TA2鈦板PMC氣保焊焊接工藝研究

楊 柳 劉學(xué)剛 曹 磊

（重慶通用工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，重慶 401336）

0 引言

TA2 為工業(yè)純鈦，其導(dǎo)熱性差，焊縫及近焊縫區(qū)易產(chǎn)生粗大晶粒，導(dǎo)致焊縫的塑性及韌性下降，焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制熱量的輸入。其化學(xué)性質(zhì)較活潑，如果焊接時因氣體保護不當(dāng)而暴露于空氣中，易受氧、氮及氫等雜質(zhì)污染。焊縫易形成氣孔等缺陷，還會生成脆性化合物而被降低韌性和塑性，這些雜質(zhì)還會導(dǎo)致焊縫變色、焊縫的耐蝕性降低[1]。

鎢極氬弧焊[2-3]為TA2 最常用的焊接方法，其焊接效率低、成本高、對操作者的技能要求高、對工件清理要求較高，且鎢極承載電流的能力較差，電流過大會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其微粒進入熔池會造成污染。

1 PMC 氣保焊在TA2鈦板焊接中的優(yōu)勢

氣體保護焊（簡稱：氣保焊）是一種高效焊接方法，其操作簡單、質(zhì)量穩(wěn)定可靠且是一種節(jié)能降耗的焊接技術(shù)[4-5]。氣保焊的抗裂性能好，焊接變形小，適應(yīng)變形范圍大，可進行薄板件及中厚板件的焊接，適合自動焊和全方位焊接[6]。氣保焊常用的保護氣體為二氧化碳、氬氣、富氬氣體（氬氣和氦氣的混合氣體）。二氧化碳保護焊主要用于焊接低碳鋼、低合金高強度鋼以及各種大型鋼結(jié)構(gòu)。氬氣（富氬氣體）保護焊主要用于焊接化學(xué)性質(zhì)較為活潑的鋁、鈦、不銹鋼等金屬。本次試驗所需焊接的是TA2 鈦板，因此選擇惰性氣體氬氣作為其保護氣體。

PMC 氣保焊焊接工藝是一種優(yōu)化后的多功能脈沖工藝，是一種利用焊絲與工件之間的電弧作熱源，將焊絲與母材金屬熔化，并向焊接區(qū)域輸送保護氣體，使熔化的焊絲、熔池及附近的母材金屬免受周圍空氣污染的一種焊接方法。在同等品質(zhì)的前提下，PMC 工藝的焊接速度更快、效率更高。連續(xù)送進的焊絲金屬不斷熔化并過渡到熔池，與熔化的母材金屬融合形成焊縫金屬，進而使工件相互連接起來。和傳統(tǒng)熔化極氣體保護焊工藝的脈沖電弧相比，PMC 氣保焊工藝的電弧更短、更集中。PMC 氣保焊工藝的恒熔深控制性能能夠保證熔深的一致性，且短弧脈沖能夠增加熔深，降低熱輸入量，減少咬邊的風(fēng)險。熱輸入量的減少能夠降低焊接變形和減少焊縫的殘余應(yīng)力，使其熱影響區(qū)變窄。PMC 氣保焊的弧長自適應(yīng)功能能夠讓電弧變得更穩(wěn)定，焊縫成形質(zhì)量更好。短弧脈沖在一定程度上還能提高中厚板的焊接速度。采用PMC 氣保焊焊接工藝方法焊接時，其焊接位置更精準(zhǔn)、飛濺更低，簡單的操作即可讓全位置焊成為可能。

2 TA2鈦板PMC 氣保焊施焊工藝

2.1 試板制備

將TA2 鈦板按照如圖1 所示的尺寸規(guī)格進行下料、校平，并按圖1 加工四周直邊及坡口（130 加工至125，410加工至400，單位均為mm，并按圖1 加工坡口）。

