20mm厚TC4鈦合金熔化極氬弧焊焊接工藝研究

摘 要：文章以20mm厚TC4鈦合金板為試驗(yàn)對(duì)象，采用不同的氣體配比方案進(jìn)行MIG焊接、并對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明在進(jìn)行中厚板鈦合金MIG焊時(shí)，保護(hù)氣體易采用Ar50％+He50％氣，氦氣的加入可以改善熔池的流動(dòng)性，降低焊接飛濺，提高焊接效率，只要制作合適的氣體保護(hù)拖罩就能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高質(zhì)量焊接，且焊接操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接；鈦合金MIG焊焊接過程中要控制層間溫度，隨著焊接熱循環(huán)溫度升高，焊縫中生成的馬氏體含量增加，焊縫硬度升高、塑性下降，應(yīng)采用大電流快速焊的焊接工藝。

關(guān)鍵詞：鈦合金；熔化極氬弧焊；力學(xué)性能

Research on the Welding Process of 20mm Thick TC4

Titanium Alloy Melting Electrode Argon Arc Welding

Nie Xinyu Wang Lixin Cui Jianwei Li Jianguo

（Inner Mongolia First Machinery Group Co，.Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：This article takes 20mm thick TC4 titanium alloy plate as the experimental object，uses different gas ratio schemes for MIG welding，and analyzes and studies the mechanical properties of the welded joints.The results show that during the MIG welding of medium and thick titanium alloy plates，Ar50%+He50% gas is easily used as the shielding gas.The addition of helium gas can improve the fluidity of the melting pool，reduce welding spatter，and improve welding efficiency.As long as a suitable gas protection drag cover is made，efficient and high-quality welding can be achieved，the welding operation is simple，and it is easy to achieve robot automation welding.During the titanium alloy MIG welding process，it is necessary to control the interlayer temperature.As the welding thermal cycle temperature increases，the content of martensite generated in the weld increases，the hardness of the weld increases，and the plasticity decreases.Therefore，a high current rapid welding process should be adopted.

Key words：titanium alloy;melting electrode argon arc welding;mechanical property

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈦合金在裝備制造中大量使用，但目前鈦合金主要采用熔化極氬弧焊進(jìn)行焊接，而且只適用于薄板，小部件的焊接，且不易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化焊接，故不適用于中厚板的焊接。熔化極氬弧焊具有焊接效率高，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特性，在焊接過程中具有較高的線能量，可降低被焊接試件的殘余應(yīng)力和焊接變形。

本文以20mm厚TC4鈦合金中厚板為研究對(duì)象，采用熔化極氬弧焊（MIG）方法進(jìn)行工藝試驗(yàn)，按照不同保護(hù)氣體及焊接工藝對(duì)比分析了其焊接工藝性能、焊縫成形及力學(xué)性能，對(duì)鈦合金中厚板高效MIG焊具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 焊接母材

采用300mm×200mm×20mm規(guī)格的TC4鈦合金板進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)，試件坡口角度為60°，試件鈍邊2mm。坡口角度及裝配如圖1所示，機(jī)械及物理性能見表1。

1.2 焊絲及氣體

焊絲采用TC4焊絲進(jìn)行焊接，直徑標(biāo)準(zhǔn)為φ1.2mm。

保護(hù)氣體分別采用He100％氣、Ar50％+He50％氣、Ar100％氣三種氣體比例進(jìn)行焊接，當(dāng)氣瓶中的壓力降至10MPa，應(yīng)停止使用。

1.3 焊接設(shè)備

MIG焊焊接接電源福尼斯TPSI-50CMT焊機(jī)，采用直流反接，焊接設(shè)備如圖2所示。CMT電源內(nèi)置了鈦合金、鎳基合金、鋼和鑄鐵材料。

2 焊接試驗(yàn)工藝及方案

TC4鈦合金中厚板MIG焊接過程中，為了更好分析不同的氣體配比對(duì)焊接電弧和焊縫成形的影響，特制定了3組氣體配比方案，進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，焊后進(jìn)行外觀檢測(cè)，外觀檢測(cè)合格后進(jìn)行射線檢測(cè)和力學(xué)性能檢測(cè)，焊接工藝參數(shù)如表2所示。MIG焊3組氣體配比方案分別為Ar100％、He100％、Ar50％+He50％氣，焊接坡口加工為X型坡口，坡口角度為60°，焊絲選用的φ1.2mmTC4焊絲，試板材間隙為3～4mm，層間溫度低于150℃。

確定最優(yōu)焊接氣體配比方案后，采用直徑φ1.2mm的TC4焊絲，分在大氣環(huán)境采用拖罩保護(hù)進(jìn)行60°鈦合金平對(duì)接試板的焊接，焊后進(jìn)行相關(guān)無損檢測(cè)和力學(xué)性能檢測(cè)。

3 保護(hù)氣體對(duì)焊縫成形的影響

采用Ar100％氣在試板焊接，由于鈦合金的物理性能，表面張力系數(shù)大、熔融態(tài)時(shí)黏度大，熔池流動(dòng)性差且焊接過程中飛濺過大，焊接性較差，焊縫外觀成形如圖3（1）所示，外觀檢測(cè)焊縫存在表面未熔合。

采用He100％氣在試板焊接，實(shí)現(xiàn)了無飛濺焊接，電弧挺度較差，焊縫熔深較淺，焊絲回?zé)龂?yán)重，易將導(dǎo)電嘴燒損且電弧熱輻射對(duì)操作人員的手烤的太厲害，無法長(zhǎng)時(shí)間焊接，進(jìn)行射線檢測(cè)存在未熔合，焊縫外觀成形如圖3（2）所示。

