TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究.doc

王纯：钛合金活性焊剂钨极氩弧焊焊缝成形TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究Study on tungsten are welding process with activated flux of TC4 Ti alloy王纯摘 要 针对1.5和3.0的TC4钛板手工直流A-TIG焊焊接质量、接头力学性能、显微组织及气孔形成的影响进行了系统的研究。分析了各种焊接工艺参数对焊接质量的影响及其规律；利用材料拉伸试验机、金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线探伤等技术对焊接接头力学性能、接头显微组织及气孔缺陷等进行分析；对活性焊剂对接头组织的影响机理、TIG焊接头气孔的形成原因和防止措施及活性焊剂对气孔形成的影响进行了分析和讨论。关键词 钛合金；活性焊剂；氩弧焊1引言纯钛在室温下为密排六方结构，与体心立方金属相比，没有冷脆现象；钛的塑性较好，纯钛在室温下可进行冷轧，其厚度减缩率可超过90%，而不出现明显裂纹；钛及其合金倘若精细地去除杂质(主要是氧)，在-253下仍能保持相当好的塑性；钛合金有较高的高温强度，其工作温度可达550；钛很容易与氧生成稳定的氧化薄膜，在很多环境介质中比铝合金、不锈钢和铜合金有更高的腐蚀抗力1。钛及其合金在工程上应用较晚，直到1952年才正式作为结构材料使用，这主要是因为钛与氧、氮、氢及碳这些元素有很强的亲和力和化学作用，致使钛及其合金的生产成本较高，但它在航空航天、舰船、兵器等军事工业部门中已得到了广泛应用，且发展很快。随着钛合金在工业领域的推广应用，钛合金材料的焊接技术及工艺是其实用化必须解决的关键问题之一。适于钛及其合金的焊接方法有很多，钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方式在钛及钛合金的焊接中应用广泛。随着焊件的具体情况，高频焊、爆炸焊、摩擦焊、扩散焊等也是常采用的焊接方法24。目前，在钛产品焊接过程中，国内使用最普遍的是钨极氩弧焊(Tungsten Inert-Gas Arc Welding简称TIG或GTAW)，包括手工、自动或半自动。国内钛设备制造过程中几乎95%以上的焊接工作是手工TIG焊 5。为了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，扩大TIG焊的应用范围，国内外的焊接工作者进行了大量的研究。近年来，一种新型高效的焊接方法活性焊剂钨极氩弧焊(Activating Flux TIG，简称A-TIG)越来越引起世界范围内人们的关注。二十世纪六十年代中期乌克兰巴顿焊接研究所(PWI)进行钛合金焊接研究时发现涂敷活性焊剂可以显著增加TIG焊的焊接熔深，并研制出了钛合金用活性焊剂。到了二十世纪九十年代活性焊剂在焊接不锈钢、碳锰钢和低合金钢方面获得巨大的成功，并发展成A-TIG焊一种新型的焊接工艺方法。此时，前苏联进入了A-TIG焊技术的实用阶段，将其广泛用于电力、化工和航天等重要工业领域6。继前苏联之后，1993年美国的爱迪生焊接研究所(EWI)与海军连接中心(NJC)合作，开始了TIG焊用焊剂的研究，该项目总投资80万美元，主要用于开发不锈钢、碳钢、镍基合金及钛合金用的活性焊剂7。日本近年来也开发了氩弧焊用焊剂，主要用于修复电厂热量管道焊接接头处常产生的裂纹，可不开坡口直接重熔进行修复。英国焊接研究所(TEI)正在对活性焊剂的作用机理进行深入研究，其与巴顿焊接研究所(PWI)合作，致力于用于工业生产的氩弧焊用焊剂项目已取得进展，该项目总投资10万英镑8。