焊接參數(shù)對(duì)TC4 薄板焊接過程的影響

席凱凱，葛鵬，成培鑫，李鋒鋒，楊衡

（西部金屬材料股份有限公司聯(lián)合技術(shù)中心，西安 710201）

鈦合金是20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來的一種合金，具有強(qiáng)度高、成形性強(qiáng)及可焊性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在眾多鈦合金制品中，有相當(dāng)部分產(chǎn)品是由鈦合金板材焊接而成的，然而在鈦合金板材焊接過程中，板材存在一定的焊接角變形及撓度變形[2]，這降低了焊接件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[3]。研究發(fā)現(xiàn)，焊接變形不僅與焊接件本身的材料屬性及裝夾方式有關(guān)，還與焊接工藝參數(shù)有一定關(guān)系。胡寶[1]研究了激光焊接功率與焊接速度對(duì)熔池寬度和長(zhǎng)度的影響，結(jié)果表明，隨著焊接功率的增大，熔池寬度增大、長(zhǎng)度減小，隨著焊接速度的增大，熔池寬度和長(zhǎng)度均減小。元媛等[4]研究了焊接速度和預(yù)熱溫度對(duì)焊接溫度場(chǎng)及熔深的影響，結(jié)果表明，隨著焊接速度的增大，焊接溫度場(chǎng)的峰值溫度下降，熔深減小。湯一博[5]研究了進(jìn)給速度對(duì)焊接變形的影響，結(jié)果表明，焊接變形隨進(jìn)給速度的增大而逐漸減小。向宏霄[6]研究了焊接速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，不同的焊接速度形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)在分布形式上差別較大，但大小區(qū)別不大。康惠等[7]研究了焊接速度對(duì)鋁合金平板搭接接頭MIG 焊溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，隨著焊接速度的增大，焊縫熔池尺寸減小，焊接溫度場(chǎng)的溫度梯度逐漸變小，且沿焊接方向溫度場(chǎng)分布變得細(xì)長(zhǎng)。錢海盛等[8]研究發(fā)現(xiàn)，平板焊接殘余應(yīng)力與焊接電壓及焊接電流之間均成正比關(guān)系。Wang 等[9]研究了焊接速度對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著焊接速度的增大，殘余應(yīng)力逐漸增大。蒲曉薇[10]研究了焊接熱輸入對(duì)Q345 鋼平板焊接接頭應(yīng)力場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，隨著焊接熱輸入的增加，最大殘余應(yīng)力小范圍增大。李海東等[11]對(duì)比研究了高焊速高束流和低焊速低束流2 種工藝參數(shù)下焊接接頭的殘余應(yīng)力和變形分布規(guī)律。李泰巖等[12]針對(duì)8 mm 厚的7A52鋁合金，在不同焊接速度下采用攪拌摩擦焊（FSW）進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，研究了其焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能。李琴等[13]研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)Q345 鋼平板焊接殘余應(yīng)力的影響?，F(xiàn)有研究還涉及焊接順序及焊接層間溫度等多項(xiàng)焊接工藝參數(shù)[14-18]。

上述研究采用的焊接件主要為管類、T 形板及平板，材料大多為鋼材和鋁合金，焊接方法大多為激光焊、MIG 焊、電子束焊和攪拌摩擦焊[19]，而對(duì)鈦合金薄板進(jìn)行TIG 對(duì)接焊的研究則相對(duì)較少，且上述研究沒有綜合考慮焊接速度、焊接效率及焊接電流等參數(shù)對(duì)焊接溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律。本文擬采用有限元模擬的方法，綜合研究各焊接參數(shù)對(duì)TC4 薄板TIG 焊接過程的影響規(guī)律，以期選擇最佳焊接參數(shù)來指導(dǎo)實(shí)際焊接作業(yè)，提高焊接件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 板材模型及焊接方法

利用三維軟件建立了板材模型，如圖1 所示，尺寸為100 mm×100 mm×3 mm，I 形坡口，焊接熱源采用雙橢球熱源模型[20-22]，焊接熱源起點(diǎn)為O，終點(diǎn)為P，夾具布置在距離焊縫較近的直線A和A'位置，定義沿焊縫方向的路徑為Path 1（OP）和垂直于焊縫方向的路徑為Path 2（MN）。

