鈦合金T形接頭雙面雙弧MIG焊工藝

李瑞武， 邱勝聞， 徐家磊， 王乃友， 趙標(biāo)， 劉志穎

(中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽(yáng) 471023)

0 前言

鈦及鈦合金以其優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強(qiáng)度而廣泛應(yīng)用于船舶、航空航天、化工、醫(yī)療器件以及核電等領(lǐng)域[1]，其中，鈦及鈦合金T形接頭主要用在船舶、航空航天等領(lǐng)域的大形焊接結(jié)構(gòu)件上[2]。對(duì)于大厚度T形鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)，如何在保證焊接質(zhì)量的前提下提高焊接效率，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)在常用的鈦及鈦合金T形接頭的焊接工藝方法主要有TIG焊、MIG焊、A-TIG活性焊、高能束焊接、激光-電弧復(fù)合焊接等。

雙面雙弧焊接(DSAW)是在焊接接頭的正反兩面各采用一把獨(dú)立電源的焊槍?zhuān)瑫r(shí)同方向進(jìn)行焊接的一種焊接工藝。相比于其它焊接方法，雙面雙弧焊接具有效率高、熔深大、焊接角變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于T形結(jié)構(gòu)施焊[3]。按照T形接頭兩面的焊接電弧是否對(duì)稱(chēng)，可以分為同步雙面雙弧與異步雙面雙弧焊接。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要集中在合金鋼、鋁及鋁合金等材料上，關(guān)于鈦及鈦合金的雙面雙弧焊接研究未見(jiàn)諸于報(bào)道。

文中首次將雙面雙弧熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metal inert-gas welding，MIG)應(yīng)用到鈦合金T形接頭的焊接上，大幅度提高了焊接效率。通過(guò)開(kāi)展焊接參數(shù)對(duì)T形接頭成形及缺陷形成影響規(guī)律的系統(tǒng)研究，以期實(shí)現(xiàn)雙面雙弧MIG焊在鈦合金T形結(jié)構(gòu)焊接上的工程化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為25 mm厚度TC4合金板材，實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用真空自耗電阻爐熔煉，退火態(tài)，實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度為Rm=896 MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度為Rp0.2=812 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為A=14%，沖擊吸收能量AKV=32 J。焊接材料使用φ1.2 mm規(guī)格的TC3焊絲，實(shí)測(cè)化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用材料實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

文中焊制了兩種規(guī)格的接頭形式(坡口結(jié)構(gòu)均如圖1a所示)，一種為T(mén)形焊透結(jié)構(gòu)，面板采用150 mm×900 mm×δ25 mm規(guī)格板材，腹板采用200 mm×900 mm×δ25 mm規(guī)格板材，接頭形式如圖1b所示；另一種為“十字形”焊透結(jié)構(gòu)，接頭形式如圖1c所示。

圖1 接頭示意圖

采用雙面雙弧MIG焊進(jìn)行打底、填充、蓋面焊接，焊接示意圖如圖2所示。兩把MIG焊槍分別位于T形接頭兩側(cè)，焊槍間距為Δx，焊槍軸線與面板平面的夾角為α1，焊槍軸線與焊接前進(jìn)軸線夾角為α2(橫截面視角)，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 焊接方法示意圖

焊接完成后，對(duì)部分T形焊接接頭進(jìn)行破斷試驗(yàn)，采用SEM觀測(cè)斷面形貌。使用電火花線切割制備T形焊接接頭橫斷面，采用ZEISS Observe.Z1m金相顯微鏡觀察接頭宏觀形貌。同時(shí)，采用K1探頭(β=45°)和直探頭從面板背面進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，觀察有無(wú)焊接缺陷。焊接完成后的部分試樣切除面板并加工平整(圖1b)，參照NB/T 47013.2進(jìn)行X射線檢測(cè)，評(píng)定區(qū)域?yàn)?0 mm×20 mm，考慮到不同尺寸的氣孔對(duì)接頭性能影響的不同，文中使用“氣孔當(dāng)量”代替氣孔數(shù)量，根據(jù)氣孔等效直徑大小，按照表3計(jì)算焊縫氣孔當(dāng)量。對(duì)于“十字形”焊縫，焊接完成后按照?qǐng)D1c方法切割去除面板，模擬對(duì)接接頭進(jìn)行取樣進(jìn)行性能檢測(cè)，取樣按照NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行，分別進(jìn)行拉伸、側(cè)彎及沖擊吸收能量AKV檢測(cè)。其中AKV試驗(yàn)分為5組，均沿試件表面取樣，試樣縱軸線垂直于焊縫軸線，缺口軸線垂直于母材表面，缺口軸線與試樣縱軸線的交點(diǎn)分別位于焊縫中心線、熔合線(腹板側(cè))、距熔合線1 mm，3 mm，5 mm處。

