1、TC4鈦合金的活性焊劑鎢極氬弧焊工藝研究（一）焊接工藝參數對焊縫成形的影響及其機理王純西安交通大學 摘要 本論文針對1.5和3.0的TC4鈦板手工直流A-TIG焊，分析了各種焊接工藝參數對焊縫成形的影響及其規律及活性焊劑對焊縫成形的影響機理。關鍵詞：鈦合金；活性焊劑；氬弧焊；焊縫成形鈦在地殼中的含量約為0.64%，在金屬元素中僅次于鋁、鐵和鎂，居第四位1，為銅的60倍，鉬的600倍。鈦合金具有很多優良性能：鈦的比重為4.5mg/m3，僅為普通結構鋼的57%；鈦合金的強度可與高強度鋼媲美；具有很好的耐熱和耐低溫性能，能在550高溫下和零下250低溫下長期工作而保持性能不變；具有很好的抗腐蝕能力，

2、把鈦合金放在海水中泡上幾年，仍能保持光亮。此外，鈦的導熱系數小、無磁性，某些鈦合金還具有超導性能、記憶性能和貯氫性能等。正是因為這些優點，鈦金屬被稱為“太空”金屬、“海洋”金屬以及21世紀最有發展前景，繼鋼鐵、鋁之后的第三金屬2。TC4不僅具有良好的室溫、高溫、低溫力學性能，且在多種介質中具有優異的耐蝕性，既可以焊接、冷熱成型，也可以熱處理強化，所以在鈦合金中應用最廣泛，在美國約占鈦市場的56%，在中國和日本約占鈦合金產量的一半。鈦合金作為一種廣泛應用的結構材料，要解決的關鍵工藝技術問題就是連接問題，焊接無疑是首選的一種先進連接方法。鈦合金的壓制、軋制和模壓品等零部件的制造都離不開焊接，鑄件缺

3、陷的修補也離不開焊接。目前國內在鈦產品焊接過程中使用最普遍的是TIG焊，包括手工、自動或半自動，國內鈦設備制造過程中幾乎95%以上的焊接工作是采用手工TIG焊完成的3。為了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，擴大TIG焊的應用范圍，特別是在厚板焊接的應用，國內外的焊接工作者進行了大量關于增加TIG焊熔深方面的研究。近年來，一種新型高效的焊接方法活性焊劑鎢極氬弧焊(Activating Flux TIG，簡稱A-TIG)越來越引起世界范圍內人們的關注。A-TIG焊就是預先在工件表面均勻地涂上一層很薄的細粒狀的活性化焊劑，然后進行TIG焊的方法4。它能在保證焊縫質量的基礎上，使焊接熔深顯著增加，從而

4、大大提高焊接生產效率，降低生產成本。產品升級換代和結構調整方面潛力巨大，而焊接技術和工藝是鈦合金材料進一步推廣應用必須解決的關鍵問題之一。A-TIG焊技術操作簡便，設備簡單，價格便宜，適于大規模和常規應用，因此研究鈦合金A-TIG焊技術對改變我國鈦業的應用現狀有著十分現實的實踐意義。本研究立足西飛公司的現狀，使用A-TIG焊技術，解決飛機制造中經常使用的鈦合金TC4薄板(1.54.0)的焊縫成形問題，并確定鈦合金TC4的薄板構件A-TIG焊接參數，為其它鈦合金材料A-TIG焊接技術奠定基礎。本研究對鈦合金TIG焊和A-TIG焊的焊接工藝過程、焊縫成形特點及其形成機理等進行探討，旨在為推進A-T

