厚板TC4鈦合金磁控窄間隙TIG焊接工藝

（廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現代焊接技術重點實驗室，廣東廣州510650）

0 前言

TC4鈦合金是一種中等強度的α-β型兩相鈦合金，含有6%的α相穩定元素Al和4%的β相穩定元素V。TC4鈦合金比剛度高、比強度高、無磁性、耐腐蝕、抗疲勞和蠕變性能好，綜合性能優異，在航空航天、核工業、海洋工程、能源化工等領域具有極大的發展潛力和應用前景[1-3]。近年來，隨著海洋工程、壓力容器、化工等領域的發展，20 mm以上厚板鈦合金結構的應用越來越普遍，對鈦合金的焊接工藝提出了更高的要求。目前厚板鈦合金焊接多采用電子束焊接方法，該方法不僅生產成本高，而且構件受真空室尺寸及大構件裝配精度的約束[4-5]。因此，研究更高效便捷、經濟性好、適用于厚板鈦合金結構的焊接方法對于推動厚板鈦合金結構的應用及相關產業的發展具有重要意義。

窄間隙TIG焊接技術由美國Battle研究所于1963年率先提出，其坡口間隙較常規TIG焊接方法小很多。采用窄間隙方法焊接厚板可以大幅減小焊縫截面積，降低焊縫金屬填充量，以較小的線能量實現較高的生產效率[6-8]。該方法的關鍵在于獲得側壁熔合良好且熔深均勻的焊縫。20世紀末，烏克蘭Paton焊接研究所創造性地將磁場引入到窄間隙焊接過程中，開發出磁控窄間隙TIG焊接技術[9]。采用磁控窄間隙TIG焊接中厚板鈦合金具有較好的應用前景[10]。

本研究對30 mm和100 mm厚TC4鈦合金進行磁控窄間隙TIG焊接工藝試驗，并實時跟蹤焊接過程。焊后分析接頭微觀組織，研究磁場對焊縫組織的影響。研究接頭典型缺陷，分析電弧擺動和電極位置對焊縫成形的影響，并測試接頭的力學性能，為厚板鈦合金磁控窄間隙TIG焊接工藝的優化和工業化應用奠定基礎。

1 試驗方法

試驗母材為TC4鈦合金，通過真空電子束熔煉生產，其化學成分如表1所示。材料經過軋制和熱處理，切割成尺寸為650mm×300mm×30mm和650mm×300 mm×100 mm的試板，并清潔試板表面及邊緣，用于后續焊接試驗。填充材料采用與母材相同的材料制成，直徑2 mm。焊接過程不開坡口，試板間隙Δ=8～10 mm，焊縫背板采用永久成形墊，其材料與母材材料相同，成形墊厚度5～10 mm，見圖1。

表1 TC4鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy %

圖1 TC4鈦合金磁控窄間隙TIG焊接接頭示意Fig.1 Schematic of the TC4 titanium alloy joint for magnetically controlled narrow-gap welding

采用由烏克蘭巴頓焊接研究所開發的磁控窄間隙TIG焊接設備，焊接過程如圖2所示，為了獲得良好的側壁熔合，在焊接過程中引入橫向磁場。電磁鐵心實現磁導體的功能并置于間隙中，當電流通過電磁線圈時產生感應磁場，磁感線沿焊縫方向布置，使電弧橫向擺動。通過改變電磁線圈的電流極性，實現電弧在兩側壁上的周期性擺動，同時也調整電弧斑點在側壁上的位移。磁感應強度為0～8mT，磁場的逆變頻率可以在1～80 Hz范圍內調節。采用具有圓柱形保護噴嘴的焊矩，并通過外加保護氣罩加強對焊接區域的保護。

圖2 磁控窄間隙TIG焊接過程示意Fig.2 Schematic of the magnetically controlled narrowgap welding process

在焊接過程中，通過改變磁感應強度來研究外加磁場對焊縫微觀組織的影響。并通過改變鎢極位置研究其對焊縫成形的影響。在垂直焊縫方向截取金相試樣，經過打磨、腐蝕，使用金相顯微鏡觀察顯微組織形貌，并測試接頭力學性能。

2 結果與討論

2.1 微觀組織

不同磁感應強度下焊接得到的接頭微觀組織如圖3所示，焊縫為典型的針狀馬氏體組織，呈現籃網狀結構。磁感應強度為0 mT（即沒有焊接電弧擺動）時獲得的焊縫組織如圖3a所示，為平行分布、粗大的馬氏體組織。由于沒有外加磁場和電弧擺動，熔池攪拌作用弱，晶粒不斷長大，形成長而粗大的馬氏體。

圖3 不同磁感應強度下所得焊縫的微觀結構（400×）Fig.3 Microstructure of the welds made with different induction of controlling magnetic field(400×)

當磁感應強度為6 mT時，焊縫的組織為更為粗糙的馬氏體結構。由于外加磁場對熔池的攪拌作用，在結晶前沿發生金屬周期性亞熔融，造成焊縫金屬凝固中的枝晶晶臂斷裂，成為新的形核核心，增大了非均勻形核率[11]，而攪拌抑制了晶粒的非均勻化生長，這種情況下的針狀馬氏體比無磁場情況下更短，如圖3b所示。

在磁感應強度大于6 mT時進行焊接，焊縫組織更為均勻，如圖3c所示。焊縫中心和外圍都沒有粗糙的針狀馬氏體，而呈現更均勻的細針狀結構組織。逆變頻率在20 Hz以上時，幾乎不影響焊縫金屬結構中針狀馬氏體的長度。