采用Ar50％+He50％氣在試板焊接，焊接過程中能夠?qū)崿F(xiàn)無飛濺焊接，擺動(dòng)過程中焊縫的流動(dòng)性較好，進(jìn)行射線檢測(cè)一級(jí)無缺陷。焊縫外觀成形如圖3（3）所示，X射線底片如圖3（4）所示。

綜上采用Ar50％+He50％的氣體配比方案進(jìn)行60°鈦合金平對(duì)接試板的焊接。

4 工藝評(píng)定與取樣原則

工藝評(píng)定項(xiàng)目列于表3，取樣尺寸參照國(guó)標(biāo)GB/T2650、GB/T2653和GB/T2651。

5 焊接接頭力學(xué)性能分析

5.1 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)焊接接頭的硬度主要受到化學(xué)成分、組織狀態(tài)、晶粒大小等因素的影響。通過硬度數(shù)值可以間接反應(yīng)接頭的強(qiáng)度和塑韌性，一般地，焊接接頭的硬度在一定程度上與強(qiáng)度呈正比，與塑韌性呈反比。因此，對(duì)于重要結(jié)構(gòu)的焊接接頭對(duì)其硬度值有一定的限制，尤其是熱影響區(qū)的硬度，若硬值較高意味著焊接接頭的塑韌性較差。

由于沿焊縫中心線，焊接接頭兩側(cè)組織對(duì)稱分布，因此只測(cè)量了接頭一側(cè)的顯微硬度。分別在距離母材上下表面2mm和距離下表面4mm處的位置，從焊縫中心到遠(yuǎn)離距離焊縫的方向，進(jìn)行硬度測(cè)試，其中焊縫區(qū)域和母材區(qū)域每隔1mm打一個(gè)點(diǎn)，熱影響區(qū)硬度值波動(dòng)較大，因此間隔0.5mm。具體硬度值見表 4（1）、4（2）。

由表4（1）、 4（2）可得，鈦合金 MIG焊接接頭上下沿硬度變化規(guī)律相似，總體趨勢(shì)均為焊縫與母材相近，熱影響區(qū)發(fā)生一定程度的硬化。一般認(rèn)為鈦合金焊縫熱影響區(qū)的硬化與ɑ馬氏體的生成有關(guān)，隨著母材向焊縫區(qū)的過渡，接頭硬度值呈上升趨勢(shì)。這是由于所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)峰值溫度越來越高，熱積累加劇，所生成的馬氏體含量增加，導(dǎo)致硬度值不斷上升，符合該接頭上下沿硬度變化趨勢(shì)。

所選用的TC4焊絲，其維氏硬度值約為300（HV）。焊接母材為TC4鈦合金，其維氏硬度值約為340（HV），在焊接過程中，采用 TC4 焊絲所形成的熔敷金屬，其硬度值在最終狀態(tài)下與母材極為相近，為焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5.2 全厚度拉伸試驗(yàn)

首先對(duì)該焊接接頭進(jìn)行了全厚度拉伸試驗(yàn)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為900MPa，斷裂在熔合線位置，接頭強(qiáng)度系數(shù)為0.89。該接頭的塑性表現(xiàn)較差，斷后伸長(zhǎng)率在6.0%左右，在拉伸過程中，幾乎未出現(xiàn)明顯塑性變就迅速發(fā)生斷裂。此次焊接試驗(yàn)采用較小的焊接熱輸入，致使熔滴過渡形式主要為短路過渡，導(dǎo)致層間熔合出現(xiàn)了較差的情況。同時(shí)，熔池冷卻速度過快，由此產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，致使熔合線強(qiáng)度降低，最終照成焊接接頭在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)于熔合線位置發(fā)生斷裂。

5.3 全焊縫拉伸試驗(yàn)

為了考察熔敷金屬的抗拉力學(xué)性能，以焊縫中心位置取全焊縫的拉伸棒試樣迸行拉伸試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得試樣抗拉強(qiáng)度為1005MPa，斷后伸長(zhǎng)率為13%。

5.4 沖擊試驗(yàn)

通過采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下對(duì)母材、MIG對(duì)接焊縫及熱影響區(qū)區(qū)域分別進(jìn)行了3組夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。

表4（3）為鈦合金焊縫及熱影響區(qū)區(qū)域的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出。焊縫處的平均沖擊功為36J，熱影響區(qū)的平均沖擊功可達(dá)29.66J。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)焊縫處的沖擊韌性要略微高于熱影響區(qū)的沖擊韌性。這是由于ɑ相抵抗裂紋擴(kuò)展的能力強(qiáng)于初生ɑ相，即裂紋擴(kuò)展功較高，但抵抗裂紋萌生的能力弱于初生ɑ相，由于組織的不均習(xí)性，導(dǎo)致了不同區(qū)域抗沖擊韌性的差異。母材沖擊功為49.86J，焊縫和熱影響區(qū)沖擊功均顯著低于母材。

6 結(jié)論

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。在進(jìn)行中厚板鈦合金MIG焊時(shí)，保護(hù)氣體采用Ar50％+He50％氣，氦氣的加入可以改善熔池的流動(dòng)性，降低焊接飛濺，提高焊接效率，只要制作合適的氣體保護(hù)拖罩就能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高質(zhì)量焊接。

鈦合金MIG焊焊接過程中要控制層間溫度，隨著焊接熱循環(huán)溫度升高，焊縫中生成的馬氏體含量增加，焊縫硬度升高、塑性下降，應(yīng)采用大電流快速焊的焊接工藝。

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（責(zé)任編輯 郭曉勇）