5、IG焊工藝在鈦合金結構件上的應用提供理論和實踐依據。1 焊接試驗待焊材料為1.5和3.0的TC4鈦板。TC4焊絲直徑分別為1.6mm和2.0mm。本實驗采用手工直流TIG焊和A - TIG焊進行對比試驗，接頭形式采用常規平板對接，不開坡口，1.5和3.0鈦板的預留試樣間隙分別為0.2mm和0.5mm，填加焊絲，單道焊。焊前，對兩種焊接方法的待焊試樣均進行相同的處理措施。在保證焊透的前提下，對焊接規范進行摸索，并最終確立兩種焊接方法的焊接規范。在同一焊接工藝參數下，對不涂活性焊劑和涂有活性焊劑的對接試件施焊。試驗用焊接工藝參數見表1。表1 鈦合金TC4的 TIG、A-TIG焊焊接工藝參數母材厚度

6、 /mm焊接速度v /mm·min-1焊接電流I /A焊接電壓U /V氬氣流量Q/L·min-1Q正Q反Q拖1.510021050907101012346123.011050012020010141215461318焊接時，觀察比較焊接過程中電弧的變化及焊接電壓的情況，焊完后觀察試件表面焊縫成形情況，以確定普通TIG焊和涂活性焊劑的A-TIG焊的焊縫表面及焊縫成形情況。為了開發出成熟的A-TIG焊工藝，研究焊接電流、焊接速度等工藝參數對A-TIG焊焊縫形狀的影響規律，試驗時，每次只變動表1中一個焊接參數，其它參數保持不變。2 試驗結果與討論焊縫的形狀和尺寸通常用焊縫熔深H，

7、焊縫熔寬B和余高a來表示(見圖1)。圖1 焊縫形狀尺寸圖實際生產中所希望得到的焊縫是熔寬B小、熔深H大。熔寬和熔深受多種因素的影響，其中焊接工藝參數的影響最大。通過研究焊接電流、焊接速度及是否涂有活性焊劑等焊接工藝，在表1的焊接工藝參數下，每次只改變一個參數，其它參數保持不變，得到1.5 TC4鈦板的焊縫熔深和熔寬值，分析、探討焊接工藝與焊縫熔深和熔寬的關系，尋求獲得滿意焊縫尺寸的焊接工藝。2.1 焊接電流的影響在45A80A之間改變焊接電流，其它參數保持不變，分別得到TIG焊和A-TIG焊的焊縫熔深和熔寬值(表2)，依此繪制出熔深和熔寬隨焊接電流變化的曲線圖(圖2與圖3)。表2 焊接電流對熔

8、深熔寬的影響電流I/A熔深/mm熔寬/mmHo(TIG焊)H(A-TIG焊)Bo(TIG焊)B(A-TIG焊)452.402.555.04.5502.432.556.05.0552.502.586.55.5602.552.746.96.0652.552.757.26.3702.582.807.56.6752.602.857.76.8802.622.858.07.0圖2 熔深隨焊接電流變化曲線圖圖3 熔寬隨焊接電流變化曲線圖從表2圖2、3中可以看出，A-TIG焊焊縫熔深與熔寬隨電流的變化規律同TIG焊的一樣，都是隨電流的增大而增大。隨著電流的增大，A-TIG焊的焊縫熔深比TIG焊的增大得快，而焊

9、縫熔寬比TIG焊的增大得慢。這說明，焊接電流對焊縫熔深的影響，A-TIG焊大于TIG焊；而對焊縫熔寬的影響，A-TIG焊小于TIG焊。由此可見，與TIG焊相比， A-TIG焊采用小電流，既可滿足對熔深的要求，熔寬又較小，還降低了焊接生產費用。在實驗中還發現，A-TIG焊的焊接電流在4560A之間焊縫既能獲得的較大熔深，又能保證良好的外觀，且變形小。而TIG焊的焊接電流在6580A之間時才能獲得相應的熔深。2.2 焊接速度的影響在72206mm/min之間改變焊接速度，其它參數保持不變，分別得到TIG焊和A-TIG焊的焊縫熔深和熔寬值(表3)，并依此繪制出熔深和熔寬隨焊接速度變化的曲線圖(圖4與

