焊接工艺参数对焊缝成形的影响及其机理

1、TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究（一）焊接工艺参数对焊缝成形的影响及其机理王纯西安交通大学 摘要 本论文针对1.5和3.0的TC4钛板手工直流A-TIG焊，分析了各种焊接工艺参数对焊缝成形的影响及其规律及活性焊剂对焊缝成形的影响机理。关键词：钛合金；活性焊剂；氩弧焊；焊缝成形钛在地壳中的含量约为0.64%，在金属元素中仅次于铝、铁和镁，居第四位1，为铜的60倍，钼的600倍。钛合金具有很多优良性能：钛的比重为4.5mg/m3，仅为普通结构钢的57%；钛合金的强度可与高强度钢媲美；具有很好的耐热和耐低温性能，能在550高温下和零下250低温下长期工作而保持性能不变；具有很好的抗腐蚀能力，

2、把钛合金放在海水中泡上几年，仍能保持光亮。此外，钛的导热系数小、无磁性，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等。正是因为这些优点，钛金属被称为“太空”金属、“海洋”金属以及21世纪最有发展前景，继钢铁、铝之后的第三金属2。TC4不仅具有良好的室温、高温、低温力学性能，且在多种介质中具有优异的耐蚀性，既可以焊接、冷热成型，也可以热处理强化，所以在钛合金中应用最广泛，在美国约占钛市场的56%，在中国和日本约占钛合金产量的一半。钛合金作为一种广泛应用的结构材料，要解决的关键工艺技术问题就是连接问题，焊接无疑是首选的一种先进连接方法。钛合金的压制、轧制和模压品等零部件的制造都离不开焊接，铸件缺

3、陷的修补也离不开焊接。目前国内在钛产品焊接过程中使用最普遍的是TIG焊，包括手工、自动或半自动，国内钛设备制造过程中几乎95%以上的焊接工作是采用手工TIG焊完成的3。为了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，扩大TIG焊的应用范围，特别是在厚板焊接的应用，国内外的焊接工作者进行了大量关于增加TIG焊熔深方面的研究。近年来，一种新型高效的焊接方法活性焊剂钨极氩弧焊(Activating Flux TIG，简称A-TIG)越来越引起世界范围内人们的关注。A-TIG焊就是预先在工件表面均匀地涂上一层很薄的细粒状的活性化焊剂，然后进行TIG焊的方法4。它能在保证焊缝质量的基础上，使焊接熔深显著增加，从而

4、大大提高焊接生产效率，降低生产成本。产品升级换代和结构调整方面潜力巨大，而焊接技术和工艺是钛合金材料进一步推广应用必须解决的关键问题之一。A-TIG焊技术操作简便，设备简单，价格便宜，适于大规模和常规应用，因此研究钛合金A-TIG焊技术对改变我国钛业的应用现状有着十分现实的实践意义。本研究立足西飞公司的现状，使用A-TIG焊技术，解决飞机制造中经常使用的钛合金TC4薄板(1.54.0)的焊缝成形问题，并确定钛合金TC4的薄板构件A-TIG焊接参数，为其它钛合金材料A-TIG焊接技术奠定基础。本研究对钛合金TIG焊和A-TIG焊的焊接工艺过程、焊缝成形特点及其形成机理等进行探讨，旨在为推进A-T

5、IG焊工艺在钛合金结构件上的应用提供理论和实践依据。1 焊接试验待焊材料为1.5和3.0的TC4钛板。TC4焊丝直径分别为1.6mm和2.0mm。本实验采用手工直流TIG焊和A - TIG焊进行对比试验，接头形式采用常规平板对接，不开坡口，1.5和3.0钛板的预留试样间隙分别为0.2mm和0.5mm，填加焊丝，单道焊。焊前，对两种焊接方法的待焊试样均进行相同的处理措施。在保证焊透的前提下，对焊接规范进行摸索，并最终确立两种焊接方法的焊接规范。在同一焊接工艺参数下，对不涂活性焊剂和涂有活性焊剂的对接试件施焊。试验用焊接工艺参数见表1。表1 钛合金TC4的 TIG、A-TIG焊焊接工艺参数母材厚度

