體硬度高（20～30）%。特別是在焊接過程中，這種能力伴隨著溫度的升高更為強烈，實踐證明，焊接時對鈦合金與氫、氧和氮等氣體的吸收和溶解不加以控制，無疑會給鈦合金焊接接頭的施焊過程帶來極大的困難，為了掌握鈦合金的焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，必須深入了解鈦及鈦合金的特點。

2.1焊接接頭的脆化

在常溫下，鈦與氧反應(yīng)生成致密的氧化膜，從而使其具有高的化學(xué)穩(wěn)定性與耐腐蝕性。在施焊過程中，焊接溫度高達(dá)5000～10000℃，鈦及其合金與氧、氫和氮發(fā)生快速反應(yīng)。據(jù)試驗，TC4鈦合金在施焊過程中，溫度在300℃以上時能快速吸氫，450℃以上時能快速吸氧，600℃以上時能快速吸氮。而當(dāng)熔池中侵入這些有害氣體后，焊接接頭的塑性和韌性都會發(fā)生明顯的變化，特別是在882℃以上，接頭晶粒嚴(yán)重粗大化，冷卻時形成馬氏體組織，使接頭強度、硬度、塑性和韌性下降，過熱傾向嚴(yán)重，接頭嚴(yán)重脆化。因此，在進行TC4鈦合金焊接時，對熔池、熔滴及高溫區(qū)，不管是正面還是反面都應(yīng)進行全面可靠的惰性氣體作為保護氣。這是保證鈦及其合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

碳主要來源于母材、焊絲和油污，碳在超過溶解度時析出硬脆的碳化鈦，使焊縫塑性迅速下降，在焊接應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。

2.2焊接接頭的裂紋

2.2.1熱裂紋傾向

由于鈦合金中的碳、硫、磷等雜質(zhì)含量較少，所以裂紋的敏感性低在當(dāng)母材和焊絲質(zhì)量不合格，特別是當(dāng)焊絲有裂紋、夾層缺陷時，會在夾層的裂紋處聚集大量有害雜質(zhì)而使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

2.2.2冷裂紋傾向

當(dāng)焊縫中含有氫、氧、氮量較多時，焊縫和熱影響區(qū)變脆，在較大焊接應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，這種裂紋是在較低的溫度下形成的。在焊接鈦及鈦合金時，影響區(qū)有時會出現(xiàn)延遲裂紋，其主要原因是氫造成的，氫化物吸出時產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子的擴散及聚焦，最終使焊接接頭產(chǎn)生裂紋（氫脆），防止這種延遲裂紋的方法主要還是進行全面的惰性氣體保護控制焊接頭氫的來源。

2.2.3氣孔的產(chǎn)生

TC4鈦及鈦合金焊接時最常見的缺陷是氣孔，主要產(chǎn)生在熔合線附近。氫是形成氣孔的重要原因，在焊接時由于鈦吸收氫的能力很強，而隨著溫度的下降氫的溶解度顯著下降，所以溶解于液態(tài)金屬中的氫往往來不及逸出形成氣孔。

2.2.4焊接變形

TC4鈦合金的熱導(dǎo)率=7.955W/m.K，為鐵的1/5、鋁的1/10，線膨脹系數(shù)=8.6×10-6℃（0-100℃），比熱=0.612cal/g.℃。鈦合金的彈性模量較低，TC4鈦合金的彈性模量E=110GPa，約為鋼的1/2。故鈦合金容易產(chǎn)生變形，而且矯形很困難，因此在焊接鈦合金時應(yīng)該采用墊板和壓板將待焊工件壓緊，以減少焊接變形。

2.2.5結(jié)晶傾向

TC4鈦合金的熔點高、熱容量大、導(dǎo)熱性差，因此在焊接時容易產(chǎn)生較大的焊接熔池并且熔池的溫度很高。

這使得焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫的時間比較長，晶粒長大傾向較大，使得接頭塑性的斷裂韌性降低。長大的晶粒難以用熱處理的方法恢復(fù)，所以焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制焊接的熱輸入量，一般采用較小的焊接電流和較快的焊接速度，來避免產(chǎn)生較粗大的晶粒。

3、TC4鈦合金施焊工藝

3.1焊接設(shè)備及工具準(zhǔn)備

焊接時采用WSME-500逆變式交直流脈沖氬弧焊機，焊前檢查焊機與氬弧焊槍焊接電纜及其它各連接部位是否連接牢靠。檢查工具、用具是否備齊，并保持清潔，所需工具有，不銹鋼絲刷，備用鎢極和噴嘴，金剛石銼刀、硬質(zhì)合金刮刀、化學(xué)清洗劑（丙酮、無水乙醇、甲醇等）氬弧焊手套等。

