TC4鈦合金超音頻直流脈沖TIG焊

許海鷹, 齊鉑金, 張 偉, 趙海濤

(1.北京航空制造工程研究所高能束流加工技術(shù)重點實驗室,北京 100024;2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院,北京100191)

目前,TC4(Ti-6Al-4V)是在航空航天工業(yè)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用的一種鈦合金材料,而且也將在艦船制造、化工、汽車制造等民用工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。國內(nèi)鈦合金零部件的焊接通常采用 TIG焊工藝,然而常規(guī)直流TIG焊工藝焊接TC4鈦合金,容易出現(xiàn)粗大組織以及氣孔等缺陷[2];真空電子束焊工藝雖然能避免氣孔及接頭組織粗大[3]等問題,但工件尺寸容易受到真空室體積限制,而且所要求的裝配精度高,焊接費用昂貴。

對于脈沖電流頻率≥20kHz的超音頻直流脈沖TIG焊工藝,國內(nèi)外已有少量的研究報道。文獻(xiàn)[4]的研究表明：與同等功率常規(guī)TIG工藝相比,超音頻直流脈沖TIG焊的電弧壓力、所獲得的焊縫熔深、焊接速率均提高了 2～3倍。這也說明了對于同等厚度的材料,采用超音頻直流脈沖TIG焊工藝,所需要的平均電流較小,輸入電流小,則熱輸入降低,會降低焊縫晶粒長大傾向。文獻(xiàn)[5]對奧氏體不銹鋼超音頻直流脈沖TIG焊接頭的微觀組織和性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明：選擇合適工藝參數(shù),可以使奧氏體不銹鋼焊縫中心晶粒細(xì)化,接頭質(zhì)量得到提高。

超音頻直流脈沖TIG焊過程中產(chǎn)生的一些特殊效應(yīng)可用于改善TC4鈦合金熔池的凝固結(jié)晶過程,將成為改善TC4鈦合金焊接質(zhì)量的有效途徑之一。

超音頻直流脈沖TIG焊具有操作簡便、焊接費用低廉、不受零件空間尺寸限制的特點。因此,研究TC4鈦合金的超音頻直流脈沖TIG焊工藝將有助于進(jìn)一步拓展TC4鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文介紹了超音頻直流脈沖TIG焊的特點,重點分析了超音頻直流脈沖TIG焊焊接過程中,關(guān)鍵工藝參數(shù)對電弧軸向壓力的影響規(guī)律。采用不同頻率的超音頻直流脈沖TIG焊工藝以及常規(guī)直流TIG焊工藝焊接了 TC4鈦合金,對焊縫中的氣孔缺陷、接頭拉伸力學(xué)性能、接頭斷口形貌等進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)選擇合適超音頻直流脈沖TIG焊工藝焊接TC4鈦合金,可以減少焊縫中的氣孔缺陷,提高接頭的拉伸力學(xué)性能。

1 超音頻直流脈沖TIG焊的特點

超音頻直流脈沖TIG焊工藝可調(diào)的規(guī)范參數(shù)多,如：基值電流、峰值電流、脈沖頻率、占空比、焊接速率、氬氣流量、電極直徑和噴嘴直徑等,其中基值電流、峰值電流、脈沖頻率、占空比等不僅是影響焊接質(zhì)量的重要參數(shù),而且反映了超音頻直流脈沖TIG焊電源輸出脈沖電流波形的基本特征。為了便于研究分析,設(shè)定超音頻直流脈沖 TIG焊的電流波形為理想的矩形波,如圖 1所示。

圖1 理想的超音頻脈沖TIG焊電流波形Fig.1 perfect current wave of ultra-sonic pulse TIG welding

在圖中：T為脈沖周期;tp為脈沖峰值電流作用時間;tb為基值電流維弧時間;Ib為基值電流;Ip為脈沖峰值電流;脈沖電流最大幅值為Ib+Ip。

能夠表示超音頻直流脈沖TIG焊特點的一些典型工藝參數(shù)可通過下述公式(1)～(4)獲得。

脈沖電流頻率：f=1/T=1/(tb+tp) (1)

脈沖電流脈寬比(占空比)可由式(2)獲得：

平均電流：Iav=Ib+IpD (3)

脈沖幅比：Fp=(Ip+Ib)/Ib(4)