6、 /mm焊接速度v /mm·min-1焊接电流I /A焊接电压U /V氩气流量Q/L·min-1Q正Q反Q拖1.510021050907101012346123.011050012020010141215461318焊接时，观察比较焊接过程中电弧的变化及焊接电压的情况，焊完后观察试件表面焊缝成形情况，以确定普通TIG焊和涂活性焊剂的A-TIG焊的焊缝表面及焊缝成形情况。为了开发出成熟的A-TIG焊工艺，研究焊接电流、焊接速度等工艺参数对A-TIG焊焊缝形状的影响规律，试验时，每次只变动表1中一个焊接参数，其它参数保持不变。2 试验结果与讨论焊缝的形状和尺寸通常用焊缝熔深H，

7、焊缝熔宽B和余高a来表示(见图1)。图1 焊缝形状尺寸图实际生产中所希望得到的焊缝是熔宽B小、熔深H大。熔宽和熔深受多种因素的影响，其中焊接工艺参数的影响最大。通过研究焊接电流、焊接速度及是否涂有活性焊剂等焊接工艺，在表1的焊接工艺参数下，每次只改变一个参数，其它参数保持不变，得到1.5 TC4钛板的焊缝熔深和熔宽值，分析、探讨焊接工艺与焊缝熔深和熔宽的关系，寻求获得满意焊缝尺寸的焊接工艺。2.1 焊接电流的影响在45A80A之间改变焊接电流，其它参数保持不变，分别得到TIG焊和A-TIG焊的焊缝熔深和熔宽值(表2)，依此绘制出熔深和熔宽随焊接电流变化的曲线图(图2与图3)。表2 焊接电流对熔

8、深熔宽的影响电流I/A熔深/mm熔宽/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图2 熔深随焊接电流变化曲线图图3 熔宽随焊接电流变化曲线图从表2图2、3中可以看出，A-TIG焊焊缝熔深与熔宽随电流的变化规律同TIG焊的一样，都是随电流的增大而增大。随着电流的增大，A-TIG焊的焊缝熔深比TIG焊的增大得快，而焊

9、缝熔宽比TIG焊的增大得慢。这说明，焊接电流对焊缝熔深的影响，A-TIG焊大于TIG焊；而对焊缝熔宽的影响，A-TIG焊小于TIG焊。由此可见，与TIG焊相比， A-TIG焊采用小电流，既可满足对熔深的要求，熔宽又较小，还降低了焊接生产费用。在实验中还发现，A-TIG焊的焊接电流在4560A之间焊缝既能获得的较大熔深，又能保证良好的外观，且变形小。而TIG焊的焊接电流在6580A之间时才能获得相应的熔深。2.2 焊接速度的影响在72206mm/min之间改变焊接速度，其它参数保持不变，分别得到TIG焊和A-TIG焊的焊缝熔深和熔宽值(表3)，并依此绘制出熔深和熔宽随焊接速度变化的曲线图(图4与

10、图5)。从表3和图4、5中可以看出，A-TIG焊焊缝熔深与熔宽随焊接速度的变化规律同TIG焊的一样，都是随着速度的增大而减小。随着速度的增大，A-TIG焊的焊缝熔深比TIG焊的减小得快，而A-TIG焊的焊缝熔宽比TIG焊的减小得慢。这说明，焊接速度对焊缝熔深的影响，A-TIG焊比TIG焊要大；而对焊缝熔宽的影响，A-TIG焊比TIG焊要小。由此可见，与TIG焊相比， A-TIG焊采用高速度，既可满足对熔深的要求，熔宽又较小，还提高了生产效率。当焊接速度在72187mm/min之间时，A-T1G焊焊缝熔宽随焊接速度的增加而减小，但当焊接速度达到206mm/min时，熔宽却又增加，这是由于焊接速度

11、达到206mm/min时焊接电弧不稳定造成的。因为活性剂的成分是卤化物，本身不导电，而阳极斑点具有自动寻找纯金属表面而躲避卤化物的特性。当焊接速度过快时，活性剂涂层来不及充分蒸发，焊接电弧有向后漂移寻找熔池金属的倾向(如图6所示)，焊接电弧变得不稳定，焊缝熔宽变大。但过慢的焊接速度对A-TIG焊焊缝熔深也是不利的。这是因为当焊接电流与焊接电压一定时，过慢的焊接速度使活性剂涂层过早地消耗掉，起不到收缩电弧的作用，也显示不出A-TIG焊效率高的优势。而且，焊接速度过慢会使工件焊接变形严重，不能满足生产使用性能。在实验中发现，TIG焊焊接速度在130210mm/min之间时，焊接电弧稳定，焊缝表面成