圖1 焊接試板尺寸規(guī)格示意圖

2.2 焊接設(shè)備

焊接時采用福尼斯Fronius 多功能脈沖焊機，其型號為TPS 500i。該焊機會自動檢測所有焊接系統(tǒng)的組成部分，例如：焊槍、冷卻裝置、送絲裝置等，如果出現(xiàn)不兼容的現(xiàn)象，系統(tǒng)會自動發(fā)出警告。該焊機還具有優(yōu)越的焊接性能，使焊接工藝更精確。如控制熔滴過渡時的飛濺、改進熔滴分離形式、更高焊接速度下保證更穩(wěn)定的電弧、起弧性能可控等。

焊接前檢查電源線是否破損，導(dǎo)電嘴是否良好，送絲裝置是否正常，極性是否選擇正確。檢查氬氣氣路系統(tǒng)各部連接處是否漏氣，氬氣是否暢通且能均勻噴出，氬氣的純度不得低于99.99%（本次試驗均采用純氬氣保護，因此對氬氣的純度要求較高）。

2.3 焊絲的選用

本次試驗采用PMC 氣保焊焊接工藝，選用實心焊絲，焊絲的選擇主要考慮焊縫金屬與母材的機械性能或物理性能之間是否能良好匹配，必須選擇與其等強度的焊絲。由于母材為TA2 鈦板，其規(guī)格為400 mm×125 mm×10 mm，屬于中厚板，考慮其焊接效率、熱輸入量以及焊接后其焊縫的塑性和韌性，因此根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3623—2007《鈦及鈦合金絲》中規(guī)定的要求選擇TA2 鈦板專用的氣保焊焊絲，即TA2ELI 焊絲。TA2ELI 是一種工業(yè)用純鈦焊絲，和TA1 焊絲相比，其雜質(zhì)含量更少，具有更良好的機械性能和優(yōu)良的焊接工藝性能。由于盤狀焊絲易于實現(xiàn)機械化焊接，且本次焊接試驗所選用的焊接設(shè)備自帶的送絲裝置為自動送絲裝置。為了提高施焊過程中的送絲效率，選擇直徑規(guī)格為φ2.0 mm 的盤狀焊絲。焊接前在調(diào)節(jié)送絲壓力時，需要盡量保持前后壓力一致，盡可能讓焊絲順暢送出。

2.4 焊接工藝

焊接前必須徹底清理坡口及其兩側(cè)表面的油污、漆層、氧化皮以及其他雜物。多功能脈沖焊機選用PMC 模式，焊接時須選用負(fù)極性接法（工件接負(fù)極，焊槍接正極），采用PMC 氣保焊焊接工藝對TA2 鈦板進行焊接。該模式下的電弧窄、陡，熱量集中，穿透力強，且用相對較小的電流即可獲得較深的熔深，同時其工件的熱影響區(qū)較窄。為了確保焊接質(zhì)量，在施焊過程中應(yīng)當(dāng)注意盡量減少焊接的層數(shù)。

通過對TA2 鈦板氣保焊焊接工藝進行反復(fù)試驗，該文總結(jié)出一套TA2 鈦板PMC 氣保焊的焊接工藝方法，并對其焊后試板進行機械性能測試，測試結(jié)果均能滿足質(zhì)量要求，其焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 TA2 PMC 氣保焊焊接工藝參數(shù)

PMC 模式下的焊接工藝能通過精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和優(yōu)化脈沖特性增加焊接過程的穩(wěn)定性，且能在極大程度上提高生產(chǎn)效率（PMC 氣保焊的焊接效率是氬弧焊的6～10 倍），降低生產(chǎn)制造成本（其焊接成本是氬弧焊的40%左右）。焊接時在熔池的正上方增設(shè)保護罩，還能夠有效減少焊接過程中的飛濺。多次實踐證明，在保護氣體氬氣中添加一定比例的氦氣也能夠有效減少焊接飛濺。

3 TA2鈦板PMC 氣保焊焊后分析

采用Fronius 多功能脈沖焊機的PMC 模式對TA2 鈦板按照表1 所示的焊接工藝參數(shù)進行施焊，并對其焊后試板進行理論分析。

焊后試板的焊接接頭如圖2 所示，并未發(fā)現(xiàn)咬邊、氣孔、夾渣等缺陷，也未見裂紋，且焊接飛濺較少，焊接接頭為銀白色，并未被氧化，能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13149—2009《鈦及鈦合金復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定，滿足外觀質(zhì)量要求。