圖1 焊接板材三維模型Fig.1 3D model of welded plate

2 TIG 焊接過程模擬

由于焊接過程具有高度的結(jié)構(gòu)非線性特點(diǎn)，因此需要考慮TC4 鈦合金材料參數(shù)隨溫度變化的情況，如圖2 所示[23-25]?？紤]到焊接過程中薄板與環(huán)境的對(duì)流與輻射，設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，輻射率為0.85，環(huán)境溫度為20 ℃；考慮到熱輻射作用，設(shè)置斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)為5.67×10?8W/(m2·K4)，絕對(duì)零度為?273.15 ℃[26]。沿圖1 的直線A和A'對(duì)板材進(jìn)行固定，限制其x、y和z方向的自由度。焊接工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 焊接參數(shù)Tab.1 Welding parameters

圖2 TC4 鈦合金材料參數(shù)Fig.2 Parameters of TC4 titanium alloy material

3 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

3.1 焊接速度

不同焊接速度下TC4 薄板上表面及厚度方向的溫度場(chǎng)云圖如圖3 所示?？梢钥吹?，在穩(wěn)弧階段，溫度場(chǎng)為一組以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓，熱源中心的前半部等溫線較密，后半部較疏，且越遠(yuǎn)離熱源中心越稀疏，說明前半部的溫度梯度較大，后半部的溫度梯度較小，越遠(yuǎn)離熱源中心溫度梯度越小。當(dāng)焊接速度為5 mm/s 時(shí)，熔池峰值溫度為4 250 ℃，當(dāng)焊接速度為10 mm/s 時(shí)，熔池峰值溫度為2 653 ℃，這是由于低焊接速度參數(shù)下的焊接線能量（電壓×電流/焊速[11]）為256 J/mm，是高焊接速度下焊接線能量（128 J/mm）的2 倍。穩(wěn)弧階段的熔池形狀類似于淚滴狀，仔細(xì)觀察熔池形貌可知，低焊接速度下熔池的表面寬度和深度均大于高焊接速度下的，這是由于低焊接速度下的焊接線能量更大，隨著焊接線能量的增大，熔池表面寬度和深度也會(huì)相應(yīng)增大。隨著焊接速度的增大，橢圓形的溫度場(chǎng)長(zhǎng)軸越來越長(zhǎng)，短軸越來越短，熔池體積越來越小。

圖3 焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.3 Effect of welding speed on temperature field

不同焊接速度下薄板相同節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖4 所示?？梢钥吹?，在3 組焊接參數(shù)下，溫升階段的溫度梯度基本相似，在高焊接速度下，焊接熔池率先升溫，在到達(dá)峰值溫度后，以較大的溫度梯度快速下降。在焊接過程中，薄板的升溫速度快于降溫速度，且最高溫度已經(jīng)超過材料的熔點(diǎn)。TC4 薄板沿Path 2 的溫度變化曲線如圖5 所示?？梢钥吹?，在3組焊接參數(shù)下，薄板的溫度變化趨勢(shì)基本一致，焊縫位置溫度最高，隨著與焊縫中心距離的增大，溫度逐漸降低。

圖4 焊接速度對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度的影響曲線Fig.4 Effect curve of welding speed on node temperature

圖5 沿Path 2 的溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve along Path 2

3.2 焊接效率

不同焊接效率下TC4 薄板上表面及厚度方向的溫度場(chǎng)云圖如圖6 所示?？梢钥吹?，當(dāng)焊接效率為0.5 時(shí)，熔池峰值溫度為4 250 ℃，當(dāng)焊接效率為0.7時(shí)，熔池峰值溫度為6 231 ℃，這是由于隨著焊接效率的提高，焊接熱源所產(chǎn)生的熱量將更多地被焊接件吸收，導(dǎo)致焊接件溫度升高。低焊接效率參數(shù)下熔池的表面寬度和深度均小于高焊接效率參數(shù)下的，這是由于高焊接效率參數(shù)下的焊接線能量更大。隨著焊接效率的增大，橢圓形的溫度場(chǎng)長(zhǎng)軸越來越短，短軸越來越長(zhǎng)，熔池體積越來越大。