表2 工藝試驗(yàn)采用的焊接參數(shù)

表3 氣孔數(shù)量換算表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊槍間距對(duì)焊接質(zhì)量的影響

焊槍間距與焊接氣孔數(shù)量、未熔合長(zhǎng)度比例的關(guān)系如圖3所示，同步焊接時(shí)，兩電弧完全重合，焊接能量集中，熔透性好，但此時(shí)兩側(cè)電弧相互干擾，可能導(dǎo)致紊流，因此氣孔較多。隨著焊槍間距增大，熔池拉長(zhǎng)，能量逐漸分散，未熔合長(zhǎng)度比例增多，但此時(shí)熔池更趨穩(wěn)定，并且前、后焊槍相互預(yù)熱、后熱，氣孔更容易溢出，氣孔率逐漸下降。當(dāng)焊槍間距超過(guò)20 mm時(shí)，熔池完全分離，對(duì)于厚板來(lái)說(shuō)，能量損失率增大，整體熱輸入降低，也會(huì)阻礙氣孔的溢出，導(dǎo)致氣孔數(shù)量增多。不同焊接參數(shù)下的焊槍間距合理區(qū)間不盡相同，如在電流為260 A，α1=30°，α2=60°，焊接速度為1 000 mm/ min條件下，合理的焊槍間距區(qū)間為10～25 mm。

圖3 氣孔數(shù)量及未熔合比例隨焊槍間距變化曲線(I=260 A，α1=30°，α2=60°，v=1 000 mm/min)

焊縫中的氣孔主要分為兩類(lèi)：第一類(lèi)氣孔為氫氣孔，焊接過(guò)程中氣體與金屬界面上會(huì)形成金屬氫化物，在壁面可以觀測(cè)到結(jié)晶晶胞。第二類(lèi)氣孔為工藝氣孔，主要是熔池凝固時(shí)氣泡被禁錮在熔池內(nèi)來(lái)不及逃逸產(chǎn)生的[4-5]。

對(duì)部分T形焊接接頭進(jìn)行破斷試驗(yàn)，采用SEM觀測(cè)斷面形貌，SEM觀測(cè)結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，在氣孔壁面形成了許多粗糙的階梯臺(tái)階以及少量的，不規(guī)則凸起，在局部發(fā)現(xiàn)了河流花樣的形貌，表明氣孔受到熔池流動(dòng)的擾動(dòng)，為工藝氣孔。當(dāng)兩焊槍相距過(guò)近時(shí)，兩電弧相互干擾產(chǎn)生磁偏吹，會(huì)導(dǎo)致熔池的劇烈擾動(dòng)；而焊槍間距過(guò)大時(shí)，兩側(cè)熔池分離，能量散失，總體熱輸入降低，氣孔不能充分逸出。因此，為了最大可能地降低氣孔缺陷數(shù)量，在雙面雙弧MIG焊接時(shí)必須嚴(yán)格控制焊槍間距，保證在本質(zhì)上兩側(cè)熔池既不能完全分離，又不能過(guò)于接近重疊。

圖4 T形接頭破斷界面氣孔SEM觀測(cè)結(jié)果

2.2 焊槍角度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

α1影響熔深及熔池形狀，受結(jié)構(gòu)限制，α1僅在20°～70°之間可調(diào)。如圖5所示，為不α1時(shí)的熔池形狀示意圖。同打底焊接時(shí)，當(dāng)α1過(guò)大時(shí)，焊接熱量向面板偏移，根部及側(cè)壁熔合性降低，容易產(chǎn)生根部未熔合。如圖5a所示，入射角度為45°時(shí)，在T形接頭根部產(chǎn)生了明顯的未熔合，當(dāng)入射角度為30°時(shí)，根部未熔合完全消失(圖5b)，因此，打底焊時(shí)應(yīng)盡量減小α1；填充焊及蓋面焊時(shí)，α1過(guò)小時(shí)，液態(tài)熔敷金屬受重力影響自然流動(dòng)時(shí)受電弧壓力影響加劇，凝固后堆積在焊縫上側(cè)，導(dǎo)致焊縫凸起，焊趾處過(guò)渡不圓滑(圖5c)。而α1過(guò)大會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁未熔合，因此應(yīng)選擇合理的α1值。

