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1、TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究（五）保护气体流量对焊缝质量的影响王纯西安交通大学（邮编 710049）摘要 本论文针对 乩5的TC4钛板手工直流A-TIG焊，分析了保护气体流 量对焊缝质量的影响。关键词：钛合金，活性焊剂，氩弧焊，保护气体钛在地壳中的含量约为 0.64%，在金属元素中仅次于铝、铁和镁，居第四位1， 为铜的60倍，钼的600倍。钛合金具有很多优良性能：钛的比重为4.5mg/m3，仅为 普通结构钢的 57%；钛合金的强度可与高强度钢媲美；具有很好的耐热和耐低温性能， 能在550C高温下和零下250C低温下长期工作而保持性能不变；具有很好的抗腐蚀 能力，把钛合金放在海水中泡
2、上几年，仍能保持光亮。此外，钛的导热系数小、无磁 性，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等。正是因为这些优点，钛金 属被称为“太空”金属、“海洋”金属以及21 世纪最有发展前景，继钢铁、铝之后 的第三金属2 。TC4不仅具有良好的室温、高温、低温力学性能，且在多种介质中具有优异的耐 蚀性，既可以焊接、冷热成型，也可以热处理强化，所以在钛合金中应用最广泛，在 美国约占钛市场的 56%，在中国和日本约占钛合金产量的一半。钛合金作为一种广泛应用的结构材料，要解决的关键工艺技术问题就是连接问 题，焊接无疑是首选的一种先进连接方法。钛合金的压制、轧制和模压品等零部件的 制造都离不开焊接，铸件缺
3、陷的修补也离不开焊接。目前国内在钛产品焊接过程中使用最普遍的是 TIG 焊，包括手工、自动或半自 动，国内钛设备制造过程中几乎95%以上的焊接工作是采用手工TIG焊完成的。为了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，扩大TIG焊的应用范围，特别是在厚 板焊接的应用，国内外的焊接工作者进行了大量关于增加 TIG 焊熔深方面的研究。 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。A-TIG焊就是预先在工件表面均匀地 涂上一层很薄的细粒状的活性化焊剂，然后进行TIG焊的方法。它能在保证焊缝质 量的基础上，使焊接熔深
4、显著增加，从而大大提高焊接生产效率，降低生产成本。产品升级换代和结构调整方面潜力巨大，而焊接技术和工艺是钛合金材料进一步 推广应用必须解决的关键问题之一。A-TIG焊技术操作简便，设备简单，价格便宜， 适于大规模和常规应用，因此研究钛合金 A-TIG 焊技术对改变我国钛业的应用现状有着十分现实的实践意义。本研究立足西飞公司的现状，使用 A-TIG 焊技术，分析飞机制造中经常使用的 钛合金TC4薄板(61.54.0)的焊接保护气体流量对焊缝质量的影响，为其它钛合金材 料 A-TIG 焊接技术奠定基础，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。1 焊接试验1.1 工
5、艺方案待焊材料为61.5的TC4钛板。TC4焊丝直径为1.6mm。本试验采用手工直流A - TIG焊，接头形式采用常规平板对接，不开坡口，61.5 钛板的预留试样间隙分别为0.2mm，填加焊丝，单道焊。在保证焊透的前提下，观察 保护气体流量对焊缝质量的影响。1.2 试验方法1.2.1 焊接装置采用的焊接装置见图1 。图 1 焊接装置示意图1) 选用高纯氩气作保护气体，氩气纯度为N99.999%，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
6、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，并能在所需的规范下 稳定工作，引弧方式为高频引弧。3)对喷嘴进行了改造(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),用于况.5钛板的钨极直径为1.6mm。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
7、 气体透镜 通道图 2 改造后的焊枪喷嘴部分1.2.2 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，而且要保护己凝固、但温度尚在400C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。氩气流 过带孔的金属散射屏(200目铜网)喷射到焊缝区，其长
8、度与线能量、焊接速度成正比， 保护的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。夹持扣 焊枪钨极后拖箱体进气口焊接方向图 3 焊枪和拖斗组合埠接方向”抵代进门图 4 钛合金焊接保护拖罩示意图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
9、意图1-带槽垫板 2-试样 3-凹槽 4-活动垫板 5-压板 6-压紧螺母传热方向 |”埠炬图 6 用带槽垫板对焊缝背面进行氩气保护的示意图2 试验结果以况.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。2.1 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/mi n,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8
10、L/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400C以下。2.2 拖斗保护气体流量的影响拖
11、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400Co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/m in，持续增加气体流量，
12、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/mi n，不需要预先通气和滞后通气。2.3 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
13、先通气时间：焊缝每100mm长不 得少于 5 秒。3 结 论通过对 乩5的TC4钛板手工直流A-TIG焊保护气体流量对焊缝质量的影响进行分析和研究，得出如下结论： 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。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)： 577.2 黄晓艳，刘波，李雪.钛合金在军事上的应用J.轻金属，2005, (9)： 51-52.3 康浩方.国内外钛设备的焊接技术J.钛工业进展，2003， (4-5)： 70-73.4 李志远，钱乙余，张九海等.先进连接方法M.北京：机械工业出版社,2000： 288-294.