圖6 焊接效率對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.6 Effect of welding efficiency on temperature field

不同焊接效率下薄板相同節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖7 所示?？梢钥吹?，在3 組焊接參數(shù)下，節(jié)點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)基本一致，只是存在峰值溫度的差異。

圖7 焊接效率對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度的影響曲線Fig.7 Effect curve of welding efficiency on node temperature

3.3 焊接電流

不同焊接電流下TC4 薄板上表面及厚度方向的溫度場(chǎng)云圖如圖8 所示?？梢钥吹?，當(dāng)焊接電流為80 A 時(shí)，熔池峰值溫度為4 250 ℃，當(dāng)焊接電流為90 A 時(shí)，熔池峰值溫度為4 988 ℃，這是由于后者的焊接線能量是前者的1.13 倍。低焊接電流參數(shù)下熔池的表面寬度和深度均小于高焊接電流參數(shù)下的，這是由于高焊接電流參數(shù)下的焊接線能量更大。隨著焊接電流的增大，橢圓形的溫度場(chǎng)長(zhǎng)軸越來越短，短軸越來越長(zhǎng)，熔池體積越來越大。

圖8 焊接電流對(duì)溫度場(chǎng)的影響Fig.8 Effect of welding current on temperature field

4 位移場(chǎng)結(jié)果分析

由圖3 可以看出，沿著中心線焊接時(shí)形成了一個(gè)中間溫度高、兩側(cè)溫度低的非均勻溫度場(chǎng)，非均勻受熱及冷卻過程導(dǎo)致焊縫與母材的熱脹冷縮程度不同，峰值溫度更高的焊縫區(qū)域的收縮趨勢(shì)大于母材區(qū)域的，最終引起了焊件熱變形。相關(guān)文獻(xiàn)表明，焊接變形主要集中在法向，即厚度方向[11]，因此本節(jié)主要研究焊接參數(shù)對(duì)TC4 薄板厚度方向變形的影響。

4.1 焊接速度

不同焊接速度下TC4 薄板厚度方向的變形云圖如圖9 所示?？梢钥吹?，當(dāng)焊接速度為5 mm/s 時(shí)，薄板的最大變形量為 0.234 mm，當(dāng)焊接速度為10 mm/s 時(shí)，薄板的最大變形量為0.206 mm，這是由于在高焊接速度參數(shù)下，熔池的寬度和體積較小，焊縫高應(yīng)力集中區(qū)的寬度較窄，從而導(dǎo)致高焊接速度下薄板的變形量小于低焊接速度參數(shù)下的。在2 種焊接速度下，薄板焊后都存在不同程度的焊接角變形，其中低焊接速度下的角變形更嚴(yán)重。

圖9 焊接速度對(duì)厚度方向變形量的影響Fig.9 Effect of welding speed on deformation in the thickness direction

不同焊接速度下TC4 薄板沿Path 1 的變形量如圖10 所示。可以看到，變形量最大的位置為焊縫方向的起始和終了位置，這是由于在起弧和收弧階段，焊接熔池的體積發(fā)生了較大變化。在3 種焊接參數(shù)下，薄板沿厚度方向都產(chǎn)生了不同程度的撓度變形，且隨著焊接速度的增大，撓度變形逐漸減小。不同焊接速度下TC4 薄板沿Path 2 的變形量如圖11 所示?？梢钥吹剑? 種焊接參數(shù)下，遠(yuǎn)離焊接熱源直接作用的兩側(cè)區(qū)域的變形量明顯大于焊縫區(qū)域的，薄板產(chǎn)生了不同程度的焊接角變形。隨著焊接速度的增大，焊接角變形逐漸得到改善。