圖5 不同α1的熔池形狀

α2是指焊槍軸線與焊接前進(jìn)軸線夾角，主要影響焊縫氣孔率。適當(dāng)減小α2，電弧力吹動(dòng)熔池平鋪，焊縫成形更佳，也有利于熔池中氣孔排除；但當(dāng)α2過(guò)小時(shí)，熔滴與坡口面夾角增大造成飛濺增加，同時(shí)“裹挾”氣體進(jìn)入熔池，引起氣孔增多。圖6為α2為30°～90°時(shí)的焊縫X射線檢測(cè)情況，從圖6可知當(dāng)α2為90°時(shí)，焊縫中存在大量的密集性氣孔，α2為60°時(shí)，焊縫中氣孔數(shù)量明顯降低，當(dāng)α2為30°時(shí)，氣孔數(shù)量及尺寸又有所增加。

2.3 焊接熱輸入對(duì)焊接質(zhì)量的影響

對(duì)鈍邊為1～6 mm的T形接頭進(jìn)行打底熔透性試驗(yàn)，面板、肋板板厚均為22 mm，焊接完成后采用超聲波檢測(cè)是否存在根部未熔合。焊接熱輸入對(duì)熔透性的影響如圖7所示。焊接時(shí)熱量損失系數(shù)按0.7計(jì)算，單槍熱輸入約為4 kJ/cm時(shí)，可穿透鈍邊為1.5 mm鈍邊的試板；單槍熱輸入約為6.7 kJ/cm時(shí)，可穿透鈍邊為3 mm鈍邊的試板，而當(dāng)熱輸入為6.2 kJ/cm時(shí)，焊縫根部存在未熔合(圖7a)。受多種情況影響，在實(shí)際施焊時(shí)，即使打底單槍焊接熱輸入達(dá)到10 kJ/cm，也很難穿透超過(guò)3.5 mm的鈍邊(圖7b)。

圖6 α2對(duì)焊縫氣孔數(shù)量的影響

圖7 焊接熱輸入對(duì)熔透性的影響(Δx=20 mm，α1=30°，α2=60°)

采用X射線對(duì)不同單層熱輸入焊接時(shí)的氣孔情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。焊接熱輸入越大，熔池高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，氣孔數(shù)量越少，在保證其它條件的前提下，應(yīng)盡量增大熱輸入，降低焊接氣孔數(shù)量；但熱輸入量大時(shí)焊接變形及殘余應(yīng)力相應(yīng)增大，因此應(yīng)綜合考慮。

圖8 焊接熱輸入對(duì)焊縫氣孔數(shù)量的影響

送絲速度與焊接速度的匹配問(wèn)題對(duì)T形接頭外部輪廓有重要影響，送絲速度在熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)為一元化模式，由系統(tǒng)根據(jù)電流I自動(dòng)調(diào)節(jié)至合適數(shù)值，因此，電流I與焊接速度v的匹配性尤為重要，I/v的數(shù)值本質(zhì)上與焊接熱輸入(有效功率/焊接速度)相關(guān)，因此焊接熱輸入對(duì)T形接頭的成形也有重要影響。I/v的值與焊縫成形情況的關(guān)系如圖9所示。

當(dāng)I/v較大時(shí)，外部輪廓為凸角過(guò)渡，且比值越大，凸起越嚴(yán)重。隨著I/v值變小，焊縫外部輪廓向凹角過(guò)渡。I/v值過(guò)小時(shí)，焊絲熔化不充分，容易出現(xiàn)焊接缺陷。隨著焊接速度v的增加，焊接電流I與焊接速度v的匹配性得到改善。

2.4 焊接電弧對(duì)焊縫成形影響

在使用MIG焊進(jìn)行焊接時(shí)，電弧長(zhǎng)度對(duì)電弧挺度及電弧穩(wěn)定性有重要影響，弧長(zhǎng)修正(ΔLc)在-30%～+30%范圍內(nèi)可調(diào)，其數(shù)值直接影響焊接電弧長(zhǎng)度。如圖10所示，當(dāng)ΔLc為正且數(shù)值較大時(shí)，咬邊可能性變大，熔滴大，焊縫寬，熔深淺，焊接速度低，熱輸入高；當(dāng)ΔLc為負(fù)且數(shù)值較大時(shí)，焊縫搭橋能力強(qiáng)，能獲得較大的焊接速度，熔深淺，焊縫較高，焊縫寬度窄。一般情況下，雙面雙弧MIG打底焊接時(shí)ΔLc應(yīng)為負(fù)值，以降低弧長(zhǎng)，提高焊接熔深，而蓋面時(shí)適當(dāng)選用正值，以提高蓋面寬度。

