8 mm厚TC4鈦合金TIG、MIG焊接工藝及性能對比研究

牟剛　華學(xué)明　徐小波　王歡　李芳　王敏

摘要：以8 mm TC4鈦合金厚板為實驗材料，采用手工鎢極氣體保護焊（TIG）和熔化極氣體保護焊（MIG）研究了各自實驗條件下的焊縫成形、微觀組織、力學(xué)性能和拉伸斷口的異同。結(jié)果表明，TIG、MIG焊焊縫均成形美觀，但MIG焊焊接速度更快;母材為α+β雙相組織，MIG焊熱影響區(qū)晶粒比TIG焊更均勻;二者焊縫均由粗大柱狀晶組成，組織均為α'馬氏體+β相;手工TIG焊接頭強度系數(shù)達到97.3%，擺動電弧MIG焊接頭強度系數(shù)為93.9%， 擺動電弧MIG焊強度低的原因在于焊縫中存在冶金型氣孔缺陷。

關(guān)鍵詞：鈦合金;中厚板;TIG焊;擺動電弧MIG焊;微觀組織

中圖分類號：TG457.19文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0070-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.11

0 前言

TC4鈦合金含有6%的Al元素（α穩(wěn)定元素）和4%的V元素（β穩(wěn)定元素），屬于α+β兩相鈦合金。該合金具有較高的比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的可焊性，是目前應(yīng)用最為廣泛的鈦合金之一，主要應(yīng)用于航空航天、船舶艦艇、能源化工以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-4]。

由于液態(tài)鈦合金的表面張力大（1.64 N/m）、密度?。? 500 kg/m3）、沸點高（3 315 K），高溫下極易吸附氫、氧、氮等氣體，使得中厚板焊接時的潤濕鋪展、氣孔等焊接缺陷成為研究熱點。焊接方法主要集中在手工TIG焊、激光焊及電子束焊接等。TIG焊具有設(shè)備成本低、操作簡單等優(yōu)點，目前是鈦合金主要的焊接手段，且多集中在厚度4 mm以下的板材[5]，10 mm以上的厚板多采用窄間隙TIG焊或者電子束焊接等方法[6];而應(yīng)用較廣的中厚板材，其適用的焊接方法研究較少，僅有少量文獻嘗試了激光焊接、等離子弧+TIG復(fù)合焊接或冷弧焊，但成本高，不易推廣[7-8]。

本文以某工廠的8 mm TC4鈦合金中厚板為研究對象，分別采用手工TIG焊和擺動電弧MIG焊方法進行工藝試驗，對比分析了其焊縫成形、微觀組織以及力學(xué)性能，對鈦合金中厚板MIG焊接具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗方法

TIG焊采用林肯TIG焊機，MIG焊采用福尼斯公司生產(chǎn)的Advanced-CMT弧焊機，焊接機器人采用安川六軸聯(lián)動機器人。RCU5000i控制面板采用一元化焊接方法，即送絲速度與電流、電壓的關(guān)系會根據(jù)內(nèi)置的焊接特性曲線變化，即送絲速度固定后，電流、電壓不再變化。試驗采用某工廠的TC4鈦合金，化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸為150 mm×75 mm×8 mm。手工TIG焊采用φ2.0 mm的TC4焊條，擺動電弧MIG焊選用φ0.9 mm的TC4焊絲，焊絲伸出長度為10 mm。試驗采用φ（Ar）50%+φ（He）50%作為保護氣，氣流量15 L/min。拖罩采用跟隨式氣體保護裝置，如圖1所示。

手工TIG電弧焊焊接道次順序如圖2a所示，第1道打底成型，板材間隙量約為3 mm，焊接電流約120 A;第2～7道焊縫填充，焊接電流約104 A，電壓約10 V;第8道焊縫背面蓋面，焊接電流約80 A，電壓約10 V，焊接速度約為15 cm/min，層間溫度低于30 ℃。