窄間隙焊接時應用磁控焊接電弧可以大幅減小焊縫金屬中針狀馬氏體的平均長度，獲得更均勻、結構更精細的焊縫。

2.2 典型缺陷

窄間隙焊接工藝面臨的主要問題是獲得均勻熔化的側壁。窄間隙TIG焊接時，如果電弧沒有偏轉，易出現側壁熔合不良的缺陷。為了消除該典型缺陷，通過施加外部磁場實現電弧的擺動。焊接時，電弧在外加磁場作用下，受洛倫茲力作用發生周期性橫向擺動，如圖4所示。電弧交替地偏離間隙側壁時，熔池和側壁熔融金屬的攪拌和振蕩效果增強，從而避免側壁熔合不良[12-13]。

圖4 磁控窄間隙TIG焊接電弧擺動示意Fig.4 Schematic of the arc swing in magnetic field during welding process

無外加磁場和有外加磁場情況下，鈦合金窄間隙TIG焊接接頭間隙側壁和填充金屬區域如圖5所示。無外加磁場時，側壁與填充金屬間存在明顯的未熔合，而有外加磁場時該情況得到顯著改善。

圖5 鈦合金窄間隙TIG焊接接頭側壁和熔敷金屬區域Fig.5 Zoneof joint between the sidewall and cladded metal

焊接時由于熱循環的作用和本身的裝配誤差，實際的焊接路徑與理想路徑會產生偏差，導致電極偏離間隙中心位置。電極偏離時，電極和側壁間距發生變化，引起通過側壁的電流變化，造成側壁熔透深度不均勻。間隙側壁電流占焊接電流的比例與側壁-電極距離的關系如圖6所示。

圖6 間隙側壁電流占焊接電流的比例與間隙-電極距離的關系（Z—側壁-電極距離；X—側壁電流所占比例）Fig.6 Relation between the current in the sidewall and the distance between the sidewall and the electrode

由圖6可知，靠近電極的側壁輸入的電流比例會上升，遠離電極則會下降，電極位置偏離1 mm，可引起電流比例波動15%～25%。這會破壞間隙側壁熔化的均勻性，甚至引發缺陷。電極偏離間隙中心時焊縫成形情況如圖7所示，為避免出現側壁熔深不均勻，需要嚴格控制電極位置。

圖7 電極偏離間隙中心時焊縫成形情況Fig.7 Weld formation at the displacement of tungsten electrode from the central plane of joint

2.3 力學性能

分別測試30 mm和100 mm厚接頭的力學性能，結果如表2所示。可以看出，接頭強度不低于母材的96%，性能優異。

3 結論

（1）窄間隙TIG焊接時引入磁控電弧大幅減小了焊縫金屬中針狀馬氏體的平均長度，細化晶粒，獲得更均勻、結構更精細的焊縫。

（2）受外加磁場控制的電弧擺動可以有效避免間隙側壁熔合不良問題，獲得穩定的側壁熔合。

表2 TC4鈦合金母材及接頭的力學性能Table 2 Mechanical properties of TC4 alloy and joints

（3）為獲得熔深均勻的側壁，需要嚴格控制電極中心位置位于間隙中心面上。

（4）采用磁控窄間隙TIG焊接獲得的30 mm和100 mm厚TC4鈦合金接頭力學性能良好。

[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會編.中國航空材料手冊：第4卷，鈦合金、銅合金[M].北京：中國標準出版社，2001.

[2] 于慧臣，吳學仁.航空發動機設計用材料數據手冊：第四冊[M].北京：中國標準出版社，2010.

[3] 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應用[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4] 尹麗香，許鴻吉，魏志宇，等.TC4鈦合金電子束焊接接頭高溫性能與組織[J].焊接學報，2007，28（10）：49－52.

[5] 宮平，羅宇，王亞軍，等.TC4鈦合金電子束焊接工藝參數對焊縫形狀的影響[J].航空制造技術，2008（6）：72－75.

[6]HORI K，HANEDA M.Narrow gap arc welding[J].Journal of the Japan Welding Society，1999，68（3）：179-200.

[7]STARLING C M D，MARQUES P V，MODENESI P J.Statistical modeling of narrow-gap GTA welding with magnetic arc oscillation[J].Journal of Materials Processing Technology，1995（51）：37-49.

[8]BUTLER C A，MEISTER R P，RANDALL M D.Narrow gap welding a process for all positions[J].Welding Journal，1969，48（2）：102-108.

[9]PATON B E，ZAMKOV V N，PRILUTSKY V P.Narrowgroove welding proves its worth on thick titanium[J].Welding Journal，1996，75（5）37-41.

[10]鄭喜剛，趙勇，蔣成禹.鈦合金窄間隙TIG焊技術研究[J].鈦工業進展，2006（23）：40-43.

[11]BROWN D C，CROSSLEY F A，RUDY J F，SCHWARTZBART H.The effect of electromagnetic stirring and mechanical vibration on arc welds[J].Welding Journal，1962，41（6）：241-250.

[12]TSENG C F，SAVAGE W F.The effect of arc oscillation[J].Welding Journal，1971，50（12）：777-785.

[13]BELOUS V Y，AKHONIN S V.Influence of controlling magnetic field parameters on weld formation in narrow-gap argon-arc welding of titanium alloys[J].Paton Welding Journal，2007（4）：2.