圖10 TC4 薄板沿Path 1 的變形量Fig.10 Deformation of TC4 thin plate along Path 1

圖11 TC4 薄板沿Path 2 的變形量Fig.11 Deformation of TC4 thin plate along Path 2

4.2 焊接效率

不同焊接效率下TC4 薄板厚度方向的變形云圖如圖12 所示?？梢钥吹?，當(dāng)焊接效率為0.5 時(shí)，薄板的最大變形量為0.234 mm，當(dāng)焊接效率為0.7 時(shí)，薄板的最大變形量為0.312 mm，這是由于在高焊接效率參數(shù)下，熔池吸收的熱量更多，熔池的寬度和體積更大，焊縫高應(yīng)力集中區(qū)的寬度更寬。在2 種焊接效率下，薄板焊后都存在不同程度的焊接角變形，且高焊接效率下的角變形更嚴(yán)重，這是由于在高焊接效率下，焊縫冷卻時(shí)產(chǎn)生的收縮量更多，導(dǎo)致焊接角變形更嚴(yán)重。

圖12 焊接效率對(duì)厚度方向變形量的影響Fig.12 Effect of welding efficiency on deformation in the thickness direction

不同焊接效率下TC4 薄板沿Path 1 的變形量如圖13 所示?？梢钥吹剑? 種焊接參數(shù)下，曲線的變化趨勢(shì)基本一致，在起弧和收弧位置變形量發(fā)生了較大波動(dòng)，而在穩(wěn)弧階段，變形量最大。在3 種焊接參數(shù)下，薄板沿厚度方向都產(chǎn)生了不同程度的撓度變形，隨著焊接效率的增大，撓度變形越來越大。不同焊接效率下TC4 薄板沿Path 2 的變形量如圖14 所示?？梢钥吹剑? 種焊接參數(shù)下，焊縫兩側(cè)區(qū)域的變形量明顯大于焊縫區(qū)域的，薄板產(chǎn)生了不同程度的焊接角變形，隨著焊接效率的增大，角變形越來越嚴(yán)重。

圖13 TC4 薄板沿Path 1 的變形量Fig.13 Deformation of TC4 thin plate along Path 1

圖14 TC4 薄板沿Path 2 的變形量Fig.14 Deformation of TC4 thin plate along Path 2

4.3 焊接電流

不同焊接電流下TC4 薄板厚度方向的變形云圖如圖15 所示。可以看到，當(dāng)焊接電流為80 A 時(shí)，薄板的最大變形量為0.234 mm，當(dāng)焊接電流為90 A 時(shí)，薄板的最大變形量為0.279 mm，這是由于后者的焊接線能量是前者的1.13 倍，熔池的體積和寬度更大。在2 種焊接電流參數(shù)下，薄板焊后都存在不同程度的焊接角變形，高焊接電流下的角變形更嚴(yán)重。

圖15 焊接電流對(duì)厚度方向變形量的影響Fig.15 Effect of welding current on deformation in the thickness direction

5 應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析

焊接結(jié)束后，薄板完全冷卻時(shí)殘留的應(yīng)力即焊接殘余應(yīng)力。其中，橫向應(yīng)力表示垂直于焊縫方向的力，縱向應(yīng)力表示沿焊縫方向的力。研究表明，焊后殘余應(yīng)力主要集中在縱向[11]，因此本節(jié)主要研究焊接參數(shù)對(duì)TC4 薄板縱向殘余應(yīng)力的影響。

5.1 焊接速度

不同焊接速度下TC4 薄板的縱向等效殘余應(yīng)力云圖如圖16 所示?？梢钥吹?，焊縫及其附近區(qū)域存在縱向殘余拉應(yīng)力，在焊縫端部存在應(yīng)力過渡區(qū)，縱向應(yīng)力逐漸減小，直至為0 MPa，這是因?yàn)閮蓚?cè)端面之外沒有材料，不會(huì)對(duì)該位置的變形產(chǎn)生約束，應(yīng)力得以完全釋放，其內(nèi)應(yīng)力值自然為0 MPa。焊縫處的等效殘余應(yīng)力最大，距離焊縫越遠(yuǎn)，受熱影響越小，殘余應(yīng)力值越小。當(dāng)焊接速度為5 mm/s 時(shí)，縱向殘余拉應(yīng)力最大值為947 MPa，當(dāng)焊接速度為10 mm/s時(shí)，縱向殘余拉應(yīng)力最大值為1 059 MPa，這是由于在高焊接速度參數(shù)下，溫度循環(huán)曲線降溫階段的起始段梯度較大，導(dǎo)致焊接后產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。在2 組焊接速度下，高應(yīng)力集中區(qū)的寬度不同，高焊接速度下高應(yīng)力集中區(qū)的寬度明顯小于低焊接速度下的，這是由于高焊接速度下熔池的體積更小、寬度更窄。

