厚壁焊接鈦管的等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接工藝研究

張躍龍 孔諒 牟剛 李芳 成家林 李亞軍 華學(xué)明 王敏

摘要：鈦及鈦合金厚壁焊管是海水淡化和海洋工程等行業(yè)的主要部件。采用前置直流等離子填絲+后置脈沖TIG電弧的雙槍焊法，無耦合的等離子焊+TIG焊形式利用等離子弧焊與TIG焊的優(yōu)點實現(xiàn)了大口徑壁厚4 mm的TA1焊接鈦管的優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定焊接。結(jié)果表明，隨著等離子氣體流量的增加，直流等離子填絲焊的熔深增加，厚壁鈦管全熔透;后置TIG電弧對已形成焊縫進(jìn)行重熔，TIG焊脈沖頻率的增加可以降低焊縫晶粒尺寸，提高接頭性能，并對前置等離子填絲焊過程出現(xiàn)的咬邊等缺陷具有較好的修復(fù)作用。本方法不但擴(kuò)大了焊縫成形的工藝窗口，而且焊接過程穩(wěn)定，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到354 MPa，經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，實現(xiàn)了厚壁焊接鈦管的低成本優(yōu)質(zhì)焊接生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：厚壁焊接鈦管;等離子填絲焊;脈沖TIG焊;焊縫成形;接頭組織和性能

中圖分類號：TG456.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0027-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.05

0? ? 前言

鈦及鈦合金的厚壁焊管是海水淡化、海洋工程和化學(xué)工業(yè)等行業(yè)的主要部件。在厚壁焊管生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）等焊接方法因焊接速度較低，焊縫高溫停留的時間較長，造成焊接區(qū)晶粒有明顯的長大傾向，因此焊接接頭的綜合力學(xué)性能有所下降，從而影響焊接質(zhì)量，已不能適應(yīng)大型化工及海洋裝備市場快速發(fā)展的要求。

等離子焊接具有電弧溫度高、能量密度大、穿透力強(qiáng)、焊接速度快以及熱影響區(qū)小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于鈦及鈦合金、低碳鋼、不銹鋼等金屬的焊接[1]。但是等離子弧焊接在焊接速度較高時，熔融金屬來不及向熔池邊緣鋪展就已冷卻，導(dǎo)致焊縫存在咬邊等焊接缺陷。研究人員針對等離子高速焊接時的成形缺陷進(jìn)行了相關(guān)研究：董文寧[2]等人將等離子打底焊和后續(xù)TIG 填絲蓋面焊兩種焊接工藝相結(jié)合，提高了厚壁不銹鋼的正背面成形穩(wěn)定性;王波[3]等研究了低碳鋼等離子-TIG 耦合電弧復(fù)合填絲焊接的深熔焊接特性，獲得了穩(wěn)定的單面焊接雙面成形焊接工藝。隨后有學(xué)者提出采用脈沖等離子填絲打底+TIG蓋面的方法，解決了10 mm以上厚度鈦及鈦合金構(gòu)件在高速焊接時的表面質(zhì)量問題[4-5]。

目前，針對不開坡口且壁厚在3～8 mm的焊接鈦管，優(yōu)質(zhì)、高效的焊接方法有待進(jìn)一步完善。文中以典型的4 mm厚TA1鈦板為對象，采用等離子填絲+脈沖TIG的雙槍焊接方法，結(jié)合較為常用的直流等離子填絲焊的深熔特性，利用脈沖TIG電弧對焊縫組織的晶粒細(xì)化和性能改善機(jī)理[6-8]，以及TIG電弧對等離子焊縫成形缺陷的修整作用，在提高焊接接頭力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到厚壁焊接鈦管的可靠焊縫成形，探索了大口徑厚壁焊接鈦管優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的焊接工藝。

1 試驗材料及方法

試驗材料為昆鋼生產(chǎn)的4 mm×100 mm×400 mm工業(yè)純鈦TA1熱軋純鈦板（退火態(tài)），其化學(xué)成分如表1所示，抗拉強(qiáng)度340～490 MPa，延伸率30%。

首先采用鈦板等離子自熔焊的方法，以焊縫成形作為評價標(biāo)準(zhǔn)，研究等離子弧焊焊接參數(shù)對焊縫成形的影響;然后采用等離子填絲+脈沖TIG的雙槍進(jìn)行鈦板對接焊試驗，探索雙槍焊工藝對焊縫成形和性能的影響，最終應(yīng)用于實際生產(chǎn)。自主搭建的等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊試驗平臺如圖1所示。兩槍間距約為300 mm，由于等離子弧與TIG電弧不存在耦合，所以可以綜合兩種焊接方法的優(yōu)勢得到具有一定熔深和細(xì)密魚鱗紋的焊接接頭。焊前首先打磨鈦板表面，然后對板材進(jìn)行酸洗（HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶15）。焊后繼續(xù)通保護(hù)氣冷卻至室溫以防止氧化。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈦板等離子自熔焊焊縫成形特征

等離子自熔焊焊接速度為40 cm/min，焊槍噴嘴距板材3 mm。自熔焊焊接參數(shù)及焊縫成形評價如表2所示，等離子自熔焊的焊縫宏觀成形及微觀組織如圖2所示。