我国对A-TIG焊技术的研究始于1998年前后，并已取得了初步成果。兰州理工大学916、哈尔滨工业大学1722、洛阳船舶材料研究所23、广船国际股份有限公司工艺研究所24、大连铁道学院25和陕西工学院26针对不锈钢、碳钢、铝合金用的活性焊剂进行了配方研制和增加焊接熔深机理的研究。另外，北京航空制造工程研究所(航天625所)及西安航空材料研究所分别从乌克兰引进了钛合金和不锈钢活性剂的配方，并作了一定的研究。本研究对TC4钛合金TIG焊和A-TIG焊的焊接工艺过程、接头组织特征、力学性能、焊接气孔及其形成机理等进行探讨，旨在为推进A-TIG焊工艺在钛合金结构件上的应用提供理论和实践依据。2焊接试验2.1 工艺方案本实验采用手工直流TIG焊和A - TIG焊进行对比试验。待焊材料为1.5和3.0的TC4钛板，接头形式采用常规平板对接，不开坡口，预留试样间隙分别为0.2mm和0.5mm，填加直径为1.6mm 和2.0mm的TC4焊丝，单道焊。焊前，对两种焊接方法的待焊试样均进行相同的处理措施。在保证焊透的前提下，对焊接规范进行摸索，并最终确立两种焊接方法的焊接规范。2.2 实验方法2.2.1焊接装置采用的焊接装置见图1。图1 焊接装置示意图1）选用高纯氩气（纯度为99.999%）作保护气体，氩气瓶中的压力低于1.01MPa时，停止使用。2）焊接电源为美国俄亥俄州林肯电气公司(The Lincoln Electric Company)生产的TIG375型交直流氩弧焊机，其网路电压波动不大于10%，具有陡降外特性、有良好的动特性，能方便地调节焊接规范，并能在所需规范下稳定工作，引弧方式为高频引弧。3）对焊枪喷嘴进行了改造(见图2)：增加缓冲室的长度和直径，将气流分为内、中、外三层；增加气体透镜装置，强制气体生成层流层，增加气流挺度，在气体透镜和喷嘴之间形成第三层保护气流层，进一步扩大保护范围；增加通道直径，扩大保护面积；减少通道长度，提高气体挺度。4）电极采用钍钨极(EWTh-1)，用于1.5和3.0钛板的钨极直径分别为1.6mm和2.4mm。在每条焊缝焊接之前，均重新研磨电极，使其端部为带有圆顶的锥形，以改善引弧，便于控制电弧方向，减小焊接过程中钨极的烧损以保证焊接参数一致。缓冲室 气体透镜 通道图2 改造后的焊枪喷嘴部分2.2.2焊接工装高温下钛合金与氧、氮、氢等物理化学反应的亲和力大，易引起焊接接头脆化、接头裂纹、焊缝气孔等缺陷。在大气中进行TIG焊时，焊接部位的正反两面都要用氩气保护。事实上，钛合金的焊接成功与否，很大程度上取决于保护技术。焊接时不仅要保护熔池，而且要保护已凝固、但温度尚在400以上的焊缝及高于此温度的热影响区，焊缝背面同样必须保护。一般在焊枪后紧接一个通氩气的拖斗来实现对正面焊缝及热影响区的保护。由图3焊枪和拖斗组合可以看出，拖斗由夹持扣、后拖箱体和进气口三部分组成。夹持扣 焊枪 钨极 后拖箱体 进气口 焊接方向图3 焊枪和拖斗组合图4 钛合金焊接保护拖罩示意图氩气流过带孔的金属散射屏(200目铜网)喷射到焊缝区，其长度与线能量、焊接速度成正比，保护宽度应足以包括焊道两侧处于高温的热影响区。其示意图见图4。为了减少焊接变形和保证焊接的质量，根据试样的尺寸、形状和焊接方法，设计了专用夹具(图5)。带槽垫板、活动垫板和压板选用紫铜材料，散热效果好，可以加速焊缝的冷却，使焊缝的晶粒细化，提高焊缝的性能。压板不仅用于固定试样及平对间隙，同时对焊接中的变形产生约束，以减少焊接残余变形。带槽垫板上的方形槽可以保证焊缝反面成型，通以氩气，可完成对焊缝背面的保护。其示意图见图6。图5 焊接夹具示意图 1-带槽垫板 2-试样 3-凹槽 4-活动垫板 5-压板 6-压紧螺母图6 用带槽垫板对焊缝背面进行氩气保护的示意图2.2.3焊接过程工作间应整洁、干燥，室内温度不低于5，不允许有穿堂风。