圖16 焊接速度對(duì)縱向等效殘余應(yīng)力的影響Fig.16 Effect of welding speed on longitudinal equivalent residual stress

不同焊接速度下TC4 薄板沿Path 2 的殘余應(yīng)力如圖17 所示。可以看到，從距離焊縫中心約10 mm開始，縱向殘余應(yīng)力趨于焊縫中心方向由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，這是由于焊縫部分的材料最后冷卻，焊縫沿縱向收縮時(shí)受到已經(jīng)冷卻材料的阻力，焊縫冷卻受阻，焊縫及其附近區(qū)域的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，基材區(qū)為壓應(yīng)力。隨著與焊縫中心距離的增大，在靠近薄板邊緣的位置殘余應(yīng)力值逐漸趨近于0 MPa。最大殘余拉應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫位置，越靠近焊縫中心拉應(yīng)力越大，在焊縫中心處應(yīng)力略微下降。

圖17 TC4 薄板沿Path 2 的殘余應(yīng)力Fig.17 Residual stress of TC4 thin plate along Path 2

5.2 焊接效率

不同焊接效率下TC4 薄板的縱向等效殘余應(yīng)力云圖如圖18 所示?？梢钥吹?，當(dāng)焊接效率為0.5 時(shí)，縱向殘余拉應(yīng)力最大值為948 MPa，當(dāng)焊接效率為0.7時(shí)，縱向殘余拉應(yīng)力最大值為892 MPa，隨著焊接效率的增大，殘余應(yīng)力峰值逐漸減小。在2 組焊接效率下，高應(yīng)力集中區(qū)的寬度不同，高焊接效率下高應(yīng)力集中區(qū)的寬度明顯大于低焊接效率下的。

圖18 焊接效率對(duì)縱向等效殘余應(yīng)力的影響Fig.18 Effect of welding efficiency on longitudinal equivalent residual stress

5.3 焊接電流

不同焊接電流下TC4 薄板的縱向等效殘余應(yīng)力云圖如圖19 所示。可以看到，當(dāng)焊接電流為80 A 時(shí)，縱向等效殘余拉應(yīng)力最大值為948 MPa，當(dāng)焊接電流為90 A 時(shí)，縱向等效殘余拉應(yīng)力最大值為1 018 MPa，隨著焊接電流的增大，殘余拉應(yīng)力的峰值逐漸增大。在2 組焊接電流參數(shù)下，高應(yīng)力集中區(qū)的寬度差別較小。

圖19 焊接電流對(duì)縱向等效殘余應(yīng)力的影響Fig.19 Effect of welding current on longitudinal equivalent residual stress

6 結(jié)論

1）隨著焊接速度的增大，熔池峰值溫度逐漸降低，熔池寬度和體積逐漸減??；而焊接效率和焊接電流對(duì)溫度場(chǎng)的影響與焊接速度相反。

2）隨著焊接速度的增大，焊接件的最大變形量逐漸減小，焊接角變形及撓度變形得到改善；而焊接效率和焊接電流對(duì)位移場(chǎng)的影響與焊接速度相反。

3）隨著焊接速度和焊接電流的增大，縱向殘余拉應(yīng)力逐漸增大，焊縫處高應(yīng)力集中區(qū)的寬度逐漸減小，而焊接效率對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響與焊接速度相反。

4）高焊接速度、中等焊接效率、低焊接電流參數(shù)對(duì)焊接變形的控制更具優(yōu)勢(shì)。