10、圖5)。從表3和圖4、5中可以看出，A-TIG焊焊縫熔深與熔寬隨焊接速度的變化規律同TIG焊的一樣，都是隨著速度的增大而減小。隨著速度的增大，A-TIG焊的焊縫熔深比TIG焊的減小得快，而A-TIG焊的焊縫熔寬比TIG焊的減小得慢。這說明，焊接速度對焊縫熔深的影響，A-TIG焊比TIG焊要大；而對焊縫熔寬的影響，A-TIG焊比TIG焊要小。由此可見，與TIG焊相比， A-TIG焊采用高速度，既可滿足對熔深的要求，熔寬又較小，還提高了生產效率。當焊接速度在72187mm/min之間時，A-T1G焊焊縫熔寬隨焊接速度的增加而減小，但當焊接速度達到206mm/min時，熔寬卻又增加，這是由于焊接速度

11、達到206mm/min時焊接電弧不穩定造成的。因為活性劑的成分是鹵化物，本身不導電，而陽極斑點具有自動尋找純金屬表面而躲避鹵化物的特性。當焊接速度過快時，活性劑涂層來不及充分蒸發，焊接電弧有向后漂移尋找熔池金屬的傾向(如圖6所示)，焊接電弧變得不穩定，焊縫熔寬變大。但過慢的焊接速度對A-TIG焊焊縫熔深也是不利的。這是因為當焊接電流與焊接電壓一定時，過慢的焊接速度使活性劑涂層過早地消耗掉，起不到收縮電弧的作用，也顯示不出A-TIG焊效率高的優勢。而且，焊接速度過慢會使工件焊接變形嚴重，不能滿足生產使用性能。在實驗中發現，TIG焊焊接速度在130210mm/min之間時，焊接電弧穩定，焊縫表面成

12、形好。A-TIG焊的焊接速度在99165mm/min之間時焊接電弧穩定，而當焊接速度達到200mm/min時，電弧變得十分不穩定，有拖尾現象，焊接效果難以接受，必須加大焊接電流或電壓，以加快活性劑涂層的蒸發。表3 焊接速度對熔深熔寬的影響速度v/mm·min-1熔深/mm熔寬/mmHo(TIG焊)H(A-TIG焊)Bo(TIG焊)B(A-TIG焊)722.552.748.56.3992.532.708.06.01162.492.577.65.81562.392.477.05.31872.252.336.54.92062.222.286.05.0 圖4 熔深隨焊接速度變化曲線圖圖5 熔

13、寬隨焊接速度變化曲線圖圖6 焊接速度對電弧的影響2.3 活性焊劑的影響本試驗所用FT-01、FT-02活性焊劑主要由鹵化物組成，是針對不同厚度(<3mm和36mm)的鈦板A-TIG焊用的。焊劑呈乳白色粉末狀，密封保存。焊接前將焊劑在干凈的加熱箱中烘干，烘干溫度為150200，保溫時間24小時，取出后與有機溶劑按11.2:1的比例混合均勻，用刷子均勻刷涂或用專用噴槍噴涂至待焊試樣表面約1015 mm寬的區域上，待有機溶劑完全揮發后即可焊接。焊接過程示意見圖7。從焊縫外觀形貌(圖8)、焊縫橫截面金相照片(圖9)和焊接電流、焊接速度對焊縫成形影響的試驗數據中均可看出，在相同的焊接工藝條件下，A

14、-TIG焊的焊縫熔寬比TIG焊的窄，熔深比TIG焊的大。說明活性焊劑使焊接電弧產生了明顯的收縮。對鈦合金A-TIG焊的金相形貌進一步分析可以看出，其焊縫橫截面形貌(圖10)均呈杯狀，存在單面焊雙面成形的特征。這與TIG焊兩面焊接時的焊縫特征一致，與等離子弧焊的焊縫特征也有類似的地方。但A-TIG焊縫寬度要小于TIG焊，而深度則明顯大于TIG焊，同時可以看出，TIG焊的背面焊縫突起要遠低于A-TIG焊，由此表明，A-TIG焊焊接過程中出現了電弧穿孔現象?？梢源_定，活性焊劑對鈦合金焊縫成形的影響較明顯。從表2、3可看出，無論在多大的焊接電流和焊接速度下，A-TIG焊的熔深始終比TIG焊的大，熔寬始