试样对接面的错位不得超过薄板厚度的10%。焊工在装夹和焊接过程中必须带手套，不得赤手触摸焊丝和试样。先试焊一点，以检查表面清洁度和氩气、夹具的保护效果。其方法是：引弧后，焊枪固定不动，填加几滴焊丝，然后熄弧，氩气继续保护，待冷却后，观察焊点区颜色，如果是银白色，即证明焊前清理效果、氩气纯度和夹具保护效果良好。否则，检查清理程序、氩气纯度和夹具，找出原因并予以纠正，直至试焊出银白色的焊缝为止。焊接电弧引燃之前，先通氩气1015秒钟。焊接结束，电弧熄灭后，应继续向焊缝区输送氩气1015秒钟。焊接过程中，焊丝端头应始终保留在保护气氛中。已经变色的焊丝端头，在进一步施焊时，应将其去除。每当焊接中断，应将焊丝端头切掉10mm，以去除污染区。更换焊丝时，焊枪不要离开，继续通氩气保护。在同一焊接工艺参数下，对不涂和涂有活性焊剂的对接试件分别施焊。试验用焊接工艺参数见表1。表1 钛合金TC4的 TIG、A-TIG焊焊接工艺参数厚度 /mm焊接速度v/mmmin-1焊接电流I /A焊接电压U /V氩气流量Q/Lmin-1Q正Q反Q拖1.510021050907101012346123.011050012020010141215461318焊接时，观察比较焊接过程中电弧的变化及焊接电压的情况，焊完后观察试件表面焊缝成形情况，以确定两种焊接方法的焊缝表面及焊缝成形情况。为了开发出成熟的A-TIG焊工艺，研究焊接电流、焊接速度等工艺参数对A-TIG焊焊缝形状的影响规律。试验时，每次只变动表1中一个焊接参数，其它参数不变。2.2.4 试样的制备与检测1）X射线探伤。对TIG焊接和A-TIG焊接试样进行X射线探伤，以对比焊接接头气孔数量的差别和位置的变化。2）接头性能测试。按照GB2649-89焊接接头机械性能试验取样方法选取拉伸和弯曲的试样尺寸(图7、8)，在长春试验机厂产DLY-6型6吨液压拉力试验机上进行拉伸和弯曲试验。图7 拉伸试样尺寸图图8 弯曲试样尺寸图3）显微组织分析。各种工艺试验焊接接头经磨平、抛光、腐蚀后制备成的金相试样，分别用光学显微镜和扫描电镜观察焊缝的显微组织形态。3试验结果与讨论3.1保护气体流量对焊缝质量的影响以1.5的TC4钛板为例，采用140mm/min焊接速度作为基准来确定焊枪、拖斗和背面保护气体流量对焊缝质量的影响。3.1.1焊枪保护气体流量的影响焊枪保护气体是焊缝正面保护的主要因素，自焊枪流出，主要保护熔池和处于高温区的焊缝。正常的气体流量应该为1012L/min，能够保证正面熔池和焊缝不受氧化，焊缝颜色处于银白色，并保证此状态持续至交于拖斗继续保护。在保证拖斗和背面保护气体流量的条件下，随着焊枪保护气体流量从10L/min降低至8L/min时，焊缝金属的颜色由银白转为浅黄和深黄；继续降低焊枪的气体流量，焊缝颜色由黄色转变为蓝色，甚至表面出现白色粉末状的氧化层。如果焊枪保护气体流量在1215L/min之间，焊缝金属不会出现其它异常效果；继续增加气体流量，焊缝出现氧化色，银白色消失。这是由于气体挺度太大，熔池或焊缝反射回来的气体扰乱了正常气流，层流层变成了紊流层，降低了保护效果。结果表明，将焊枪保护气体流量规定为1012L/min，预先通气时间为2秒，可保证最佳的保护效果。同时，焊接完成后气流后滞停留时间不少于10秒，保证收弧处的焊缝金属受到持续保护，直到其温度降到400以下。3.1.2拖斗保护气体流量的影响拖斗保护气体主要用于保护处于高温区和中温区的焊缝和热影响区免受大气污染，直到其温度低于400。不要求拖斗气流具有挺度，仅需均匀地覆盖在焊接区域，稍作停留。正常拖斗保护气体流量在812L/min之间，能够保持焊缝金属颜色不再变深，持续稳定。气体主要是来填满拖斗内腔，然后缓缓流出筛孔板，穿过铜网喷覆在焊接区域。