12、形好。A-TIG焊的焊接速度在99165mm/min之间时焊接电弧稳定，而当焊接速度达到200mm/min时，电弧变得十分不稳定，有拖尾现象，焊接效果难以接受，必须加大焊接电流或电压，以加快活性剂涂层的蒸发。表3 焊接速度对熔深熔宽的影响速度v/mm·min-1熔深/mm熔宽/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 图4 熔深随焊接速度变化曲线图图5 熔

13、宽随焊接速度变化曲线图图6 焊接速度对电弧的影响2.3 活性焊剂的影响本试验所用FT-01、FT-02活性焊剂主要由卤化物组成，是针对不同厚度(<3mm和36mm)的钛板A-TIG焊用的。焊剂呈乳白色粉末状，密封保存。焊接前将焊剂在干净的加热箱中烘干，烘干温度为150200，保温时间24小时，取出后与有机溶剂按11.2:1的比例混合均匀，用刷子均匀刷涂或用专用喷枪喷涂至待焊试样表面约1015 mm宽的区域上，待有机溶剂完全挥发后即可焊接。焊接过程示意见图7。从焊缝外观形貌(图8)、焊缝横截面金相照片(图9)和焊接电流、焊接速度对焊缝成形影响的试验数据中均可看出，在相同的焊接工艺条件下，A

14、-TIG焊的焊缝熔宽比TIG焊的窄，熔深比TIG焊的大。说明活性焊剂使焊接电弧产生了明显的收缩。对钛合金A-TIG焊的金相形貌进一步分析可以看出，其焊缝横截面形貌(图10)均呈杯状，存在单面焊双面成形的特征。这与TIG焊两面焊接时的焊缝特征一致，与等离子弧焊的焊缝特征也有类似的地方。但A-TIG焊缝宽度要小于TIG焊，而深度则明显大于TIG焊，同时可以看出，TIG焊的背面焊缝突起要远低于A-TIG焊，由此表明，A-TIG焊焊接过程中出现了电弧穿孔现象。可以确定，活性焊剂对钛合金焊缝成形的影响较明显。从表2、3可看出，无论在多大的焊接电流和焊接速度下，A-TIG焊的熔深始终比TIG焊的大，熔宽始

15、终比TIG焊的小。与TIG焊相比， A-TIG焊采用小电流和较高焊速，既可满足对熔深的要求，熔宽又较小。这说明，采用A-TIG焊可降低焊接生产费用并能提高焊接效率。图7 A - TIG焊接示意图图8 焊缝外观形貌图9 焊缝横截面金相对比图10 A - TIG焊焊缝横截面轮廓示意图对3.0的TC4钛板进行同样的试验，结果更明显。在焊接电流105135A、焊接速度83200mm/min的情况下，A-TIG焊均焊透，熔宽为6.18.5mm；而TIG焊均未焊透，熔宽已达13mm。若将焊接电流加大到180250A，其熔宽竟达1518mm，即使将焊接速度升至500mm/min，其熔宽减少很少，效果均令人难

16、以接受。2.4 活性焊剂对焊缝成形的影响机理活性焊剂使焊缝熔深增加熔宽减小的原因主要有以下几个方面：2.4.1 电弧收缩效应 在试验过程中可观察到A-TIG焊有焊接电弧收缩现象(图11)。a) TIG焊 b) A-TIG焊图11 焊接电弧照片活性焊剂在焊接电弧中发生熔化蒸发解离电离复合等物理变化过程。焊接时在电弧的高温作用下，活性焊剂熔化后蒸发，其分子进入焊接电弧。在电弧中心，当电弧的温度高于其解离温度时，活性焊剂会发生解离。其解离过程是一个吸热的过程。根据电压最小原理，电弧具有保持最小能量消耗的特性，当电弧被周围介质强迫冷却时，将自动收缩，使电流密度增加，电弧的电场强度提高，温度升高，从而减