15、終比TIG焊的小。與TIG焊相比， A-TIG焊采用小電流和較高焊速，既可滿足對熔深的要求，熔寬又較小。這說明，采用A-TIG焊可降低焊接生產費用并能提高焊接效率。圖7 A - TIG焊接示意圖圖8 焊縫外觀形貌圖9 焊縫橫截面金相對比圖10 A - TIG焊焊縫橫截面輪廓示意圖對3.0的TC4鈦板進行同樣的試驗，結果更明顯。在焊接電流105135A、焊接速度83200mm/min的情況下，A-TIG焊均焊透，熔寬為6.18.5mm；而TIG焊均未焊透，熔寬已達13mm。若將焊接電流加大到180250A，其熔寬竟達1518mm，即使將焊接速度升至500mm/min，其熔寬減少很少，效果均令人難

16、以接受。2.4 活性焊劑對焊縫成形的影響機理活性焊劑使焊縫熔深增加熔寬減小的原因主要有以下幾個方面：2.4.1 電弧收縮效應 在試驗過程中可觀察到A-TIG焊有焊接電弧收縮現象(圖11)。a) TIG焊 b) A-TIG焊圖11 焊接電弧照片活性焊劑在焊接電弧中發生熔化蒸發解離電離復合等物理變化過程。焊接時在電弧的高溫作用下，活性焊劑熔化后蒸發，其分子進入焊接電弧。在電弧中心，當電弧的溫度高于其解離溫度時，活性焊劑會發生解離。其解離過程是一個吸熱的過程。根據電壓最小原理，電弧具有保持最小能量消耗的特性，當電弧被周圍介質強迫冷卻時，將自動收縮，使電流密度增加，電弧的電場強度提高，溫度升高，從而減

17、少熱量損耗，使得電弧能量趨于平衡。而活性焊劑的解離吸熱過程就是對電弧的強迫冷卻過程，從而使電弧自動收縮。而在溫度較低的電弧弧柱邊緣區域，蒸發的活性焊劑仍以分子或解離的原子形式存在，運動速度較慢，容易俘獲電子成為負電性粒子(負離子)，其與電子的復合過程會使電弧中作為主要載流的電子數減少，從而使電弧弧柱直徑縮小，導致電弧收縮。在大多數情況下陽極的作用只是被動接受電子，陽極不能發射正離子。由于金屬蒸汽的電離能大大低于一般氣體的電離能，一旦陽極表面某處有熔化和蒸發現象產生時，在有金屬蒸汽存在的地方，更容易產生熱電離而提供正離子流，電子流更容易從這里進入陽極，陽極上的導電區將在這里集中而形成陽極斑點。而

18、由于活性焊劑使電弧收縮，從而使陽極斑點區的面積減小，引起陽極斑點收縮(如圖12所示)。 圖12 A - TIG焊電弧形態電弧收縮的程度與活性焊劑解離過程中吸收熱量的多少和復合過程發生的難易程度有關?；钚院竸┑慕怆x能越大，其解離過程中吸收熱量的能力就越大，電弧收縮的程度就越大；復合過程發生的難易程度主要與元素的電子親合能有關，活性焊劑粒子與電子的親合能越大，就越容易與電子復合，電弧收縮的程度就越大。而鹵素元素具有高的電子親和能，又有較高的解離能，可以有效地收縮電弧。電弧和熔池內的Lorentz力、電弧壓力和電弧輸入能量的增大，都會使焊接熔深增加。而電弧和熔池內的金屬流體作為一種磁流體，其內部的洛