在保证焊枪和背面保护气体流量的条件下，若拖斗保护气体流量低于8L/min，焊缝颜色渐渐由银白色转为黄色和蓝色，气体流量越低，颜色变化越深，特别是热影响区表现得尤为突出，气体流量减少到6L/min时，热影响区已经严重发蓝。若拖斗保护气体流量大于12L/min，持续增加气体流量，焊缝保护效果并没有变化，即使增加到20L/min，焊缝颜色也没有变化。结果表明，可以将拖斗气体流量定为1012L/min，不需要预先通气和滞后通气。3.1.3 背面保护气体流量的影响背面保护气体是通过夹具进入到焊缝背面，整体作用于焊接区域和未焊接区域。由于夹具凹槽是以气腔形式出现，所以保护气体首先应该充满凹槽，排出空气，随后持续输送气体，达到保护的目的。正常的背面保护气体流量为34L/min，能够满足要求。在保证焊枪和拖斗保护气体流量的条件下，背面保护气体流量小于2 L/min时，焊缝金属能够受到保护，但由于气流量不足，热影响区颜色变蓝。最后确定背面保护气体流量为3 L/min，要求预先通气时间：焊缝每100mm长不得少于5秒。3.2 焊接工艺参数对接头性能的影响焊接接头的形成一般要经过加热、熔化、冶金反应、凝固结晶和固态相变等几个环节。焊接接头由焊缝和热影响区两部分组成，焊缝和热影响区之间存在一个过渡的熔合区。不同焊接条件下，由于熔池中的冶金条件和冷却条件不同，焊缝的性能存在很大差异。改善焊缝性能的途径很多，归纳起来主要有调整焊接工艺、焊缝的固溶强化和变质处理。接头热影响区是焊缝附近母材受到焊接热循环作用后形成的一个特殊热处理区，其性能取决于材料本身的特征和焊接工艺条件两方面，可通过采用适当的焊接工艺来提高焊接热影响区的性能。焊接接头的实际性能一般是焊缝与热影响区的性能平均值。研究焊接工艺对1.5的TC4钛板TIG焊、A-TIG焊接头性能的影响。在表1的焊接工艺参数下焊接，每次只改变一个参数，其它参数保持不变，焊后试样用锉刀去除焊缝余高，未经过任何热处理，对获得的接头室温性能进行对比和分析，寻求获得满意接头性能的焊接工艺。母材的室温性能见表2。表2 1.5的TC4钛板(母材)的室温性能状态抗拉强度b/MPa延伸率5/%弯曲角/M1095.512.2353.2.1 焊接电流的影响在54A68A之间改变焊接电流，得到了1.5的TC4钛板TIG焊和A-TIG焊的室温性能(表3)，绘制出各性能随焊接电流变化的曲线图(图9图12)。表3 焊接电流对性能的影响电流I抗拉强度b/MPa延伸率5/面弯曲/背弯曲/ATIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIG5410441056.05.505.7730.031.031.533.55510431055.05.585.8730.531.532.535.05610421053.75.676.0031.032.034.537.56010391048.06.056.5435.537.536.540.06510191018.06.577.2241.044.040.044.06710091004.36.857.4343.046.541.546.0681004997.77.037.5044.048.042.047.0从表3和图9图12中可以看出，焊接电流对TIG焊、A-TIG焊的性能均有影响，且趋势相同，均随着焊接电流的增大抗拉强度减小，而延伸率和弯曲角增大。焊接电流从54A增加到68A，TIG焊的抗拉强度减小了约3.8%，延伸率增加了约27.8%，面弯曲角增加了约46.7%，背弯曲角增加了约36.5%；而A-TIG焊的抗拉强度减小了约5.5%，延伸率增加了约30%，面弯曲角增加了约54.8%，背弯曲角增加了约40.3%。由此可见，焊接电流对室温性能的影响，A-TIG焊大于TIG焊。