純鈦(TA2)管焊接技術(shù)研究

張 林，劉 寧*，朱協(xié)彬，趙日定

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖造船廠有限公司,安徽 蕪湖 241000)

鈦和鈦合金具有高強(qiáng)度、良好的延展性和韌性，并具有足夠的耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度。雖然鈦制設(shè)備投資大，但設(shè)備的可靠性和使用壽命大大提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯[1-3]。目前，鈦合金管越來越多地應(yīng)用于石油、化工、能源等工業(yè)，在艦船設(shè)備和海水淡化設(shè)備中的應(yīng)用也日益增多[4]，使得鈦及鈦合金的焊接技術(shù)得到了廣泛的重視。

目前，已有很多方法能實(shí)現(xiàn)鈦合金的連接。如攪拌摩擦焊、釬焊、鎢極氬弧焊等[5-7]。在鈦和鈦合金的釬焊中，最常用的釬焊焊料金屬主要是銅基、銀基和鋁基[8],但焊接效果很不理想[9-10]。張秋平[11]等指出，Ti-Cu-Ni和Ti-Zr-Cu-Ni合金系列的釬焊料適用于大多數(shù)鈦基合金。釬焊得到的純鈦接頭強(qiáng)度在室溫時(shí)為基體金屬的50%至70%，在500 ℃時(shí)為基體金屬的40%至50%。Ganjeh[12]等研究了工業(yè)純鈦的銀基釬料釬焊，其剪切強(qiáng)度最高僅為164.2 MPa。嚴(yán)國(guó)洪[13]等研究表明，鎢合金材料可用作鈦合金攪拌摩擦焊(FSW)的工具材料，其缺點(diǎn)是易于粘著并形成焊縫孔。鈦合金FSW接頭的強(qiáng)度可以達(dá)到基體金屬?gòu)?qiáng)度90%以上，但塑性需要再次提高。而鎢極氬弧焊可以獲得良好的焊接接頭，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，可以大規(guī)模應(yīng)用。田啟發(fā)[14]等探究了純鈦焊接接頭的組織和性能。王宇[15]等探究了保護(hù)氣體對(duì)TA2氬弧焊質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)以工業(yè)純鈦管為研究對(duì)象，采用手工鎢極氬弧焊對(duì)鈦管進(jìn)行連接，并考察焊接接頭的機(jī)械性能和微觀組織。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為純鈦管，規(guī)格為?114.3 mm×3.2 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，根據(jù)GB/T3624-2010標(biāo)準(zhǔn)，材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能分別如表1和表2所示。焊絲采用純鈦焊絲，牌號(hào)為TA2，規(guī)格為?2.0 mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T3623-2007。焊接保護(hù)氣體為高純氬氣，純度不小于99.99%。

1.2 焊接過程

(1)焊接前準(zhǔn)備。為了確保焊接的質(zhì)量和效率，需要在焊前從環(huán)境、坡口及焊接保護(hù)措施等方面進(jìn)行充分準(zhǔn)備。①焊接環(huán)境準(zhǔn)備。施焊場(chǎng)地要設(shè)置在潔凈、干燥的室內(nèi)，保證常溫、無風(fēng)環(huán)境；試驗(yàn)時(shí)所用的磨片、拋光輪、切割片等應(yīng)是不銹鋼新品。②坡口準(zhǔn)備。下料時(shí)采用的切割機(jī)應(yīng)帶有冷卻液，防止局部溫度過高，造成切口氧化；管端坡口內(nèi)表面50 mm內(nèi)應(yīng)用鉸刀清除鈍化膜，外表面50 mm內(nèi)應(yīng)用不銹鋼砂輪片清除鈍化膜；用丙酮或無水乙醇清潔坡口端面，以防止焊接過程中油污受熱被熔池吸收；焊縫坡口如圖1所示。③焊接保護(hù)措施。鈦管點(diǎn)焊對(duì)接后，用白色紙質(zhì)膠帶將焊接處密封??；由于鈦在焊接過程中與O、H、N發(fā)生反應(yīng)，因此必須對(duì)焊接接頭區(qū)域的正面和背面采取良好的保護(hù)措施。使用的手工鎢極氬弧焊的保護(hù)罩如圖2所示；適度分段停焊以保證母材不被過熱氧化。

