薄壁構件自動TIG焊接參數的應用研究

王平

摘 要 鈦合金由于其具有較高的強度和良好的焊接性能等特點，其應用的范圍不斷擴大，特別是在航空產品的生產制造過程中，鈦合金在飛機產品材料比例逐步增加，針對鈦合金材料的焊接特性研究對飛機產品實現有非常重要的意義。本文采用自動TIG焊設備進行薄壁TC1鈦合金的焊接試驗，基于方差的試驗分析研究，得到了熔寬與焊接電流、焊接速度和氣體流量之間的多元線性回歸方程，這些科學問題的研究對于了解薄壁TC1材料的自動TIG焊接具有重要的工程意義。

關鍵詞 TIG焊接;TC1鈦合金;薄壁構件

引言

在飛機的設計與生產環節，焊接技術已經成為其關鍵核心技術，通過焊接的方式一方面可以減輕飛機零件的重量，另一方面可以為零件結構設計中新的設計思路提供技術支持，并促進飛機性能的提升。本文采用鈦合金材料，厚度0.8mm薄壁板材進行自動TIG焊接工藝研究，分析出不同焊接參數對焊接質量的影響程度，基于方差試驗的分析和研究，得到了焊接熔寬與焊接電流、焊接速度和氣體流量之間的多元線性回歸方程[1]。

1焊接工藝參數選擇

TIG焊的參數包括：焊接功率的類型和極性，鎢的直徑，焊接電流，電弧電壓，氬氣流量，焊接速度，噴嘴直徑，噴嘴與焊接部分之間的距離以及焊接長度。這些參數必須具有合理的設置才能獲得令人滿意的焊接質量。

焊接電流的類型與大小通常取決于基于工件材料的電流選擇的類型。主要根據材料、厚度、接頭形式、焊接位置，有時選擇還需考慮焊工技術水平（鎢氬弧）。焊接過程中焊點之間應存在一定的重疊率，這樣才能夠獲得連續并且排列密集的焊縫[2]。

焊接速度應與氬氣流量相配合，當著焊接速度的增加，氬氣流量也應相應的增加，否則會因為焊接速度過快，來不及在熔池附近形成惰性氣體保護層，空氣中的其他元素會對焊接質量產生破壞。同時，焊接速度對焊縫成形也有顯著影響。因此，選擇合適的焊接速度是非常重要的。

2正交試驗方案

通過對0.8mm薄壁TC1鈦合金試片的自動TIG焊接工藝試驗，利用正交試驗摸索出影響焊接質量的關鍵參數，對焊縫內部質量及焊接變形進行分析，設計合適的焊接氣體保護裝置，正交試驗設計。

2.1 不同工藝參數對熔寬的影響

對于薄壁構件的焊接來說，熔寬是一個重要的指標。熔寬的尺寸決定了薄壁構件的尺寸大小，并且熔寬的尺寸對于焊接變形尺寸有一定的影響。所以非常有必要研究不同焊接工藝參數對熔寬的影響規律。

在實驗過程中，通過對實驗序列號的隨機排列來保證正交實驗的準確性，且整個焊接試驗安排在專用的焊接間，這樣能夠保證試驗環境的一致性。在對試驗板材經過切割、打磨后，利用顯微鏡進行觀察，并對試片的熔寬尺寸進行了標定。試驗得出16組的正方面熔寬值結果。

從實驗結結果分析，通過觀察焊縫表面質量及焊接變形情況，確定了0.8mm薄壁TC1鈦合金焊接工藝規范參數：焊接電流：45A-50A;焊接速度：500mm/min;焊槍保護氣體流量：10L/min-15L/min，電弧電壓：9V。

2.2 正交試驗結果的方差分析

由于試驗的目的是為了明確各列對試驗指標影響是否顯著，在哪一個水平上是顯著的，因此對正交試驗結果進行方差分析。

表2分別給出了焊縫正面熔寬方差分析結果和焊縫背面熔寬方差分析結果。表2中F值大小反映了各個因素對正面熔寬影響的顯著性。如果某個因素的F值越大，則該因素對熔寬的影響越大。

因此從表中可以看出，B因素的F值最大，其次是 A因素，C 因素的F值最小，這表示焊接速度是影響熔寬大小的最重要的因素，可以通過調節焊接速度大小來實現熔寬的快速改變。在三種工藝參數中氣流流量對熔寬的影響最小，即在一定范圍內氣流的變化不會引起熔寬的顯著變化，即在焊接成型的過程中實時地對氣體流量進行調節不會對熔寬造成顯著的影響，這一結論對后續試驗具有重要的意義。

而之所以焊接速度對熔寬影響最為顯著，這是因為隨著焊接速度的增加，焊接線能量降低，所以會導致焊縫熔寬變小。當焊接速度高于600mm/min時，背面熔寬明顯減小。焊速過低，焊接線能量會很大，從而形成飛濺;當焊速增加，雖可以減少飛濺，但焊縫重疊率也會減小，影響焊接接頭性能。因此，選擇合適的焊接速度，有利于獲得優良的焊接接頭，同時提高焊接效率。

（1）線性回歸模型的建立

在完成試驗后，利用Design Expert 軟件對試驗數據進行了基于方差分析的研究，來確定試驗結果的準確性。同時利用軟件將試驗的數據進行了多元線性回歸擬合，得到了兩個三元線性回歸方程，

即：正面熔寬=4.3599375+0.9415875*A-1.7285625*B+0.1105125*C

背面熔寬=3.6176875+1.1229375*A-1.9180125*B+0.1151625*C

A為焊接電流，單位為A：B為焊接速度，單位為MM/min：C為氣體流量L/min。 通過預測值與實驗值的比較，可以對擬合的精度進行一定程度的評估。從擬合結果看出線性回歸模型較為顯著，可信度較高。

3結束語

在薄壁TC1鈦合金材料的自動TIG焊接過程中得出以下結論：通過正交試驗對焊接參數與熔寬的影響可以得出隨著焊接速度增大或電流的減少，焊縫熔寬會減小。反之則會因為焊接線能量的增大而導致焊縫寬度增大。在保證焊透的前提下，選擇適當的焊接電流、焊接速度，有助于獲得成形良好的焊縫。利用 Design Expert 軟件對試驗數據進行了基于方差分析的研究，得到了熔寬與焊接電流、焊接速度、氣體流量之間的多元線性回歸方程，對后續焊接工程應用起到指導的意義。

參考文獻

[1] 凌堃.焊接熱輸入對鈦材焊接接頭性能的影響[J].焊接技術， 2011（4）：29-31.

[2] 楊文甲.薄壁焊接鈦管工藝及性能[J].中國有色金屬學報， 1994（4）：91-94.