擺動電弧MIG焊接實驗過程如圖2b所示。首先采用TIG填絲打底保證板材連接（第1道），板材間隙量約為3 mm;第2道背面蓋面確保背面焊縫成形，電流68～75 A、電壓10 V;然后采用MIG填充、蓋面完成焊接（第3、4道）。填充焊縫時，送絲速度為11 m/min（電流103 A、電壓23.3 V），焊接速度為36 cm/min，弧長修正-12%，脈沖修正1.0，焊槍擺動頻率2～2.5 Hz，擺寬2.5～3 mm，焊道兩側(cè)停留時間0.2～0.3 s，第4道蓋面時由于焊縫熔寬增大，因此將擺寬增加至3.5 mm，頻率提高至3 Hz，其他參數(shù)不變。焊接實物如圖3所示。

2 實驗結(jié)果

2.1 焊縫成形及微觀組織分析

手工TIG焊與擺動電弧MIG焊的焊縫正面及背面成形如圖4所示。可以看出，焊縫成形良好，表面光亮呈銀白色。液態(tài)金屬鈦熔池的表面張力大（1.64 N/m），動力粘度高（29 mPa·s），采用手工TIG焊時，焊絲可通過擺動達到潤濕母材填充焊縫的目的。焊縫表面可見相對均勻的魚鱗紋，但焊接過程中需保持焊絲與熔池的距離，否則焊絲容易被凝固的熔池黏住，因此焊接過程不易控制，人為因素很容易影響焊縫成形。當(dāng)采用擺動電弧MIG焊時，全程由機器人控制，焊縫成形美觀，正面魚鱗紋均勻一致，說明焊接過程穩(wěn)定，焊接效率更高。

手工TIG焊與擺動電弧MIG焊接頭的宏觀金相如圖5所示。手工TIG電弧焊的余高明顯更小。這是因為手工TIG焊可隨時調(diào)整焊條熔化速度和焊接速度，擺動電弧MIG焊則是在預(yù)設(shè)一元化程序下進行，所以余高和焊縫熔寬均相對大于手工TIG焊接頭。由于鈦合金的熱導(dǎo)率小、受熱不均、夾具不緊很容易造成較大的熱應(yīng)力從而導(dǎo)致接頭變形，因此需要在背面打底后反向變形。手工TIG焊接填充道次的熱輸入約為4 160 J/cm，底部以細小晶粒為主，這是因為在多次熱循環(huán)作用下，底部組織經(jīng)歷多次熱處理，有足夠能量析出晶粒;而頂部則以粗大柱狀晶為主，這是因為頂部在高溫下停留時間短，冷卻速度較快，組織仍以原始柱狀晶形式存在。擺動電弧MIG焊打底道次的熱輸入約為1 250 J/cm，填充道次熱輸入約為4 000 J/cm，其單道熱輸入小于手工TIG焊，道次數(shù)量僅為TIG焊的50%，焊縫組織高溫停留時間短，仍保留快速凝固形成的柱狀晶組織。此外，擺動電弧MIG焊的熱影響區(qū)平均尺寸小于手工TIG焊，避免了接頭熱影響區(qū)的軟化。

母材微觀組織如圖6所示，母材主要為由亮白色的片狀α相和深色的未轉(zhuǎn)變的殘余β相組成的雙相組織。手工TIG電弧焊以及擺動電弧MIG焊接接頭的熱影響區(qū)和焊縫微觀組織如圖7所示。在熱影響區(qū)，兩種焊接方法均存在明顯的細晶區(qū)和粗晶區(qū)，細晶區(qū)是由于母材α+β雙相組織在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿ˇ孪嗑Я?，在非平衡冷卻條件下，β相晶粒直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體和部分殘余β相。粗晶區(qū)是由于靠近焊縫的部分晶粒在高溫下停留時間過長，β晶粒有足夠的能量長大，冷卻后不能及時轉(zhuǎn)變?yōu)棣辆Я?，仍然保留了粗大晶粒，?nèi)部以α'馬氏體和部分殘余β相為主。手工TIG電弧焊的細晶區(qū)相對而言比較明顯，但因為熱輸入相對較大，高溫停留時間長，部分取向處于優(yōu)勢的晶粒異常長大，導(dǎo)致熱影響區(qū)的組織不均勻和焊接接頭的軟化[9]。擺動電弧MIG焊的熱輸入相對較低，母材在高溫下停留時間短，熱循環(huán)次數(shù)少，因此細晶區(qū)更窄，粗晶區(qū)晶粒尺寸一致性更高，保證了接頭強度。