表1 TA2化學(xué)成分

表2 TA2機(jī)械性能

圖1 鈦管的坡口形式 圖2 鈦管焊接保護(hù)罩

(2)確定焊接工藝參數(shù)。焊接工藝參數(shù)的選擇對(duì)焊件質(zhì)量至關(guān)重要。焊接工藝參數(shù)主要包括氬氣流量、焊接電壓、焊接電流、焊接速度和氣體保護(hù)時(shí)間，具體參數(shù)如表3所示。

表3 純鈦管手動(dòng)TIG焊參數(shù)

(3)焊接試驗(yàn)步驟。①兩根鈦管焊接時(shí)，為了保證焊縫質(zhì)量，焊管子的軸線要在一條線上。②鈦管焊接時(shí)，采用5～6道焊縫進(jìn)行焊接。③先打底焊，完成后再蓋面。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊接電流影響

最優(yōu)焊接工藝參數(shù)如表3所示。焊接電流過大會(huì)造成組織晶粒粗大，且會(huì)增加焊接變形的可能性；而焊接電流太小，焊絲熔化緩慢，會(huì)導(dǎo)致沒有焊透，背面焊縫成型不好。當(dāng)焊接電流過大時(shí)，焊接電流可以選為100 A，電壓13 V，其效果如圖3所示。從圖3中可以看出焊縫處出現(xiàn)了輕微的焊接變形，焊縫處鈦管的顏色有銀白色、金黃色和藍(lán)色，熱影響區(qū)也有部分鈦管顏色變成藍(lán)色。由于鈦的熱導(dǎo)率小，隨著輸入到焊縫的熱量增加，組織晶粒變得粗大；熱輸入增加后必須加快焊接速度，否則會(huì)導(dǎo)致焊絲滴落直接穿透鈦管；熱輸入增加導(dǎo)致溫度急劇升高，稍稍保護(hù)不到位，就會(huì)使鈦管被氧化。當(dāng)焊接電流過小時(shí)，可以選取焊接電流為50 A，電壓為13 V，其效果如圖4所示。從圖4a中可以看出鈦管外表面不存在焊接變形問題；從圖4b中可以看出鈦管內(nèi)表面部分位置出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，背面焊縫成型較差。

圖3 焊接電流過大時(shí)的焊接效果

圖4 焊接電流過小時(shí)的焊接效果

選擇合適的焊接電流，取50～100 A的中間值，并進(jìn)行試驗(yàn)。第一層(打底焊)焊接：焊接電流68～72 A，焊接電壓11～15 V。第二層(蓋面層)焊接：焊接電流83～87 A，焊接電壓11～15 V。按照上述焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。焊接效果如圖5所示。在圖5中，氣體保護(hù)十分有效，焊縫成形很好。合理控制焊接工藝參數(shù)，確保焊接接頭良好成型。

圖5 最優(yōu)焊接電流時(shí)的焊接效果

焊接電流過大時(shí)會(huì)造成組織晶粒粗大，熱輸入增加后必須加快焊接速度，否則會(huì)導(dǎo)致焊絲滴落直接穿透鈦管；焊接電流過小時(shí)，焊接熱輸入過小，焊絲熔化慢，容易造成未焊透，背面成型差等問題。

2.2 焊縫外觀檢驗(yàn)

外觀檢查的主要目的是查看氬氣保護(hù)效果、未對(duì)準(zhǔn)量和變形量。應(yīng)用表3中的工藝參數(shù)得到焊接后鈦管焊縫表面呈銀白色，焊縫成型良好，如圖6所示。

圖6 鈦管焊縫外觀

2.3 焊縫無損檢測(cè)

改變焊接電流(管A：焊接電流為83～87 A，管B：焊接電流為50 A)，保持其他參數(shù)不變進(jìn)行焊接，得到兩根焊縫管。對(duì)焊接的鈦管A和B進(jìn)行無損檢測(cè)，其照片如圖7所示。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5817:2014，圖7a顯示焊縫不存在裂紋、未焊透、夾雜和氣孔，焊縫屬于B級(jí)焊縫，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。圖7b顯示焊縫內(nèi)部存在氣孔、夾雜等缺陷，不滿足焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 鈦合金管焊縫射線探傷檢測(cè)照片

