保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響

1、TC4鈦合金的活性焊劑鎢極氬弧焊工藝研究（五）保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響王純西安交通大學(xué)（郵編710049）摘要本論文針對乩5的TC4鈦板手工直流A-TIG焊，分析了保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響。關(guān)鍵詞：鈦合金，活性焊劑，氬弧焊，保護氣體鈦在地殼中的含量約為0.64%，在金屬元素中僅次于鋁、鐵和鎂，居第四位1，為銅的60倍，鉬的600倍。鈦合金具有很多優(yōu)良性能：鈦的比重為4.5mg/m3，僅為普通結(jié)構(gòu)鋼的57%；鈦合金的強度可與高強度鋼媲美；具有很好的耐熱和耐低溫性能，能在550C高溫下和零下250C低溫下長期工作而保持性能不變；具有很好的抗腐蝕能力，把鈦合金放在海水中泡上幾年，仍能保持光亮

2、。此外，鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小、無磁性，某些鈦合金還具有超導(dǎo)性能、記憶性能和貯氫性能等。正是因為這些優(yōu)點，鈦金屬被稱為“太空”金屬、“海洋”金屬以及21世紀(jì)最有發(fā)展前景，繼鋼鐵、鋁之后的第三金屬2。TC4不僅具有良好的室溫、高溫、低溫力學(xué)性能，且在多種介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，既可以焊接、冷熱成型，也可以熱處理強化，所以在鈦合金中應(yīng)用最廣泛，在美國約占鈦市場的56%，在中國和日本約占鈦合金產(chǎn)量的一半。鈦合金作為一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料，要解決的關(guān)鍵工藝技術(shù)問題就是連接問題，焊接無疑是首選的一種先進連接方法。鈦合金的壓制、軋制和模壓品等零部件的制造都離不開焊接，鑄件缺陷的修補也離不開焊接。目前國內(nèi)在鈦產(chǎn)品焊

3、接過程中使用最普遍的是TIG焊，包括手工、自動或半自動，國內(nèi)鈦設(shè)備制造過程中幾乎95%以上的焊接工作是采用手工TIG焊完成的。為了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，擴大TIG焊的應(yīng)用范圍，特別是在厚板焊接的應(yīng)用，國內(nèi)外的焊接工作者進行了大量關(guān)于增加TIG焊熔深方面的研究。近年來，一種新型高效的焊接方法活性焊劑鎢極氬弧焊（ActivatingFluxTIG，簡稱A-TIG）越來越引起世界范圍內(nèi)人們的關(guān)注。A-TIG焊就是預(yù)先在工件表面均勻地涂上一層很薄的細粒狀的活性化焊劑，然后進行TIG焊的方法。它能在保證焊縫質(zhì)量的基礎(chǔ)上，使焊接熔深顯著增加，從而大大提高焊接生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。產(chǎn)品升級換代

4、和結(jié)構(gòu)調(diào)整方面潛力巨大，而焊接技術(shù)和工藝是鈦合金材料進一步推廣應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問題之一。A-TIG焊技術(shù)操作簡便，設(shè)備簡單，價格便宜，適于大規(guī)模和常規(guī)應(yīng)用，因此研究鈦合金A-TIG焊技術(shù)對改變我國鈦業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀有著十分現(xiàn)實的實踐意義。本研究立足西飛公司的現(xiàn)狀，使用A-TIG焊技術(shù)，分析飛機制造中經(jīng)常使用的鈦合金TC4薄板(61.54.0)的焊接保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響，為其它鈦合金材料A-TIG焊接技術(shù)奠定基礎(chǔ)，旨在為推進A-TIG焊工藝在鈦合金結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用提供理論和實踐依據(jù)。1焊接試驗1.1工藝方案待焊材料為61.5的TC4鈦板。TC4焊絲直徑為1.6mm。本試驗采用手工直流A-TI