焊縫組織主要由馬氏體組成的網(wǎng)籃狀組織構(gòu)成。焊縫頂部和底部的柱狀晶沿著散熱方向反向生長，快速冷卻后粗大的β晶粒仍保留原始晶界，內(nèi)部淬火形成α'馬氏體。TIG焊存在部分等軸晶是由于已形成的焊縫在高溫下停留時間長，部分區(qū)域達到β轉(zhuǎn)變溫度以上重新析出β相晶粒，在快速冷卻時晶粒內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體，手工TIG焊縫中的馬氏體細長呈針狀，擺動電弧MIG焊馬氏體尺寸則較小，這是由于手工TIG焊熱輸入大，高溫停留時間長，β相可以充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。擺動電弧MIG焊則因為熱輸入小，高溫停留時間短，且冷卻速度快，馬氏體組織更加細密短小出現(xiàn)網(wǎng)籃狀組織[10]。

2.2 接頭力學(xué)性能分析

本文力學(xué)性能試驗參考船舶行業(yè)標準CB/T 4363-2013，由于板材過厚，試樣強度過高無法進行全厚度試驗，因此對拉伸試樣進行切片處理，減薄后進行拉伸試驗。焊接接頭拉伸結(jié)果如表2所示，母材強度為784 MPa，手工TIG焊平均抗拉強度為763 MPa，約為母材強度的97.3%，試樣斷于母材或熱影響區(qū)。擺動電弧MIG焊平均強度約為736 MPa，約為母材強度的93.9%，均斷于焊縫。

拉伸斷口的SEM形貌如圖8所示。手工TIG焊韌窩尺寸大小不一且韌窩較淺，說明斷口處晶粒大小不一，這是因為手工TIG焊熱輸入較大，導(dǎo)致部分處于優(yōu)先生長位置的晶粒異常長大，這與微觀組織分析結(jié)果一致，因此TIG焊接接頭平均強度低于母材，說明手工TIG焊接過程難以精確控制，焊接結(jié)果并不穩(wěn)定，因此強度低于標準值。擺動電弧MIG焊斷口韌窩小且均勻，撕裂棱不明顯，雖然同樣以α'馬氏體為主，但存在冶金型氣孔，部分氣孔直徑達到400 μm（見圖9），嚴重影響接頭的力學(xué)性能。焊縫中的氣孔是高溫下溶解于液態(tài)熔池中的氣體在焊縫凝固時來不及逸出而殘留在焊縫中形成的。手工TIG焊接熱輸入較大，熔池存在時間長，可以為焊縫中氣體的逸出提供足夠的時間，加之TIG焊接道次較多，多次加熱熔化前道焊縫有利于殘留氣孔的逸出。而擺動電弧MIG焊每道次的熱輸入均小于TIG焊，熔池存在時間短，被溶解的氣體在焊縫凝固時不能及時逸出。此外擺動電弧MIG焊只有4道次，焊縫熔化次數(shù)少，殘留氣體難以逸出，因此形成了大量冶金型氣孔。氣孔的存在顯著降低了焊縫工件的受力面積，會引起應(yīng)力集中成為裂紋源，嚴重影響焊接接頭強度，因此擺動電弧MIG焊接頭強度低于母材和手工TIG焊。

3 結(jié)論

（1）相比手工TIG焊，擺動電弧MIG焊可獲得良好的焊縫成形，擺動電弧MIG焊由機器人控制，焊接效率更高。

（2）相比手工TIG焊，擺動電弧MIG焊熱影響區(qū)晶粒尺寸更一致。手工TIG焊和擺動電弧MIG焊焊縫均由粗大的柱狀晶組成，微觀組織由α'馬氏體和殘余β相組成，后者由于冷卻速度快，馬氏體尺寸更小一些。

（3）手工TIG焊接頭強度系數(shù)為97.3%，擺動電弧MIG焊接頭強度系數(shù)為93.9%，前者斷于母材或者熱影響區(qū)，后者斷于焊縫，強度低的原因在于存在尺寸較大的冶金型氣孔。

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