3.2焊接材料的選擇

3.2.1焊絲的選用

母材為TC4鈦合金板(300mm×200mm×30mm)，考慮其焊接效率、熱輸入、盡量減少焊接層數(shù)及焊后焊縫塑性和韌性，因此選用等強度等成分的Φ3.0的TC4專用焊絲。

3.2.2氬氣保護

氬氣的純度對接頭質(zhì)量的影響很大，TC4鈦合金焊接時要求使用純度為99.999%的高純氬，氬氣應(yīng)符合《GB/Ｔ4842－2006純氬》的要求。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至1MPa，應(yīng)停止使用。

3.2.3鎢極

選用Φ4.0的鈰鎢極，鎢極端部應(yīng)磨成30～45度錐形。

3.3試件坡口制備及焊前清理

3.3.1坡口制備

在選擇坡口形式尺寸時，應(yīng)盡量減少焊接層數(shù)和填充金屬。隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計吸氫量增加以至影響焊接接頭性能，接頭塑性下降，又由于鈦合金焊接時熔池尺寸較大，試件厚度為30mm，因此焊件開雙X型坡口，試件坡口角度為60°試件鈍邊為2mm。如圖1所示。

3.3.2焊前清理

采用機械加工、硬質(zhì)合金刮刀或不銹鋼絲刷，清理母材兩側(cè)20-30mm的氧化膜，直至露出金屬光澤為止。然后用丙酮、無水乙醇、甲醇等清洗母材及焊絲表面的手印、有機物質(zhì)、油污等。焊接時必須戴潔凈的手套，不得使用角磨機磨坡口及其兩側(cè)附近區(qū)域，嚴(yán)禁用鐵器敲打鈦板表面及坡口。采取有效措施避免在焊接時造成鋼與鈦互熔。不潔凈和不干燥的零件表面會使焊縫形成氣孔。焊接不合適也會促使焊縫產(chǎn)生氣孔。零件表面的鹽類殘留（甚至指紋的印痕）在一定溫度下可能導(dǎo)致熱鹽應(yīng)力腐蝕。所以胎及鈦合金的被焊處表面必須保持潔凈。清理完后應(yīng)盡量縮短存放時間盡快焊接，以免二次污染。

3.4焊接工藝參數(shù)的選擇

傳統(tǒng)焊接方法采用外置氬氣“吹氣式”保護，保護氣體不能“局限”到焊接區(qū)域，不能形成有效的保護氣膜，對鈦合金與氫、氧和氮等氣體的吸收和溶解不易控制，容易發(fā)生焊接接頭脆化、焊縫裂紋、氣泡等焊接缺陷，返工成本較高。鎢極氬弧焊焊接TC4鈦合金可分為敞開式焊接（圖2）、高純氬箱內(nèi)焊接（圖3）及真空焊接（圖4）三種類型，真空焊接鈦合金的質(zhì)量最好，但其成本過高。高純氬箱內(nèi)焊接，需要將箱體內(nèi)充滿氬氣受焊件大小操作影響。因此我們選用的是敞開式焊接，在大氣環(huán)境中焊接。采用局部氣體保護的焊接方法，利用焊槍噴嘴加拖罩（圖5），和背面保護裝置（圖6）通以適量的氬氣，氣體保護裝置將充氣室的氬氣通過針孔充盈焊縫預(yù)留槽，槽內(nèi)氬氣最終通過工件對接焊縫溢出，實現(xiàn)內(nèi)置輸氣，在焊接區(qū)域形成“溢氣式”保護氣膜，把焊接高溫區(qū)與空氣隔開，以防止空氣侵入而沾污焊接區(qū)的金屬。拖罩和背面保護裝置應(yīng)單獨通入氬氣。焊接時為防止鈦合金在300-600℃氧化、氮化及吸氫，要求緊貼工件。

根據(jù)以往焊接TC4鈦合金的經(jīng)驗，設(shè)定焊接參數(shù)見表3。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護效果和焊接質(zhì)量的標(biāo)志，焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色見表4。焊縫表面顏色對焊接質(zhì)量影響見表5。

3.5試件組隊定位

由于鈦合金的物理性能，表面張力大系數(shù)大、熔融態(tài)時粘度小，定位長度為10-15mm,對板間隙為3-4mm,錯邊量≤0.5mm,采用兩面定位焊，定位焊要單面焊雙面成型，如圖1所示。定位焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及氣體保護條件與焊接接頭焊接時相同。