从表3和图9中可以看出，焊接电流为54A60A时，A-TIG焊焊缝的力学性能较好，抗拉强度达到10561048MPa，为母材强度的96.4%95.7%。当焊接电流高于65A时，A-TIG焊的抗拉强度明显下降，且比TIG焊的小。所以，与TIG焊相比， A-TIG焊采用小电流时，能得到较好的性能指标。图9 抗拉强度随焊接电流变化曲线图图10 延伸率随焊接电流变化曲线图图11 面弯曲角随焊接电流变化曲线图图12 背弯曲角随焊接电流变化曲线图3.2.2 焊接速度的影响在130215mm/min间改变焊接速度，得到了1.5的TC4钛板TIG焊和A-TIG焊的室温性能 (表4)，绘出各性能随焊接速度变化的曲线图(图13图16)。表4 焊接速度对性能的影响速度v抗拉强度b/MPa延伸率5/面弯曲/背弯曲/ mmmin-1TIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIGTIGA-TIG1301019.71018.36.637.0343.046.042.045.01451028.31032.06.336.6738.040.039.042.51651042.01053.75.676.0031.032.034.537.51751050.01064.05.635.8729.029.733.036.52151060.01069.05.575.6322.723.030.032.0图13 抗拉强度随焊接速度变化曲线图图14 延伸率随焊接速度变化曲线图图15 面弯曲角随焊接速度变化曲线图图16 背弯曲角随焊接速度变化曲线图从表4和图13图16中可以看出，焊接速度对TIG焊、A-TIG焊的性能均有影响，且趋势相同，均随着焊接速度的增大抗拉强度增大，而延伸率和弯曲角减小。焊接速度从130mm/min增加到215mm/min，TIG焊的抗拉强度增加了约4%，延伸率减小了约16%，面弯曲角减小了约47.2%，背弯曲角减小了约28.6%；而A-TIG焊的抗拉强度了增加约5%，延伸率减小了约19.9%，面弯曲角减小了50%，背弯曲角减小了约28.9%。由此可见，焊接速度对室温性能的影响，A-TIG焊大于TIG焊。从表4和图13中可以看出，当焊接速度低于130mm/min时，A-TIG焊的抗拉强度明显下降，且比TIG焊的小。焊接速度为145215mm/min时，A-TIG焊焊缝的力学性能较好，抗拉强度达到10321069MPa，为母材的94.2%97.6%。所以，与TIG焊相比，A-TIG焊采用高速度时，能得到较好的性能指标。但焊接速度为175215mm/min时，A-TIG焊的抗拉强度上升得很少。这是因为，当焊接速度过快时，活性剂涂层来不及充分的蒸发，焊接电弧有向后漂移寻找熔池金属的倾向，焊接电弧变得不稳定，从而影响其力学性能。3.2.3 活性焊剂的影响从焊接电流和焊接速度对焊接接头室温性能影响的试验数据(表3、表4和图9图16)中均可看出，在相同的焊接工艺条件下，A-TIG焊的接头性能与TIG焊相当，并在低电流和较高焊速时，性能还有改善的趋势。3.3 焊接接头凝固组织特征及活性焊剂的影响3.3.1 焊接接头凝固组织特征从焊缝金相照片(图17)可知，TIG焊焊缝区晶粒要比A-TIG焊的焊缝晶粒粗大。晶粒生长的方向也不相同，TIG焊焊缝晶粒呈汇流式向焊缝表面中心生长，而A-TIG焊的则呈对向式从两侧母材向焊缝中心线生长。图17 焊缝横截面金相对比从1.5和3.0的TC4钛板的A-TIG焊焊缝金相照片(图18)中可以看出，用活性焊剂焊接不同厚度的钛板，其焊缝结晶形态特征是一致的，即焊接电弧对熔池的作用以及熔池温度场的分布是有共性的。