5、G焊，接頭形式采用常規(guī)平板對接，不開坡口，61.5鈦板的預(yù)留試樣間隙分別為0.2mm，填加焊絲，單道焊。在保證焊透的前提下，觀察保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響。1.2試驗方法1.2.1焊接裝置采用的焊接裝置見圖1。圖1焊接裝置示意圖選用高純氬氣作保護氣體，氬氣純度為N99.999%，氬氣瓶中的壓力低于1.01MPa時，停止使用。焊接電源為美國俄亥俄州林肯電氣公司(TheLincolnElectricCompany)生產(chǎn)的TIG375型交直流氬弧焊機，其網(wǎng)路電壓波動不大于10%，具有陡降外特性、有良好的動特性，能方便地調(diào)節(jié)焊接規(guī)范，并能在所需的規(guī)范下穩(wěn)定工作，引弧方式為高頻引弧。3)對噴嘴進行了改

6、造(見圖2)：增加緩沖室的長度和直徑，將氣流分為內(nèi)、中、外三層；增加氣體透鏡裝置，強制氣體生成層流層，增加氣流挺度，在氣體透鏡和噴嘴之間形成第三層保護氣流層，進一步擴大保護范圍；增加通道直徑，擴大保護面積；減少通道長度，提高氣體挺度。4)電極采用釷鎢極(EWTh-1),用于況.5鈦板的鎢極直徑為1.6mm。在每條焊縫焊接之前，均重新研磨電極，使其端部為帶有圓頂?shù)腻F形，以改善引弧,便于控制電弧方向,減小焊接過程中鎢極的燒損以保證焊接參數(shù)一致。緩沖室氣體透鏡通道圖2改造后的焊槍噴嘴部分1.2.2焊接工裝高溫下鈦合金與氧、氮、氫等物理化學(xué)反應(yīng)的親和力大,易引起焊接接頭脆化、接頭裂紋、焊縫氣孔等缺陷。

7、在大氣中進行TIG焊時,焊接部位的正反兩面都要用氬氣保護。事實上,鈦合金的焊接成功與否,很大程度上取決于保護技術(shù)。焊接時不僅要保護熔池，而且要保護己凝固、但溫度尚在400C以上的焊縫及高于此溫度的熱影響區(qū),焊縫背面同樣必須保護。一般在焊槍后緊接一個通氬氣的拖斗來實現(xiàn)對正面焊縫及熱影響區(qū)的保護。由圖3焊槍和拖斗組合可以看出，拖斗由夾持扣、后拖箱體和進氣口三部分組成。氬氣流過帶孔的金屬散射屏(200目銅網(wǎng))噴射到焊縫區(qū)，其長度與線能量、焊接速度成正比，保護的寬度應(yīng)足以包括焊道兩側(cè)處于高溫的熱影響區(qū)。其示意圖見圖4。夾持扣焊槍鎢極后拖箱體進氣口焊接方向圖3焊槍和拖斗組合埠接方向”抵代進門圖4鈦合金焊

8、接保護拖罩示意圖為了減少焊接變形和保證焊接的質(zhì)量，根據(jù)試樣的尺寸、形狀和焊接方法，設(shè)計了專用夾具（圖5）。帶槽墊板、活動墊板和壓板選用紫銅材料，散熱效果好，可以加速焊縫的冷卻，使焊縫的晶粒細化，提高焊縫的性能。壓板不僅用于固定試樣及平對間隙，同時對焊接中的變形產(chǎn)生約束，以減少焊接殘余變形。帶槽墊板上的方形槽可以保證焊縫反面成型，通以氬氣，可完成對焊縫背面的保護。其示意圖見圖6。圖5焊接夾具示意圖1-帶槽墊板2-試樣3-凹槽4-活動墊板5-壓板6-壓緊螺母傳熱方向|”埠炬圖6用帶槽墊板對焊縫背面進行氬氣保護的示意圖2試驗結(jié)果以況.5的TC4鈦板為例，采用140mm/min焊接速度作為基準(zhǔn)來確定焊