根據(jù)公式(3)可知,當(dāng)保持其它工藝參數(shù)不變時,調(diào)節(jié)占空比將會改變焊接平均電流大小;調(diào)節(jié)基值電流或峰值電流同樣可以改變平均電流。

公式(4)所示的脈沖幅比不僅表征了脈沖焊特征的強(qiáng)弱,而且還能體現(xiàn)基值電流、峰值電流期間電弧軸向等離子流力作用的強(qiáng)弱。

一般認(rèn)為常規(guī)直流TIG焊電弧的等離子流力與焊接電流的平方成正比[6,7,8],即：

式中 K=μ0μ/8π,μ0與 μ分別為真空磁導(dǎo)率和電弧氣氛的導(dǎo)磁系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗,K值一般在(1.2～1.4) ×10-6N/A2之間[7]。

超音頻直流脈沖TIG焊過程中,在維持弧長不變的前提下,當(dāng)脈沖峰值電流到來時,由于受電弧熱慣性的影響,弧柱增加是漸變的,則電弧的電流密度增大,電弧的軸向等離子流力也相應(yīng)會增大。

由公式(5)可推導(dǎo)出,超音頻直流脈沖TIG焊過程中,電弧的軸向等離子流力可表示為：

式中n是常數(shù),n=0,1,2,3…。

根據(jù)公式(6)可知,其它工藝參數(shù)不變,改變基值電流或峰值電流的大小可以改變基值電流、峰值電流期間電弧軸向等離子流力的大小。

脈沖電流頻率的調(diào)節(jié)會影響到單位時間內(nèi)峰值電流引起的較大電弧軸向等離子流力對熔池的作用次數(shù),因此,脈沖電流頻率是超音頻直流脈沖TIG焊影響焊接質(zhì)量較重要的工藝參數(shù)之一。

通過以上分析可知,超音頻直流脈沖TIG焊工藝參數(shù)的調(diào)整,可以在平均電流保持不變時,通過合理調(diào)節(jié)脈沖幅比、占空比、脈沖電流頻率,使單位時間內(nèi)電弧軸向等離子流力對熔池的作用增強(qiáng),加速熔池液態(tài)金屬的流動性,改善焊接的物理化學(xué)冶金過程,提高焊接質(zhì)量。

2 焊接試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗方案

超音頻直流脈沖TIG焊試驗條件如下所述。

(1)焊接設(shè)備：所研制的超音頻直流脈沖TIG焊電源;(2)焊接電流：基值電流 140A,占空比15%;(3)氬氣流量：噴嘴為13L/m in,保護(hù)托罩為18L/min,背面為1～2 L/min;(4)焊接速率：7.5m/h; (5)焊接姿態(tài)：水平焊接;(6)鎢極直徑：φ=2.6mm; (7)焊接極性：直流正接;(8)工件材質(zhì)：2.5mm厚的TC4鈦合金;(9)焊絲：φ=1.0mm,TA1。

常規(guī)直流TIG焊試驗條件除焊接電流為連續(xù)直流 165A外,其它工藝參數(shù)條件與所述超音頻直流脈沖TIG焊試驗條件相同。

分別采用常規(guī)直流TIG焊與超音頻直流脈沖TIG焊工藝對2.5mm厚TC4鈦合金板進(jìn)行對接焊,焊接完成后,根據(jù)HB5386—87,利用X射線探傷檢測焊接缺陷;對于無缺陷的焊接試件,根據(jù) GB/ T228—2002制備拉伸試樣,利用萬能實驗機(jī)測試接頭拉伸性能,并利用SEM觀察接頭斷口,對常規(guī)直流TIG焊與不同頻率的超音頻直流脈沖TIG焊接頭的拉伸力學(xué)性能、斷口形貌進(jìn)行對比分析。