2.4 焊縫力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)鈦管進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，其取樣位置如圖8所示。取45°、225°兩個(gè)位置加工兩個(gè)拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T228.1-2010，拉伸試樣形狀和尺寸應(yīng)符合規(guī)定，將樣品的末端加工成適合試驗(yàn)機(jī)夾緊的形狀，如圖9a所示；取0°、180°、90°、270° 4個(gè)位置加工4個(gè)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣，2個(gè)背彎，2個(gè)正彎，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T3624-2010規(guī)定，當(dāng)需方要求并在合同中(或訂貨單)注明時(shí)，外徑不大于60mm的管材應(yīng)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。彎曲芯直徑是管外徑的12倍，冷彎90°后管的表面應(yīng)無裂紋。

圖8 鈦管機(jī)械性能樣品采樣位置

圖9 鈦管力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣

鈦管力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)后試樣如圖10所示。由圖10a拉伸結(jié)果顯示，兩個(gè)拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度分別為424.91 MPa、409.98 MPa，均達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度0.9倍以上，拉伸結(jié)果符合國(guó)標(biāo)GB/T3624-2010規(guī)定，斷裂位置均為焊縫位置；由圖10b、圖10c彎曲結(jié)果顯示，4個(gè)彎曲試樣受彎面冷彎180°后，表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，彎曲結(jié)果符合GB/T3634-2010規(guī)定。

圖10 鈦管機(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 焊縫管顯微組織分析

首先對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌，其次再進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光，最后用“Kroll”浸蝕劑(HF 1～3 mL，HNO32～6 mL，H2O 91～97 mL)浸蝕后得到焊接接頭試樣的宏觀圖片，如圖11所示。從圖11中可以看出，母材、熱影響區(qū)、焊縫分布清晰可辨，由于焊接熱輸入的影響，從母材-熱影響區(qū)-焊縫的變化過程中，晶粒變得更加粗大。

圖11 焊縫管試樣宏觀圖片

使用BH200M顯微鏡對(duì)圖11試樣進(jìn)行觀察如圖12所示。從圖12中可以看出，α等軸晶組織分布在母材區(qū)域，晶粒細(xì)小，沒有產(chǎn)生馬氏體，接頭機(jī)械性能很好；由于焊接熱輸入的影響，熱影響區(qū)中的晶粒比母材更加粗大，導(dǎo)致韌性下降；焊縫區(qū)域內(nèi)，因焊接熱輸入持續(xù)進(jìn)行，焊縫區(qū)域內(nèi)為少量等軸α相+拉長(zhǎng)條狀α相，機(jī)械性能有所下降。焊接接頭的不同區(qū)域組織在工業(yè)純鈦焊接中很常見，沒有產(chǎn)生異常相。

圖12 焊接接頭各個(gè)區(qū)域的金相照片

3 結(jié)論

通過對(duì)純鈦管TIG焊接工藝研究，獲得了表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊縫，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了機(jī)械性能檢測(cè)和顯微組織觀察。具體研究結(jié)果如下：第一層(打底焊)焊接參數(shù)：焊接電流68～72 A，電弧電壓11～15 V；第二層(覆蓋層)焊接參數(shù)，焊接電流83～87 A，電弧電壓11～15 V。

雖然拉伸試驗(yàn)的試樣在焊縫處發(fā)生塑性斷裂，但兩個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度均高于規(guī)定的抗拉強(qiáng)度430 MPa(母材測(cè)量值)的0.9倍。對(duì)于純鈦(TA2)管焊接接頭，正彎和背彎達(dá)到180°不開裂。結(jié)果表明，焊接接頭具有良好的延展性。由于焊接熱輸入的持續(xù)影響，焊接接頭組織出現(xiàn)拉長(zhǎng)狀的α相，導(dǎo)致機(jī)械性能有所下降；當(dāng)焊接熱輸入適中時(shí)，焊接接頭中組織正常，焊接接頭力學(xué)性能很好。