a) 1.5的TC4钛板b) 3.0的TC4钛板图18 A-TIG焊焊缝的宏观金相照片图19 A-TIG焊焊缝中间区域的扫描电镜照片对焊缝中间区域的组织形貌用扫描电镜观察(图19)表明，该区域出现明显分界的原因主要是由于两侧对向生长的树枝晶出现了立体交汇，导致树枝晶的主干和枝节部位在金相观察条件下颜色和形状与焊缝其他区域表现不同所致。而且该中心区域的晶粒仍然呈短树枝状并趋向于焊缝表面方向生长。3.3.2 活性焊剂对接头组织的影响金属凝固理论指出，凝固是通过萌生晶核生长而进行的，过冷是凝固的条件。在焊接熔池过热的条件下，均匀形核的可能性非常小，熔池边界部分熔化的母材晶粒表面作为新相晶核的“基底”所需能量小，易促使新相成核。在实际焊接冷却条件下，焊接熔池的凝固是从边界开始的非均匀成核。焊缝金属呈柱状晶形式依附于母材晶粒的现成表面，以联生结晶的方式向熔合线附近凝固。焊缝金相组织观察表明，焊缝的晶体形态主要有柱状晶、树枝晶、平面晶、胞状晶和等轴晶。由金属凝固理论可知，液态合金凝固过程中由于溶质分布而形成的成分过冷临界条件为 (3-5)式中，G为液相中温度梯度，R为结晶速度，m为液相线斜率，C0为合金中溶质浓度，D为溶质在液相中的扩散系数，k0为平衡分配系数。由上式可知，合金中溶质浓度C0一定时，液相中温度梯度G与结晶速度R的比值G/R是影响组分过冷度的主要参数。G/R越小(即降低温度梯度G或提高结晶速度R)，组分过冷度越大。钛合金TIG焊，在焊缝的边界处，界面附近的溶质富集程度较小，由于温度梯度较大，结晶速度很小，故成分过冷接近于零，有利于平面晶的生长。随着逐渐远离焊缝边界向焊缝中心生长，界面附近溶质的变化程度逐渐加强，而温度梯度变小，结晶速度逐渐变大，成分过冷现象增大，柱状晶内的亚结构依次向胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶发展。晶体生长到焊缝中心时，温度梯度最小，结晶速度最大，溶质的质量分数最高，成分过冷度最大，最终生成等轴晶(图20)。由于活性焊剂的作用，电弧能量密度提高，电弧穿透能力增强，使得熔池沿熔深方向温度梯度减小，组分过冷度增大，所以A-TIG焊焊缝晶粒要比TIG焊的细小。由于活性焊剂的作用，电弧收缩，焊缝窄，在焊缝水平方向己无温度梯度存在，只在焊缝垂直方向上存在温度梯度，最大散热方向将始终垂直于焊缝轴线，因而焊缝晶粒只能垂直焊缝轴线向焊缝中心生长。故A-TIG焊的焊缝晶粒呈对向式从两侧母材向焊缝中心线生长。冷却速率可以表示为 (3-6)其中，R为冷却速率，T为焊缝温度，x为母材到焊缝的距离，v为焊接速度，为密度，CP为比热容，t为板厚， q为散热速率，T0为母材温度。由上式可知，冷却速率R正比于焊缝温度T的3次方。由于活性焊剂的作用，电弧收缩，温度T升高，则冷却速率R极剧增大，焊缝晶粒细小。由上式还可知，焊接速度v越大，焊缝组织冷却速率R越大。由试验可知，要得到相同的熔深，A-TIG焊比TIG焊的焊接电流小、焊接速度高，有助于晶粒细小，从而提高焊接强度。a)细胞状晶 b)细胞状树枝晶 c)柱状树枝晶 d)等轴树枝晶图20 焊接结晶组织形态27 3.4 焊接接头气孔的变化及分析讨论3.4.1 焊接接头气孔的变化气孔是钛合金焊接中最常见的缺陷，似乎是不可避免的。气孔能使疲劳强度降低一半甚至四分之三，非常小的气孔对疲劳强度都会产生明显的不利影响。常规TIG焊很难消除气孔。分别对TIG焊接和A-TIG焊接试样进行X射线探伤检验，以对比焊接接头气孔位置的变化和数量的差别。检验结果见表5(焊缝长度L=300mm)。表5 X射线探伤检验结果焊接方法气孔位置气孔数量气孔尺寸符合标准等级TIG普遍沿焊缝融合线附近6-35个F0.5HB5376-87的III级焊缝A-TIG个别焊缝起弧、收弧处1-2个F0.3HB5376-87的I级焊缝试验结果表明，对两类待焊试样均进行相同的严格而细致的焊前处理措施和焊接工艺，TIG焊沿焊缝融合线附近出现了大小各异的气孔；而A-TIG焊只在焊缝起、收弧处存在个别气孔。