19、倫茲(Lorentz)力表示為F=J×B (1)式中：F為洛倫茲(Lorentz)力，J為電流密度，B為磁場強度。從公式1可以看出，電弧收縮所導致的電流密度J的增大，使得電弧和熔池內的洛倫茲(Lorentz)力F增大。 可以使用理想氣體狀態方程表示電弧等離子體P1·V1/T1=P2·V2/T2 (2)式中：P為電弧壓力，V為等離子體的體積，T為弧柱溫度?？梢钥闯?，與TIG焊焊接電弧相比，由于A-TIG電弧體積V的減小和焊接電弧溫度T的增高，會使其電弧壓力P大大增加。此外，電弧收縮還使導電通道變窄，電弧導電通道電阻增加，焊接電壓升高。根據電弧的輸入能量表達式q=UI

20、/v (3)式中：q為電弧輸入能量，U為焊接電壓，I為焊接電流，v為焊接速度。可以看出，電弧收縮使焊接電壓U升高，從而使電弧輸入能量q增大，最終導致焊接熔深增加。綜上所述，電弧收縮導致電弧和熔池內的Lorentz力、電弧壓力和電弧輸入能量均增大，從而使焊接熔深增加。2.4.2 液態熔池表面張力效應熔池熔融金屬的流動方式對熔池的形成有著重要影響，而熔池金屬流動方式主要由表面張力梯度決定。表面張力梯度是由液體表面溫度梯度的存在而決定的。熔池中心溫度高，而周圍溫度低，這樣熔池表面具有溫度梯度。熔池中熔融金屬的流動可能導致磁性流體動力或是表面張力驅動液體流動(也就是Marangoni傳導)，或是這兩種

21、過程的結合。在大多數TIG焊接中，Marangoni傳導一般是主要驅動力。圖13 熔池表面張力驅動液態金屬流動模型示意圖5表面張力驅動液體流動的基礎是熔池表面熔融金屬從表面張力小的區域流向表面張力大的區域，并且熔融金屬從熔池底部向上流動以保持持續性。如果表面張力的溫度系數是負的(表面張力隨溫度的增加而減小)，那么表面張力在熔池邊緣較大，而在電弧正下方靠近熔池中心的區域較小。這種表面張力梯度分布使液態金屬由中心向周邊流動，這類液體流動模式可有效地使熱量從熔池中心向周邊傳遞，主要是水平方向傳輸熱量，從而獲得寬而淺的焊接熔池(圖13 a)；如果表面張力的溫度系數是正的(表面張力隨溫度的增加而增加)，

22、那么熔池中心區域由于溫度較高而具有較大的表面張力，液體金屬會迅速在表面從周邊向中心進而向下部流動，這種液體流動模式可有效地使熱量傳遞至熔池底部，主要是垂直方向傳輸熱量，從而獲得深而窄的焊接熔池(圖13 b)。如果熔池中的液體流動快速向外(圖13a)，熔池中最熱的金屬將會快速地由中心向邊緣傳遞，熔池中金屬的蒸發發生在相對寬的熔池表面，則陽極斑點區的面積和電弧寬度較大；如果表面液體流動是向里的(圖13b)，熔池邊緣的金屬溫度會更低些，金屬的蒸發更傾向于發生在熔池中心，則陽極斑點區的面積和電弧寬度較小。一般的純金屬和許多合金在無活性焊劑焊接熔化時，表面張力梯度為負(圖13a)，從而獲得寬而淺的焊接熔

23、池，且電弧寬度較大；當熔池中存在某種微量元素或接觸到活性氣氛時，在這種微量元素或活性氣氛的作用下，熔池中液態金屬的表面張力數值降低并使表面張力梯度由負的溫度系數變為正的溫度系數(圖13b)，改變了熔池金屬的流動方向，從而形成窄而深的熔池且電弧寬度較小。2.4.3 活性焊劑物理特性的影響加入活性焊劑后，電弧發生收縮及表面張力流動方向發生改變，都是因為表面活性元素造成的。表面活性元素是在液體金屬中優先偏聚于表面的元素，通過其在焊接電弧中的解離吸熱、與電子復合及改變熔池表面張力梯度，從而增強熔深減少熔寬。在填充金屬中加入或母材中含有一種或多種這些元素(摻雜劑)，可使TIG焊時母材熔化區發生變化615