9、槍、拖斗和背面保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響。焊槍保護氣體流量的影響焊槍保護氣體是焊縫正面保護的主要因素，自焊槍流出，主要保護熔池和處于高溫區(qū)的焊縫。正常的氣體流量應(yīng)該為1012L/min,能夠保證正面熔池和焊縫不受氧化，焊縫顏色處于銀白色，并保證此狀態(tài)持續(xù)至交于拖斗繼續(xù)保護。在保證拖斗和背面保護氣體流量的條件下，隨著焊槍保護氣體流量從10L/min降低至8L/min時，焊縫金屬的顏色由銀白轉(zhuǎn)為淺黃和深黃；繼續(xù)降低焊槍的氣體流量，焊縫顏色由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色，甚至表面出現(xiàn)白色粉末狀的氧化層。如果焊槍保護氣體流量在1215L/min之間，焊縫金屬不會出現(xiàn)其它異常效果；繼續(xù)增加氣體流量，焊縫出現(xiàn)氧化色，

10、銀白色消失。這是由于氣體挺度太大，熔池或焊縫反射回來的氣體擾亂了正常氣流，層流層變成了紊流層，降低了保護效果。結(jié)果表明，將焊槍保護氣體流量規(guī)定為1012L/min,預(yù)先通氣時間為2秒，可保證最佳的保護效果。同時，焊接完成后氣流后滯停留時間不少于10秒，保證收弧處的焊縫金屬受到持續(xù)保護，直到其溫度降到400C以下。拖斗保護氣體流量的影響拖斗保護氣體主要用于保護處于高溫區(qū)和中溫區(qū)的焊縫和熱影響區(qū)免受大氣污染，直到其溫度低于400Co不要求拖斗氣流具有挺度，僅需均勻地覆蓋在焊接區(qū)域，稍作停留。正常拖斗保護氣體流量在812L/min之間，能夠保持焊縫金屬顏色不再變深，持續(xù)穩(wěn)定。氣體主要是來填滿拖斗內(nèi)腔

11、，然后緩緩流出篩孔板，穿過銅網(wǎng)噴覆在焊接區(qū)域。在保證焊槍和背面保護氣體流量的條件下，若拖斗保護氣體流量低于8L/min，焊縫顏色漸漸由銀白色轉(zhuǎn)為黃色和藍色，氣體流量越低，顏色變化越深，特別是熱影響區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，氣體流量減少到6L/min時，熱影響區(qū)已經(jīng)嚴重發(fā)藍。若拖斗保護氣體流量大于12L/min，持續(xù)增加氣體流量，焊縫保護效果并沒有變化，即使增加到20L/min,焊縫顏色也沒有變化。結(jié)果表明，可以將拖斗氣體流量定為1012L/min，不需要預(yù)先通氣和滯后通氣。背面保護氣體流量的影響背面保護氣體是通過夾具進入到焊縫背面，整體作用于焊接區(qū)域和未焊接區(qū)域。由于夾具凹槽是以氣腔形式出現(xiàn)，所以保護氣體首先應(yīng)該充滿凹槽，排出空氣，隨后持續(xù)輸送氣體，達到保護的目的。正常的背面保護氣體流量為34L/min,能夠滿足要求。在保證焊槍和拖斗保護氣體流量的條件下，背面保護氣體流量小于2L/min時，焊縫金屬能夠受到保護，但由于氣流量不足，熱影響區(qū)顏色變藍。最后確定背面保護氣體流量為3L/min，要求預(yù)先通氣時間：焊縫每100mm長不得少于5秒。3結(jié)論通過對乩5的TC4鈦板手工直流A-TIG焊保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響進行分析和研究，得出如下結(jié)論：保護氣體流量對焊縫質(zhì)量的影響較明顯，選用合適的保護氣體流量，