因此，钛合金TC4的A-TIG焊在消除气孔方面具有明显的作用，可明显改善钛合金接头的疲劳性能。3.4.2 气孔的形成机理形成气孔的因素很多且很复杂。直接因素有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存在氧化物等，产生的气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属中形成的。气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或氮化钛；当钛焊缝中的碳大于0.1%、氧大于0.133%时，由氧与碳反应生成的CO气体也可产生气孔；间接因素包括氩弧焊时焊接电流过大、焊接速度过快以及坡口角度太小等。但一般认为，氢气是引起气孔的主要原因。氢在钛中的溶解度随温度升高而降低，在凝固温度有跃变。熔池中部比熔池边缘温度高，熔池中部的氢易向熔池边缘扩散，熔池边缘容易为氢过饱和而生成气孔，故焊缝气孔往往有些分布在熔合线附近28。母材表面未被去除的氧化膜、保护气中的水分、弧柱气氛中的水分、焊丝和工件表面氧化膜吸附的水分都是焊缝气孔中氢的主要来源。弧柱气氛中水在高温下分解出来的氢，溶入过热的熔融金属中，成为形成焊缝气孔的重要原因。3.4.3活性焊剂对气孔形成的影响氢在钛中的溶解度随温度升高而降低。在A-TIG焊中，活性焊剂使电弧收缩，从而使电弧温度升高，氢在钛中的溶解度降低，有利于氢的逸出，从而减少甚至消除气孔。焊接时，熔池中心的温度高，而边缘温度低。一般的纯金属和许多合金在无活性焊剂焊接熔化时，表面张力梯度为负，液态金属由中心向周边流动，其流动方向与氢的扩散方向和氢在钛中的溶解度升高方向相同，则液态金属的流动过程是个先逸出氢后吸氢的过程；而活性焊剂使熔池中的液态金属的表面张力数值降低并使表面张力梯度由负变为正，使得熔池内的金属由周边向中心进而向下部流动，其流动方向与氢的扩散方向和氢在钛中的溶解度升高方向相反，则其流动的过程是个氢逸出的过程，从而大大减少甚至消除气孔。所以，活性焊剂在消除气孔方面具有显著作用。4结 论通过对1.5和3.0的TC4钛板手工直流TIG焊和A-TIG焊工艺实验的研究，探讨了焊接工艺参数对焊缝外观质量及性能的影响规律，分析焊缝组织特征和气孔的变化，从而确定出合理的钛合金TC4薄板构件A-TIG焊焊接工艺参数；并对活性焊剂对接头组织的影响机理、TIG焊接头气孔的形成原因及活性焊剂对气孔形成的影响进行了分析和讨论。通过以上的研究，得出如下结论：1）对于TC4钛合金的TIG焊与A-TIG焊，焊接电流和速度对接头性能的影响趋势相同；与TIG焊相比，A-TIG焊宜采用小电流、较高焊速。2）保护气体流量对焊缝质量的影响较明显，选用合适的保护气体流量，能得到良好的焊缝外观质量。3）由于活性焊剂的作用，使得电弧深入金属内部并穿孔，导致焊缝结晶形态呈对向式从两侧母材向焊缝中心线生长。且使熔池沿熔深方向温度梯度减小，组分过冷度增大，有利于细化焊缝晶粒。4）钛合金TIG焊接头气孔产生的主要原因是氢在钛中的溶解度随温度升高而降低，在凝固温度有跃变。活性焊剂使电弧收缩，提高电弧温度，有利于氢的逸出；使熔池内的金属由周边向中心进而向下部流动，此过程是氢逸出过程，可以减少甚至消除气孔，从而提高焊接强度。参考文献 1周廉. 美国、日本和中国钛工业发展评述J.稀有金属材料与工程,2003,32 (8):5772 李青云,刘雅廷等. 稀有金属加工手册M.北京:冶金工业出版社,1984:90913 Bys Chiang, Albright C E. 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