2.2 X-射線檢測結(jié)果分析

分別采用脈沖頻率為40kHz,60kHz,80kHz,其它參數(shù)如上所述的超音頻直流脈沖TIG焊工藝以及165A常規(guī)直流TIG焊工藝對接焊2.5mm厚的TC4鈦合金板(長×寬=150mm×100mm),每組工藝參數(shù)焊接至少 5個試樣。所選的工藝參數(shù)均能使工件焊透,采用脈沖頻率為40kHz、60kHz、80kHz超音頻直流脈沖 TIG焊工藝的試樣,其工件正面的焊縫平均熔寬分別為11.2mm,12.3mm,10.1mm。而采用165A常規(guī)直流TIG焊的試樣,焊縫正面的熔寬則為 12.8mm。分別對所獲得的焊接試樣按照HB5386—87進(jìn)行X射線探傷檢測。觀察所有的 X射線探傷底片,發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)直流TIG焊的試樣有2條焊縫中出現(xiàn)氣孔,采用 40kHz的超音頻直流脈沖TIG焊工藝的試樣也有 1件出現(xiàn)氣孔。焊縫中氣孔缺陷出現(xiàn)的位置及數(shù)量如表 1所示。

表1 不同工藝參數(shù)TC4接頭中氣孔缺陷出現(xiàn)位置及數(shù)量Table 1 Parameters of fast transform ultra-sonic pu lse TIG power source

通過對比分析表 1中所列出的不同工藝鈦合金焊縫中氣孔出現(xiàn)位置、數(shù)量、尺寸,表明超音頻直流脈沖TIG焊工藝能夠有效減少鈦合金焊縫中氣孔出現(xiàn)的幾率與數(shù)量。現(xiàn)有焊接試驗結(jié)果表明：采用超音頻直流脈沖TIG焊工藝焊接TC4鈦合金,脈沖頻率為60kHz,80kHz的工藝能夠有效減少焊縫中氣孔缺陷出現(xiàn)的幾率。

超音頻直流脈沖TIG焊工藝能夠有效減少鈦合金焊縫中氣孔出現(xiàn)幾率,與其焊接過程中,電弧軸向等離子流力對熔池的振動作用及液態(tài)金屬機(jī)械攪拌作用增強(qiáng)有關(guān)。

由于熔池中液態(tài)金屬可認(rèn)為是一連續(xù)彈性體[9],在周期性激振力的作用下也會作周期性的受迫振動[10]。采用超音頻直流脈沖 TIG焊工藝焊接時,超音頻直流脈沖TIG電弧的軸向等離子流力施加于熔池液態(tài)金屬表面,使熔池部分液態(tài)金屬產(chǎn)生超音頻周期性受迫振動。一方面,熔池中存在的一些直徑較大的氣泡受到與超音頻脈沖電流頻率同步的振蕩,使其脫離熔池中現(xiàn)有結(jié)晶表面的能力增強(qiáng),氣泡逸出熔池表面速率提高,可迅速上浮到液態(tài)金屬表面逸出;另一方面,使微小氣泡的隨機(jī)運(yùn)動加速,增加微小氣泡的合并幾率,最終形成的大氣泡可克服液態(tài)金屬壓力的限制而上浮到熔池表面逸出。此外,由于熔池中液態(tài)金屬的機(jī)械攪拌作用增強(qiáng),可對胞狀晶凹陷處的氣泡起到連續(xù)沖擊的作用,增強(qiáng)氣泡脫離胞狀晶凹陷處晶體表面的能力,達(dá)到“凈化洗滌”熔池結(jié)晶表面的效果。

2.3 接頭拉伸力學(xué)性能

將焊接接頭質(zhì)量均達(dá)到航空Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)的幾組對接焊工件制備拉伸試樣,每個工藝參數(shù)的焊接工件制備出三個試樣,根據(jù)GB/T228—2002在23℃室溫時以2mm/min的拉伸速率分別對試樣進(jìn)行板拉試驗。拉伸斷口均出現(xiàn)在熔合區(qū)附近,每組參數(shù)試樣拉伸試驗結(jié)果的平均值如表 2所示。

表2 TC4鈦合金焊接接頭拉伸力學(xué)性能Table 2 Tensile Properties of TC4 welded joints

從表 2中可以看出,所采用的超音頻直流脈沖TIG焊工藝,其平均電流均小于所選用的常規(guī)直流TIG焊工藝的焊接電流,表明采用超音頻直流脈沖TIG焊工藝焊接時,其熱輸入均小于常規(guī)直流TIG焊工藝。在不影響焊縫熔深的前提下,焊接熱輸入減少,焊接接頭質(zhì)量會得到改善。所測試各接頭的拉伸力學(xué)性能的數(shù)據(jù)驗證了這一設(shè)想的正確性。