由圖2可知，母材為尺寸一致的均勻α等軸晶;熱影響區(qū)主要由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)組成，組織由一定取向的α相+板條馬氏體組成;焊縫主要由尺寸較大的晶粒組成，組織為α相+板條馬氏體。

從焊縫成形的角度來看，試驗中隨著等離子氣體流量的增大，等離子流力增大，電弧穿透能力增強(qiáng)，TA1板材逐漸被熔透，熔深增加，背面焊縫熔寬隨之增大。與此同時，由熔池中心指向熔池邊緣的等離子流力也在增大，因此在相同電流的情況下，液態(tài)金屬更多地被推到熔池邊緣，使得咬邊程度減輕。同時，在相同的焊接速度和較大的等離子氣流條件下，隨著電流的增大，焊接熱輸入隨之增加，使得熔池冷卻較慢，因而焊縫背面熔寬增大，咬邊程度降低。

自熔焊焊接參數(shù)及焊縫成形評價結(jié)果表明，鈦合金等離子弧焊的焊縫成形易受到焊接參數(shù)的影響，特別是焊縫正面的咬邊現(xiàn)象比較嚴(yán)重，使得滿足穩(wěn)定的焊縫成形的工藝窗口較小。

2.2 鈦板等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接工藝

鈦板等離子填絲焊+脈沖TIG雙槍焊的焊接工藝參數(shù)如表3所示，對接試驗的鈦板間隙量為0.2 mm。焊絲牌號TA2，直徑1.0 mm，送絲速度600 mm/min。起弧階段焊槍噴嘴距板材3 mm，不送絲。起弧后，焊槍迅速抬高至距離板材6 mm處，開始送絲。由于等離子弧的能量一部分用來熔化焊絲，因此等離子弧焊的電流增大到190 A。

等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊的焊縫宏觀照片如圖3所示，雙槍焊的焊縫微觀組織及焊縫成形如圖4所示?？梢钥吹胶缚p表面存在較淺的細(xì)密魚鱗紋，母材組織為尺寸均勻一致的α等軸晶，熱影響區(qū)主要由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)組成，組織為具有一定取向的α相+板條馬氏體，焊縫主要由尺寸較大的晶粒組成，組織為α相+板條馬氏體組織;焊縫成形良好。

與圖2a相比，雙槍焊試驗的等離子弧焊電流由170 A增至190 A，加之有脈沖TIG重熔焊縫，因此熱輸入量較大，接頭熱影響區(qū)平均寬度有所增加，熱影響區(qū)的晶粒尺寸增大。而在TIG脈沖電弧對熔池的攪拌作用下，焊縫中的晶粒尺寸有所下降。說明雙槍焊工藝中的脈沖TIG電弧不僅可以得到細(xì)密的魚鱗紋，改善等離子高速焊接中出現(xiàn)的焊縫咬邊現(xiàn)象，還可以細(xì)化晶粒，有助于提高接頭強(qiáng)度。

焊接接頭拉伸試驗按照國標(biāo)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》執(zhí)行，為避免焊縫余高及錯邊的影響，本試驗拉伸試樣采用切片打磨的方法獲得。3根板材對接試樣的拉伸曲線如圖5所示，斷裂試樣的宏觀照片如圖6所示。3根試樣均斷裂在母材處，抗拉強(qiáng)度平均值約為354 MPa。根據(jù)GB/T 3621-2007 《鈦及鈦合金板材標(biāo)準(zhǔn)》，TA1抗拉強(qiáng)度要求不小于240 MPa，因此母材符合要求。另一方面，可以推測接頭抗拉強(qiáng)度不小于354 MPa，參考CB/T 4363-2013 《船用鈦及鈦合金焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)》，焊接接頭滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)合前期試驗結(jié)果，搭設(shè)實際鈦管焊接生產(chǎn)線。由于管件拘束度較大，為降低殘余應(yīng)力，提高強(qiáng)度，將TIG脈沖的焊接頻率增加至10 Hz。鈦管等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接的實際焊接生產(chǎn)線如圖7所示，直徑108 mm大口徑卷焊鈦管的焊后試樣如圖8所示，焊縫截面的微觀組織及焊縫成形如圖9所示。

對比圖4，圖9中卷焊鈦管的焊縫和熱影響區(qū)晶粒尺寸均降低，進(jìn)一步說明TIG電弧的頻率增加促進(jìn)了焊接熔池的冷卻，有助于減小晶粒尺寸，因而可獲得合格的大口徑厚壁卷焊鈦管。

3 結(jié)論

（1）對于鈦板的等離子弧自熔焊，當(dāng)?shù)入x子氣體流量由2.25 L/min增加到3.25 L/min時，熔深增加，咬邊程度降低。

（2）對于等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接，等離子弧焊可以實現(xiàn)4 mm鈦板對接焊接，脈沖TIG焊可修補(bǔ)等離子填絲焊過程中出現(xiàn)的咬邊等缺陷。

（3）脈沖TIG焊頻率的增加可以減小焊縫晶粒尺寸，提高接頭性能;拉伸試樣均斷在母材處，接頭強(qiáng)度達(dá)到354 MPa。

（4）經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，等離子填絲+脈沖TIG的雙槍焊接方法可實現(xiàn)厚壁焊接鈦管的高效、可靠焊接。

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