前言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、彈性模量低、熱導(dǎo)率小、屈強(qiáng)比高（成形回彈大）、無(wú)毒無(wú)磁性、耐熱性好、抗低溫脆性好、可焊性好、生物相容性好、表面活性大等特性而被廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1]。其中航空航天目前乃至今后仍然是鈦合金研究和應(yīng)用的主導(dǎo)領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、機(jī)匣、機(jī)身的框梁、隔熱罩、壓氣機(jī)盤(pán)、葉片、鼓筒、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子等，并且使用量不斷增加[2-3]。先進(jìn)鈦合金的大量使用是新一代飛機(jī)和新型發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的顯著標(biāo)志之一，可大幅度提高結(jié)構(gòu)減重效果和安全可靠性。鈦合金作為當(dāng)代飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一在航空航天領(lǐng)域中得到了快速應(yīng)用[4]。TC1鈦合金含有α穩(wěn)定元素Al、β穩(wěn)定元素ＭN，是一種近α型鈦合金，是我國(guó)自行研制的雙相鈦合金，具有密度小、比強(qiáng)度高、塑性優(yōu)良、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空工業(yè)、宇航工業(yè)、化工工業(yè)、造船工業(yè)等方面日益獲得廣泛的應(yīng)用。許多科學(xué)工作者采用傳統(tǒng)的焊接方法對(duì)此類(lèi)合金進(jìn)行了研究，對(duì)其焊接性有一定的認(rèn)識(shí)[5-6]。鈦合金常用的焊接方式有：氬弧焊、激光焊、埋弧焊、真空電子束焊。其中氬弧焊是最常用的焊接方法，3mm以下的鈦合金焊接主要采用非熔化極鎢極氬弧焊（GTAW）[7]。GTAW具有焊接熱量集中、焊接質(zhì)量好、焊縫區(qū)無(wú)熔渣的特點(diǎn)，適 合焊接鈦合金薄板及全位置管道焊接。鎢極的載流能力低，焊接時(shí)不宜采用大電流[8]。由于鈦合金的化學(xué)活性大，易被O₂，N₂，H₂所污染，在鎢極氬弧焊中，鎢極與焊縫之間的電弧區(qū)充滿惰性氣體，可以有效地保護(hù)焊縫免受氧化。隨著焊槍的移動(dòng)，裸露的焊縫區(qū)域沒(méi)有完全冷卻，還會(huì)受到O₂，N₂，H₂的侵蝕，故需要帶有惰性氣體保護(hù)的拖罩進(jìn)行保護(hù)才能得到優(yōu)質(zhì)焊縫[9]。

1、試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用典型產(chǎn)品材料TC1作為基板，TC1材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。其規(guī)格為300mm×100mm×1.2mm，接頭形式為對(duì)接。由于鈦合金基板表面的雜質(zhì)和油污污染容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔和夾雜物，故需要在焊接前對(duì)板材進(jìn)行清理，首先用鋼絲刷將對(duì)接區(qū)域15～20mm打磨清理干凈，以去除表面氧化膜、油污等雜質(zhì)，使其表面呈銀白色光澤為止，并采用丙酮擦拭焊接區(qū)域和焊絲。

鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，彈性模量較小，易產(chǎn)生變形；而且其熱導(dǎo)率低，約為鋼的1/4，在整個(gè)焊接過(guò)程中會(huì)因?yàn)闊彷斎氲牟煌a(chǎn)生不同程度的變形，特別是薄板在焊后會(huì)呈現(xiàn)波浪形的扭曲變形[10]。此外鈦合金冷變形后回彈能力強(qiáng)，焊接后的變形通過(guò)矯正很難恢復(fù)到原狀態(tài)。所以通常采用焊前預(yù)變形、焊接過(guò)程中控制熱輸入及限制焊接變形來(lái)控制薄板鈦合金的焊接變形。本試驗(yàn)主要從優(yōu)化工藝參數(shù)和工裝組件進(jìn)行考慮，通過(guò)焊前定位焊、雙層鋼板壓緊鈦合金基板約束板材變形、小電流焊接參數(shù)來(lái)減少薄板鈦合金的焊接變形。焊槍需要選擇具有良好的保護(hù)性能，噴嘴要大，保護(hù)氣流要有一定的挺度，以獲得良好的保護(hù)效果。