17、少热量损耗，使得电弧能量趋于平衡。而活性焊剂的解离吸热过程就是对电弧的强迫冷却过程，从而使电弧自动收缩。而在温度较低的电弧弧柱边缘区域，蒸发的活性焊剂仍以分子或解离的原子形式存在，运动速度较慢，容易俘获电子成为负电性粒子(负离子)，其与电子的复合过程会使电弧中作为主要载流的电子数减少，从而使电弧弧柱直径缩小，导致电弧收缩。在大多数情况下阳极的作用只是被动接受电子，阳极不能发射正离子。由于金属蒸汽的电离能大大低于一般气体的电离能，一旦阳极表面某处有熔化和蒸发现象产生时，在有金属蒸汽存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流更容易从这里进入阳极，阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。而

18、由于活性焊剂使电弧收缩，从而使阳极斑点区的面积减小，引起阳极斑点收缩(如图12所示)。 图12 A - TIG焊电弧形态电弧收缩的程度与活性焊剂解离过程中吸收热量的多少和复合过程发生的难易程度有关。活性焊剂的解离能越大，其解离过程中吸收热量的能力就越大，电弧收缩的程度就越大；复合过程发生的难易程度主要与元素的电子亲合能有关，活性焊剂粒子与电子的亲合能越大，就越容易与电子复合，电弧收缩的程度就越大。而卤素元素具有高的电子亲和能，又有较高的解离能，可以有效地收缩电弧。电弧和熔池内的Lorentz力、电弧压力和电弧输入能量的增大，都会使焊接熔深增加。而电弧和熔池内的金属流体作为一种磁流体，其内部的洛

19、伦兹(Lorentz)力表示为F=J×B (1)式中：F为洛伦兹(Lorentz)力，J为电流密度，B为磁场强度。从公式1可以看出，电弧收缩所导致的电流密度J的增大，使得电弧和熔池内的洛伦兹(Lorentz)力F增大。 可以使用理想气体状态方程表示电弧等离子体P1·V1/T1=P2·V2/T2 (2)式中：P为电弧压力，V为等离子体的体积，T为弧柱温度。可以看出，与TIG焊焊接电弧相比，由于A-TIG电弧体积V的减小和焊接电弧温度T的增高，会使其电弧压力P大大增加。此外，电弧收缩还使导电通道变窄，电弧导电通道电阻增加，焊接电压升高。根据电弧的输入能量表达式q=UI

20、/v (3)式中：q为电弧输入能量，U为焊接电压，I为焊接电流，v为焊接速度。可以看出，电弧收缩使焊接电压U升高，从而使电弧输入能量q增大，最终导致焊接熔深增加。综上所述，电弧收缩导致电弧和熔池内的Lorentz力、电弧压力和电弧输入能量均增大，从而使焊接熔深增加。2.4.2 液态熔池表面张力效应熔池熔融金属的流动方式对熔池的形成有着重要影响，而熔池金属流动方式主要由表面张力梯度决定。表面张力梯度是由液体表面温度梯度的存在而决定的。熔池中心温度高，而周围温度低，这样熔池表面具有温度梯度。熔池中熔融金属的流动可能导致磁性流体动力或是表面张力驱动液体流动(也就是Marangoni传导)，或是这两种

21、过程的结合。在大多数TIG焊接中，Marangoni传导一般是主要驱动力。图13 熔池表面张力驱动液态金属流动模型示意图5表面张力驱动液体流动的基础是熔池表面熔融金属从表面张力小的区域流向表面张力大的区域，并且熔融金属从熔池底部向上流动以保持持续性。如果表面张力的温度系数是负的(表面张力随温度的增加而减小)，那么表面张力在熔池边缘较大，而在电弧正下方靠近熔池中心的区域较小。这种表面张力梯度分布使液态金属由中心向周边流动，这类液体流动模式可有效地使热量从熔池中心向周边传递，主要是水平方向传输热量，从而获得宽而浅的焊接熔池(图13 a)；如果表面张力的温度系数是正的(表面张力随温度的增加而增加)，