24、，從而說明表面活性元素對熔池產生影響。通過試驗觀察發現，當金屬表面覆蓋熔點和沸點皆高于純金屬的活性焊劑時，陽極斑點有自動尋找純金屬表面而避開活性焊劑的傾向。TIG焊焊接鈦合金時，為了防止鎢極的燒損，一般采用正接，即工件接陽極。在工件表面涂覆活性焊劑進行焊接時，焊接電弧中心的溫度較高，其正下方涂覆在工件上的活性焊劑最先被蒸發，焊接電弧便在活性焊劑先蒸發的地方形成陽極斑點；在溫度較低的電弧弧柱邊緣區域，其正下方涂覆在工件上的活性焊劑未被蒸發，陽極斑點自動尋找純金屬表面而避開活性焊劑，則陽極斑點集中在中心，從而使焊接熔深增加熔寬減小。通過試驗還發現，活性焊劑收縮電弧的效果還與其粘度(指的是活性焊劑經

25、電弧加熱成渣后對工件的附著性能)有關。焊接過程中，活性焊劑要受到電弧力與保護氣體的作用易脫離工件表面，活性焊劑涂層越厚時這種現象越明顯。活性焊劑的粘度好，對工件的保護作用就強，陽極斑點的面積就小，焊縫熔深就大，熔寬就小。3 結 論通過對1.5和3.0的TC4鈦板手工直流TIG焊和A-TIG焊工藝實驗的研究，探討了焊接工藝參數對焊縫成形、焊縫外觀質量的影響規律，從而確定出合理的鈦合金TC4薄板構件A-TIG焊焊接工藝參數；并對活性焊劑對焊縫成形的影響機理進行了分析和討論。通過以上的研究，得出如下結論：1) 對于TC4鈦合金的TIG焊與A-TIG焊，焊接電流和速度對熔深熔寬的影響趨勢相同；在相同的

26、焊接工藝條件下，與TIG焊相比，A-TIG焊的熔深大，熔寬小，宜采用小電流、較高焊速。分析認為，其主要原因是活性焊劑引起的電弧收縮效應和液態熔池表面張力效應。2) 不同厚度鈦板A-TIG焊的焊縫形貌均呈單面焊雙面成形的杯狀特征。由于活性焊劑的作用，使得電弧深入金屬內部并穿孔。3) 分析認為，活性焊劑中的表面活性元素造成電弧收縮和熔池內金屬流動方向改變，且陽極斑點因自動尋找純金屬表面避開活性焊劑而集中，從而使焊接熔深增加熔寬減小；活性焊劑的粘度好，焊縫熔深就深，熔寬就小。參考文獻1 周廉美國、日本和中國鈦工業發展評述稀有金屬材料與工程，2003，32 (8)：5772 黃曉艷，劉波，李雪鈦合金在

27、軍事上的應用輕金屬，2005，(9)：51-523 康浩方國內外鈦設備的焊接技術鈦工業進展，2003， (4-5)：70-734 李志遠，錢乙余，張九海等先進連接方法北京：機械工業出版社，2000：288-2945 CRHeiple，JRRoper，RTStanger and RJAdenSurface active element effects on the shape of GTA， laser and electron beam weldsWelding Research Supplement，1983，(3): 72-776 G M Oreper，TWEagar，JSzekelyConvection in Arc Weld PoolsWelding Journal，1983，62(9): 307-3127 Takeshi KUWANA and Hiroyuki KOKAWAThe Nitrogen Absorption of Iron Weld Metal during Gas Tungsten Arc WeldingTransactions