為了使TC1鈦板背面得到更好的保護(hù)，在工裝夾具下方固定銅管，銅管上密集分布均勻細(xì)孔，可保證板材背面焊縫均能夠受到氬氣保護(hù)。因焊接速度較快，焊接區(qū)域還未冷卻就遠(yuǎn)離了焊槍保護(hù)，故制備了簡(jiǎn)易拖罩，以保護(hù)已焊區(qū)域，氬氣從管道進(jìn)入拖罩，穿過(guò)拖罩前端多孔格柵，該多孔格柵可以均衡氬氣，使氬氣流動(dòng)方式由層流變?yōu)槲闪鳎箽鍤饬鲃?dòng)速度變緩，能夠充滿拖罩和焊縫之間的空間，焊接保護(hù)效果較好。焊接示意圖如圖1所示。背面銅管和拖罩氬氣流量均為10L/min。

鈦合金具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性能差等特點(diǎn)，這種物理性能導(dǎo)致TC1鈦板在焊接過(guò)程中焊縫和熱影響區(qū)極易出現(xiàn)晶粒粗大、組織不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致塑性、韌性降低。因此在選擇焊接參數(shù)時(shí)必須嚴(yán)格控制熱輸入的大小，從選擇合適的焊接電流、氬氣流量來(lái)控制TC1鈦合金焊縫晶粒尺寸。在現(xiàn)有的工藝范圍內(nèi)，選取不同的焊接電流和氬氣流量焊接TC1基板，焊絲選擇TA0-1，焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表2。焊接過(guò)程中持續(xù)使用氬氣對(duì)焊縫正反面保護(hù)，焊接完成后氬氣需持續(xù)保護(hù)一段時(shí)間，直至焊縫冷卻。焊接過(guò)程所選取的焊接參數(shù)見(jiàn)表3。焊后焊件必須妥善保存，以免污染。

在垂直于焊縫處截取試樣，制成金相試樣，拋光后，將金相試樣在腐蝕溶液中進(jìn)行腐蝕，腐蝕液配比為φ（HＦ）:φ（HNO3）:φ（H2O）＝1:2:17。采用德國(guó)蔡司AｘｉOＳｃOｐｅA1金相顯微鏡觀察焊接接頭組織形貌。使用ＱNｅｓｓＱ10A型顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭硬度分布，加載載荷為1.961N，加載時(shí)間為15ｓ。在焊接接頭上平均截取3個(gè)拉伸試樣，拉伸試樣如圖2所示，使用ＣＳＳ-44100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，拉伸速度為10mm/min。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

鈦合金不僅在熔化狀態(tài)，即使在400℃以上的高溫狀態(tài)，也極易被空氣、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收O，N，H，Ｃ等元素，使得焊接接頭的延性及韌性下降，并易引起氣孔。焊接接頭一般情況下呈銀白色，當(dāng)保護(hù)效果逐漸變差時(shí)焊縫顏色逐漸由銀白色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黃色和深黃色，最后當(dāng)焊縫顏色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色且外表面有白色粉末狀氧化層時(shí)將嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能。

2.1微觀組織分析

圖3為不同焊接電流下的焊接接頭微觀組織形貌。

從圖3A，ｄ，G可以看到，在經(jīng)歷TＩG焊熱循環(huán)之后，母材的等軸晶粒組織消失，焊縫及熱影響區(qū)組織粗大，晶粒粗大嚴(yán)重。在熱影響區(qū)，能夠觀察到明顯的細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)。其中細(xì)晶區(qū)主要是由母材α＋β雙相組織在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小β相晶粒，在非平衡冷卻條件下，β相晶粒直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢漶R氏體和部分殘余β相[11]。粗晶區(qū)是由于靠近焊縫的部分晶粒在高溫下持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，β晶粒有足夠的能量長(zhǎng)大，冷卻后不能及時(shí)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[12]。從圖3中可以看出，隨著焊接電流的增大，晶粒逐漸粗大，粗晶區(qū)占比增大，當(dāng)焊接電流為50A時(shí)，焊接熱輸入過(guò)大，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，部分取向處于優(yōu)勢(shì)的晶粒異常長(zhǎng)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)的組織不均勻和焊接接頭軟化。此外由于高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成焊縫冷卻時(shí)間不夠，氬氣無(wú)法保護(hù)焊縫造成焊縫接觸空氣，氧化變色。