3.6打底層的焊接

在焊接過程中選擇接頭形式時要考慮到焊接時便于氬氣的有效保護，同時接頭背面也要單獨通過通入氬氣保護，打底層焊接完成后仍繼續(xù)充氬氣不能終止直至第二層焊接完畢。在起焊坡口內(nèi)引燃電弧后，焊槍稍作擺動，預(yù)熱上下兩側(cè)坡口面，待坡口開始熔化時形成熔孔，迅速填入焊絲建立熔池。熔池形成后電弧稍作停頓，看到熔池內(nèi)陷時，向前移動焊槍，快速填進焊絲，焊槍作直線運動。焊槍與焊絲角度如圖6所示。

3.7填充層及蓋面層的焊接

打底焊結(jié)束后，每一層應(yīng)進行焊層表面顏色檢查，對表面顏色不合格的應(yīng)全部去除，然后重焊，表面顏色檢查參照表4所示。檢查合格后進行層間清理，用硬質(zhì)合金刮刀或合金銼刀修整平高出的接頭，用不銹鋼絲刷清理焊縫及母材兩測除去氧化膜。

焊接過程中為了防止焊縫表面氧化、焊縫塑性韌性下降、接頭脆性增大，應(yīng)控制熱輸入，控制層間溫度，試件表面溫度降至30-40度時才可以進行下一層的焊接。應(yīng)注意母材的變形，采用兩面對稱焊，如圖7所示。焊接時隨著坡口面的角度增大應(yīng)切換更大的保護噴嘴，增大保護面積，提高保護效果。焊接過程中焊槍離焊件表面距離盡量小，但不要影響焊接時的視線，焊槍操作要平衡均勻，基本不作擺動，當(dāng)需要擺動時，頻率要低，擺動幅度也不宜過大，以防影響氬氣保護。送絲時應(yīng)注意不要將焊絲熔化端部移出氬氣保護區(qū)，否則焊絲端部被氧化后在融入熔池會影響焊縫的質(zhì)量。蓋面層焊接時要注意母材兩側(cè)各熔1-2mm,焊趾要齊，焊縫高度控制在2-3mm,不得出現(xiàn)表面氣孔，裂紋，咬邊等焊接缺陷。

4、工藝試驗

4.1執(zhí)行上述工藝參數(shù)進行水平固定位置模擬實驗

（1）焊接時，對焊縫的保護氣體氬氣的純度為99.99%，未對試件背面及熱影響區(qū)進行惰性氣體保護，在試件焊接時熔池中有氣體向外溢出且能聽到焊縫在產(chǎn)生裂紋的聲音，焊縫表面為暗灰色，如圖8所示。（2）經(jīng)上述實驗證明，對試件的保護不夠。此次對焊縫的保護氣體氬氣的純度為99.999%，對試件背面及熱影響區(qū)進行氬氣保護，氬氣純度為99.999%，在焊接時，熔池?zé)o氣體向外溢出，且焊縫為淡黃色表面顏色達(dá)到一級要求，如圖9所示。（3）總結(jié)以上兩組經(jīng)驗，此次將試件放在真空室中，抽真空-3Pa，在焊接前對真空室充入氬氣，氬氣純度為99.99%，焊接氬氣純度為99.99%，焊接完成后焊縫正面背面均為銀白色。焊接完成后經(jīng)X射線檢驗焊道內(nèi)部達(dá)到射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。

4.2改變焊接手法進行水平固定工藝模擬實驗

（1）采用搖擺焊，焊接完成后，焊縫表面顏色呈金紫色或深藍(lán)色，如圖11所示。

（2）采用搖擺焊焊接熱輸入過大，此次實驗采用低頻率橫向擺動，并且倆邊稍微停留焊縫表面顏色呈金紫色，如圖12所示。

（3）總結(jié)以上兩組經(jīng)驗，焊接時，焊槍基本不作擺動，焊槍盡可能與焊件表面垂直（80-90度），焊縫表面顏色呈銀白色。焊接完成后經(jīng)X射線檢驗焊道內(nèi)部達(dá)到射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，如圖13所示。

4.3力學(xué)性能試驗

針對TC4試件厚度為30mm，開雙X型60°坡口，試件鈍邊為2mm。通過對焊接接頭拉伸試驗，對主要參數(shù)屈服強度、抗拉強度和延伸率等進行檢測，均符合焊接性能要求，參見表6。

5、結(jié)束語

實驗證明：焊接鈦合金時，熱輸入、層間溫度、保護氣體純度、流量、噴嘴的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小與焊件的距離、接頭形式及內(nèi)外氣體保護裝置是否符合要求、室內(nèi)室外或風(fēng)力大小、焊絲母材的機械清理和脫脂處理都會影響焊接質(zhì)量，所以在焊接鈦合金時要注意各種保護措施的合理性，準(zhǔn)備工作是否到位等，對鈦合金焊接質(zhì)量起關(guān)鍵作用。

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