圖9 焊接速度v、電流I對(duì)焊縫成形的影響

脈沖修正控制脈沖峰值電流、時(shí)間和基值電流、時(shí)間，脈沖修正主要影響熔滴過(guò)渡力。脈沖修正系數(shù)(ΔPc)在-5%～+5%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)ΔPc為-5%時(shí)，脈沖峰值電流較大，峰值電流較長(zhǎng)，脈沖頻率較小，脈沖過(guò)渡能量較大，可能有小顆粒飛濺，熔深大；當(dāng)ΔPc為+5%時(shí)，脈沖峰值電流較小，峰值電流較短，脈沖頻率較大，脈沖過(guò)渡能量較小，可能有大顆粒飛濺，熔深小。

電弧穩(wěn)定的一個(gè)重要體現(xiàn)點(diǎn)就是焊接飛濺，一般情況下，焊接飛濺大時(shí)氣孔數(shù)量較多[6]，圖11是蓋面焊接時(shí)不同的弧長(zhǎng)修正系數(shù)和脈沖修正系數(shù)組合對(duì)焊接飛濺的影響情況。弧長(zhǎng)修正系數(shù)和脈沖修正系數(shù)共同影響焊接電弧狀態(tài)，弧長(zhǎng)過(guò)短，熔滴射流(細(xì)滴)過(guò)渡沖擊力大，電弧不穩(wěn)；電弧過(guò)長(zhǎng)，熔滴自旋軌跡較長(zhǎng)，飛濺增加，氣孔率增加；而脈沖修正過(guò)大或過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn)，從而產(chǎn)生飛濺。在使用雙面雙弧MIG焊進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)選取合適的弧長(zhǎng)修正系數(shù)和脈沖修正系數(shù)組合，在保證熔深的前提下盡量穩(wěn)定電弧，提高焊接成形質(zhì)量。

圖10 弧長(zhǎng)對(duì)焊縫成形的影響

圖11 弧長(zhǎng)和脈沖對(duì)蓋面焊接飛濺的影響

2.5 焊接接頭性能分析

使用最優(yōu)工藝參數(shù)焊制了“十字形”結(jié)構(gòu)，并按前文描述的方法進(jìn)行了性能試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度、彎曲試驗(yàn)合格率及宏觀金相檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，沖擊吸收能量AKV如圖12所示。雙面雙弧MIG焊接頭的抗拉強(qiáng)度低于TIG焊，但接頭系數(shù)仍高于0.9，并且側(cè)彎試驗(yàn)合格率更高。相比普通TIG焊，由于雙面雙弧MIG焊焊接速度快(約為普通TIG焊的6倍)，因此總體熱輸入量小，焊縫抗沖擊性能更加優(yōu)良，熔合線外1 mm處AKV較普通單槍TIG焊提高29%。這也是MIG焊接的一大優(yōu)點(diǎn)，其接頭塑、韌性更高，綜合性能較優(yōu)良。

表4 雙面雙弧MIG焊和普通TIG焊接頭性能對(duì)比

圖12 雙面雙弧MIG焊和普通TIG焊接頭AKV對(duì)比

3 結(jié)論

(1)焊槍間距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致焊接氣孔增多，焊接氣孔主要為受到熔池流動(dòng)的擾動(dòng)而產(chǎn)生的工藝氣孔，采用雙面雙弧MIG焊進(jìn)行鈦合金厚板焊接時(shí)應(yīng)選擇合理的焊槍間距。

(2)打底焊接時(shí)應(yīng)盡量減小α1；填充及蓋面時(shí)，α1過(guò)小則導(dǎo)致焊縫凸起，焊趾處過(guò)渡不圓滑；在30°～90°區(qū)間，α2為60°左右時(shí)氣孔率最低。

(3)單槍熱輸入大于6.7 kJ/cm時(shí)，可穿透鈍邊為3 mm鈍邊的試板。受多種情況影響，在實(shí)際施焊時(shí)，即使打底單槍焊接熱輸入達(dá)到10 kJ/cm，也很難穿透超過(guò)3.5 mm的鈍邊；其它焊接參數(shù)不變時(shí)，焊接熱輸入越大，熔池高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，氣孔數(shù)量越少。焊接電流I/焊接速度v對(duì)焊縫成形情況有重要影響，隨著v的增加，I與v的匹配性得到改善。

(4)應(yīng)選取合適的弧長(zhǎng)修正系數(shù)和脈沖修正系數(shù)組合，在保證熔深的前提下盡量穩(wěn)定電弧，提高焊接成形的質(zhì)量。

(5)雙面雙弧MIG焊焊接接頭塑、韌性更高，綜合性能較優(yōu)良，熔合線外1 mm處沖擊吸收能量較普通單槍TIG焊提高可達(dá)30%左右。