圖2 TA2 鈦板焊接接頭

在焊后試板上按照國家能源局推薦性標(biāo)準(zhǔn)NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中的要求分別進行取樣，如圖3 所示，并做好標(biāo)記。

圖3 TA2 焊后試板的取樣位置圖

將拉伸試樣區(qū)域的試板按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》，并按如圖4 所示的尺寸標(biāo)注，制備出拉伸試樣，再采用WDW300E 電子萬能拉力試驗機對拉伸試樣進行室溫拉伸試驗測試。所有拉伸試樣均斷裂于母材，且具有明顯的縮頸現(xiàn)象，如圖5 所示，這種斷裂方式屬于韌性斷裂。試樣發(fā)生了明顯的宏觀塑性變形，說明焊后試板的韌性較好，焊后試板不會出現(xiàn)因突然失效而斷裂的現(xiàn)象。在拉伸試驗中測得該試板的平均抗拉強度Rm為483 MPa，斷后伸長率A 的平均值為28%，滿足室溫機械性能要求。

圖4 TA2 鈦板焊后拉伸試樣示意圖

圖5 焊后試板的拉伸試樣

因焊后試板的機械性能能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3621-2007《鈦及鈦合金板材》中規(guī)定的TA2 鈦板在室溫下的機械性能要求（抗拉強度Rm≥400 MPa，斷后伸長率A，不小于25%），由于試樣斷裂于母材，且焊接接頭滿足外觀質(zhì)量要求，說明采用該PMC 氣保焊焊接工藝參數(shù)焊接TA2 鈦板的焊接質(zhì)量較高，其焊接接頭并未出現(xiàn)因脆化而導(dǎo)致的塑性和韌性降低的現(xiàn)象。

在焊后試板的彎曲試樣區(qū)域按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》中的要求分別制備面彎試樣和背彎試樣，并做好標(biāo)記，彎曲試樣的尺寸規(guī)格均為240 mm×38 mm×10 mm。再采用WE-600B 萬能材料試驗機分別對面彎試樣和背彎試樣進行180°彎曲試驗。面彎試樣如圖6 所示，背彎試樣如圖7 所示，所有彎曲試樣的焊縫外表面均無可見裂紋，焊縫成形質(zhì)量好。

圖6 焊后試板彎曲試樣（面彎）

圖7 焊后試板彎曲試樣（背彎）

對焊后試板的母材、熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》中的規(guī)定進行布氏硬度測試，其硬度值均能夠滿足質(zhì)量要求，如圖8 所示。靠近母材的熱影響區(qū)的硬度比靠近焊縫區(qū)的熱影響區(qū)的硬度高，而且焊縫區(qū)的硬度未出現(xiàn)較為明顯的變化。結(jié)合焊接接頭的外觀質(zhì)量和焊后試板的機械性能分析，焊后試板的焊接質(zhì)量均能夠滿足質(zhì)量要求。說明采用該PMC 氣保焊焊接工藝參數(shù)焊接TA2 鈦板能夠有效控制焊接接頭的結(jié)晶形態(tài)，進而控制焊接接頭的機械性能，能夠保證焊后試板的焊接質(zhì)量。

圖8 焊后試板的硬度曲線（HB）

4 結(jié)論

該文首次提出TA2 鈦板的PMC 氣保焊焊接工藝，該焊接工藝成功地解決了TA2 鈦板氣保焊的技術(shù)難題。以氣保焊代替氬弧焊，對鈦及鈦合金的高效焊接方式具有顛覆性的工藝提升。

PMC 氣保焊焊接工藝能夠在極大程度上提高生產(chǎn)效率，縮短鈦及鈦合金的焊接周期，降低制造成本，節(jié)約能源，且能夠保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，可面向不同厚度的板材，適用于全位置焊接。

采用PMC 氣保焊焊接TA2 鈦板（工藝參數(shù)：電流200 A～210 A，電壓21 V～22 V，送絲速度9 m/min～11 m/min，焊接速度25 cm/min），能夠有效控制焊接飛濺，焊縫成形質(zhì)量好，無明顯咬邊現(xiàn)象，且機械性能均能達(dá)到質(zhì)量要求。