22、那么熔池中心区域由于温度较高而具有较大的表面张力，液体金属会迅速在表面从周边向中心进而向下部流动，这种液体流动模式可有效地使热量传递至熔池底部，主要是垂直方向传输热量，从而获得深而窄的焊接熔池(图13 b)。如果熔池中的液体流动快速向外(图13a)，熔池中最热的金属将会快速地由中心向边缘传递，熔池中金属的蒸发发生在相对宽的熔池表面，则阳极斑点区的面积和电弧宽度较大；如果表面液体流动是向里的(图13b)，熔池边缘的金属温度会更低些，金属的蒸发更倾向于发生在熔池中心，则阳极斑点区的面积和电弧宽度较小。一般的纯金属和许多合金在无活性焊剂焊接熔化时，表面张力梯度为负(图13a)，从而获得宽而浅的焊接熔

23、池，且电弧宽度较大；当熔池中存在某种微量元素或接触到活性气氛时，在这种微量元素或活性气氛的作用下，熔池中液态金属的表面张力数值降低并使表面张力梯度由负的温度系数变为正的温度系数(图13b)，改变了熔池金属的流动方向，从而形成窄而深的熔池且电弧宽度较小。2.4.3 活性焊剂物理特性的影响加入活性焊剂后，电弧发生收缩及表面张力流动方向发生改变，都是因为表面活性元素造成的。表面活性元素是在液体金属中优先偏聚于表面的元素，通过其在焊接电弧中的解离吸热、与电子复合及改变熔池表面张力梯度，从而增强熔深减少熔宽。在填充金属中加入或母材中含有一种或多种这些元素(掺杂剂)，可使TIG焊时母材熔化区发生变化615

24、，从而说明表面活性元素对熔池产生影响。通过试验观察发现，当金属表面覆盖熔点和沸点皆高于纯金属的活性焊剂时，阳极斑点有自动寻找纯金属表面而避开活性焊剂的倾向。TIG焊焊接钛合金时，为了防止钨极的烧损，一般采用正接，即工件接阳极。在工件表面涂覆活性焊剂进行焊接时，焊接电弧中心的温度较高，其正下方涂覆在工件上的活性焊剂最先被蒸发，焊接电弧便在活性焊剂先蒸发的地方形成阳极斑点；在温度较低的电弧弧柱边缘区域，其正下方涂覆在工件上的活性焊剂未被蒸发，阳极斑点自动寻找纯金属表面而避开活性焊剂，则阳极斑点集中在中心，从而使焊接熔深增加熔宽减小。通过试验还发现，活性焊剂收缩电弧的效果还与其粘度(指的是活性焊剂经

25、电弧加热成渣后对工件的附着性能)有关。焊接过程中，活性焊剂要受到电弧力与保护气体的作用易脱离工件表面，活性焊剂涂层越厚时这种现象越明显。活性焊剂的粘度好，对工件的保护作用就强，阳极斑点的面积就小，焊缝熔深就大，熔宽就小。3 结 论通过对1.5和3.0的TC4钛板手工直流TIG焊和A-TIG焊工艺实验的研究，探讨了焊接工艺参数对焊缝成形、焊缝外观质量的影响规律，从而确定出合理的钛合金TC4薄板构件A-TIG焊焊接工艺参数；并对活性焊剂对焊缝成形的影响机理进行了分析和讨论。通过以上的研究，得出如下结论：1) 对于TC4钛合金的TIG焊与A-TIG焊，焊接电流和速度对熔深熔宽的影响趋势相同；在相同的

26、焊接工艺条件下，与TIG焊相比，A-TIG焊的熔深大，熔宽小，宜采用小电流、较高焊速。分析认为，其主要原因是活性焊剂引起的电弧收缩效应和液态熔池表面张力效应。2) 不同厚度钛板A-TIG焊的焊缝形貌均呈单面焊双面成形的杯状特征。由于活性焊剂的作用，使得电弧深入金属内部并穿孔。3) 分析认为，活性焊剂中的表面活性元素造成电弧收缩和熔池内金属流动方向改变，且阳极斑点因自动寻找纯金属表面避开活性焊剂而集中，从而使焊接熔深增加熔宽减小；活性焊剂的粘度好，焊缝熔深就深，熔宽就小。参考文献1 周廉美国、日本和中国钛工业发展评述稀有金属材料与工程，2003，32 (8)：5772 黄晓艳，刘波，李雪钛合金在

27、军事上的应用轻金属，2005，(9)：51-523 康浩方国内外钛设备的焊接技术钛工业进展，2003， (4-5)：70-734 李志远，钱乙余，张九海等先进连接方法北京：机械工业出版社，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