圖4為不同氬氣流量下的焊接接頭微觀組織形貌。

從圖4中可以看出，當(dāng)氬氣流量達(dá)到15l/min時(shí)，保護(hù)效果較差，這是因?yàn)楹笜寶鍤饬髁枯^大與拖罩氬氣流量相差過(guò)大，在焊縫周?chē)鷥陕繁Ｗo(hù)氣體發(fā)生碰撞，氣體流動(dòng)極不穩(wěn)定，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)氣旋將大氣卷入，破壞氬氣的保護(hù)氛圍，導(dǎo)致焊縫兩側(cè)發(fā)生輕微的氧化現(xiàn)象。氬氣流量為6l/min和10l/min焊縫微觀組織相差不大，其中熱影響區(qū)的晶粒粗大嚴(yán)重，粗晶區(qū)占比較大，焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，主要為細(xì)晶區(qū)組成。

2.2力學(xué)性能分析

圖5表明焊接接頭均在TC1母材位置斷裂，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度較高，而且焊縫的抗拉強(qiáng)度大于母材的抗拉強(qiáng)度。

圖6所示為氬氣流量為6l/min，焊接電流分別為40，45，50A時(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。圖6A表明隨著焊接電流的增大，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)焊接電流為40A，抗拉強(qiáng)度最大，是369.9ＭＰA，這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流增大時(shí)，熱輸入增加，相當(dāng)于對(duì)鈦合金板材進(jìn)行熱處理，鈦合金板材出現(xiàn)一定的軟化，抗拉強(qiáng)度降低。圖6ｂ表明隨著電流的增大，斷后伸長(zhǎng)率呈先減小后增大的趨勢(shì)。

圖7所示為焊接電流為45A，氬氣流量分別為6，10，15l/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

圖7A表明，氬氣流量在6l/min和10l/min時(shí)抗拉強(qiáng)度變化不大，當(dāng)氬氣流量升高至15l/min時(shí)抗拉強(qiáng)度下降，主要是因?yàn)楹笜寶鍤饬髁枯^大與拖罩氬氣流量相差過(guò)大，在焊縫周?chē)Ｗo(hù)氣體發(fā)生碰撞，氣體流動(dòng)發(fā)生紊亂，將大氣卷入保護(hù)氣氛中，導(dǎo)致焊縫兩側(cè)發(fā)生輕微的氧化現(xiàn)象，造成抗拉強(qiáng)度降低。圖7ｂ表明，隨著氬氣流量的增大，斷后伸長(zhǎng)率基本穩(wěn)定在11.24％左右。

圖8表明焊縫中心附近0.5mm區(qū)域硬度較小，到兩邊熱影響區(qū)逐漸增大，在熱影響區(qū)熔合線附近達(dá)到最高，然后再逐漸降低。熱影響區(qū)附近硬度顯著高于母材硬度及焊縫中心區(qū)域硬度，在近焊縫中心區(qū)域出現(xiàn)軟化，軟化區(qū)附近基本以β轉(zhuǎn)變的α′相為主，隨著距焊縫中心距離的增加，α′相逐漸減小，而β相含量逐漸增加，硬度也隨之增加，直到熱影響區(qū)出現(xiàn)最大值。

3、結(jié)論

（1）當(dāng)氬氣流量不變?yōu)?l/min時(shí)，隨著焊接電流增大，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，斷后伸長(zhǎng)率先減小后增大。當(dāng)焊接電流為40A時(shí)，其晶粒細(xì)小，組織均勻，抗拉強(qiáng)度為369.9ＭＰA，斷后伸長(zhǎng)率為14.05％。焊接接頭熱影響區(qū)由粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)構(gòu)成，焊縫區(qū)主要由細(xì)小β相晶粒組成。該焊接接頭成形優(yōu)良，外形美觀，力學(xué)性能較好。

（2）當(dāng)焊接電流不變?yōu)?5A時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨氬氣流量升高而降低，斷后伸長(zhǎng)率基本穩(wěn)定在11.24％左右。當(dāng)氬氣流量為6l/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度為364.23ＭＰA。

（3）不同焊接參數(shù)的焊接接頭硬度分布趨勢(shì)大致相同，在焊縫中心附近0.5mm區(qū)域硬度較小，其為210HＶ左右，遠(yuǎn)離焊縫中心到兩邊熱影響區(qū)逐漸增大，在熱影響區(qū)熔合線附近硬度達(dá)到最高，然后隨著距母材越近，硬度值逐漸降低。

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作者簡(jiǎn)介：晏杰（1994—），男，碩士，助理工程師，主要從事熔焊、激光焊、高頻感應(yīng)釬焊工作．