保護氣體流量對焊縫質量的影響

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量的影響王純西安交通大學（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量的影響。關鍵詞：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，僅為普通結構鋼的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，鈦的導熱系數小、無磁性，某些鈦合金還具有超導性能、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、低溫力學性能，且在多種介質中具有優(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量的一半。鈦合金作為一種廣泛應用的結構材料，要解決的關鍵工藝技術問題就是連接問題，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。目前國內在鈦產品焊

3、接過程中使用最普遍的是TIG焊，包括手工、自動或半自動，國內鈦設備制造過程中幾乎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焊的應用范圍，特別是在厚板焊接的應用，國內外的焊接工作者進行了大量關于增加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人們的關注。A-TIG焊就是預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。它能在保證焊縫質量的基礎上，使焊接熔深顯著增加，從而大大提高焊接生產效率，降低生產成本。產品升級換代

4、和結構調整方面潛力巨大，而焊接技術和工藝是鈦合金材料進一步推廣應用必須解決的關鍵問題之一。A-TIG焊技術操作簡便，設備簡單，價格便宜，適于大規(guī)模和常規(guī)應用，因此研究鈦合金A-TIG焊技術對改變我國鈦業(yè)的應用現狀有著十分現實的實踐意義。本研究立足西飛公司的現狀，使用A-TIG焊技術，分析飛機制造中經常使用的鈦合金TC4薄板(61.54.0)的焊接保護氣體流量對焊縫質量的影響，為其它鈦合金材料A-TIG焊接技術奠定基礎，旨在為推進A-TIG焊工藝在鈦合金結構件上的應用提供理論和實踐依據。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)生產的TIG375型交直流氬弧焊機，其網路電壓波動不大于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、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的錐形，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、氫等物理化學反應的親和力大,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。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)噴射到焊縫區(qū)，其長度與線能量、焊接速度成正比，保護的寬度應足以包括焊道兩側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量，根據試樣的尺寸、形狀和焊接方法，設計了專用夾具（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試驗結果以況.5的TC4鈦板為例，采用140mm/min焊接速度作為基準來確定焊

9、槍、拖斗和背面保護氣體流量對焊縫質量的影響。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，焊縫顏色由黃色轉變?yōu)樗{色，甚至表面出現白色粉末狀的氧化層。如果焊槍保護氣體流量在1215L/min之間，焊縫金屬不會出現其它異常效果；繼續(xù)增加氣體流量，焊縫出現氧化色，

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。結果表明，將焊槍保護氣體流量規(guī)定為1012L/min,預先通氣時間為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腔

11、，然后緩緩流出篩孔板，穿過銅網噴覆在焊接區(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)表現得尤為突出，氣體流量減少到6L/min時，熱影響區(qū)已經嚴重發(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。結果表明，可以將拖斗氣體流量定為1012L/min，不需要預先通氣和滯后通氣。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，所以保護氣體首先應該充滿凹槽，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，要求預先通氣時間：焊縫每100mm長不得少于5秒。3結論通過對乩5的TC4鈦板手工直流A-TIG焊保護氣體流量對焊縫質量的影響進行分析和研究，得出如下結論：保護氣體流量對焊縫質量的影響較明顯，選用合適的保護氣體流量，