與常規(guī)直流TIG焊工藝相比,各頻率段鈦合金超音頻直流脈沖TIG焊接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率均得到提高。隨著脈沖頻率提高,超音頻直流脈沖TIG焊接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度增加不是很明顯,但是斷后延伸率得到顯著提高。與常規(guī)直流TIG焊相比,所采用不同頻率的超音頻脈沖TIG焊接頭的斷后延伸率分別提高了26%,31.6%,52.6%。

2.4 拉伸斷口分析

通過觀察不同接頭拉伸斷口全貌及拉伸斷口韌窩的SEM照片,進(jìn)一步深入分析較小平均電流、高脈沖頻率的超音頻直流脈沖TIG工藝使TC4鈦合金接頭質(zhì)量得到提高的內(nèi)在影響因素。

圖2分別給出了不同工藝參數(shù)鈦合金接頭拉伸斷口全貌的SEM照片。圖2所示的拉伸斷口宏觀全貌,均表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂與沿晶斷裂,并伴有一些二次裂紋。可看出常規(guī)直流TIG焊接頭拉伸斷口起伏比較大,而且不均勻,具有明顯的柱狀晶破壞痕跡。說明鈦合金常規(guī)直流TIG焊熔池凝固結(jié)晶時,容易生成粗大柱狀晶。超音頻直流脈沖TIG焊接頭拉伸斷口都比較平整,40kHz超音頻直流脈沖TIG焊焊接接頭拉伸斷口上沿晶斷裂的斷面還比較大, 60kHz和80kHz超音頻直流脈沖TIG焊接頭拉伸斷口上沿晶斷裂的斷面都比較小,80kHz接頭拉伸斷口表現(xiàn)最明顯。表明鈦合金超音頻直流脈沖TIG焊焊縫組織中,較小等軸晶所占比例明顯提高。

圖2 不同工藝參數(shù)TC 4焊接接頭斷口全貌SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM fracture photos of joints by traditional TIG and ultra-sonic pulse TIG welding (a)165A traditional TIG;(b)40 kHz;(c)60kHz;(d)80kHz

圖3是不同工藝參數(shù)鈦合金接頭拉伸斷口晶界處韌窩的SEM照片。其中韌窩的大小、深淺不一,與采用不同的焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)。焊接工藝參數(shù)不同,TC4鈦合金熔池液態(tài)金屬凝固時,β相晶粒尺寸以及 β相相變產(chǎn)生的 α相與針狀 α′相的大小都會有所差異[9,11,12],從而影響沿晶斷裂處的韌窩形貌。

常規(guī)直流TIG焊斷口沿晶斷裂處有大量剪切韌窩與較淺小的韌窩,如圖 3a所示剪切韌窩的存在說明接頭拉伸的過程中發(fā)生過大柱晶界面之間的相對滑移;出現(xiàn)大量的淺而小韌窩,說明 β相相變時產(chǎn)生的 α相與針狀 α′相的取向比較接近,阻礙沿晶斷裂能力較弱,相應(yīng)的會降低接頭斷后延伸率。

如圖3b,c,d所示,所有超音頻直流脈沖TIG焊斷口沿晶斷裂處已經(jīng)看不到大面積明顯的剪切韌窩,大而深的韌窩所占比例較大。表明不同頻率超音頻直流脈沖TIG焊工藝焊接TC4鈦合金,熔池凝固結(jié)晶過程中,可能是由于超音頻脈沖TIG過程中產(chǎn)生的一些特殊作用,影響了 β相晶粒向 α相及 α′相的轉(zhuǎn)變,使得 α相及 α′相生長方向雜亂且相互交錯,導(dǎo)致接頭斷后延伸率得到不同程度提高。

3 結(jié)論

(1)與常規(guī)直流 TIG焊工藝相比,超音頻直流脈沖TIG焊工藝,在平均電流不增加的情況下,可通過改變脈沖幅比,即增加峰值電流,減小基值電流或提高脈沖電流頻率,增大電弧軸向等離子流力,改善熔池凝固結(jié)晶過程。

(2)采用所選擇的超音頻直流脈沖TIG焊工藝焊接TC4鈦合金,在脈沖頻率60kHz、80kHz時,焊縫中氣孔數(shù)量明顯減少;隨著脈沖電流頻率提高, TC4鈦合金焊接接頭斷后延伸率得到了顯著提高。

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