TC4钛合金TIG焊接工艺参数优化

普遍,国内外对大量生产连接设备的需求量愈来愈高,相应的对航空航天和军工等部门的用相对较小,且无法短期内满足较高的连接工艺需求,关键零件的设计生产仍有赖于引进,很大限度影响着我国的制造业发展步伐。合金工艺技术、组织与特性三者之间的影响规律,不少研究者都已使用模糊神经网络建立起了钛合金的组织-性能模型,但由于建模的可信度还要求大规模的样本数据累积与专业人员经验知识。因此我们将采用在各种各样的工艺参数要求下手工TIG连接TC4钛合金,以获取实测数值,进而进行优化后的焊接工艺参数,进而深入深入研究这些参数对焊缝工艺技术的影响规律,为TC4钛合金TIG焊的工艺的优化以及在工业中广泛的应用提供理论钛元素在发现之初并未被命名,且并未具有真正的商业价值。经过世界各地的科研人员对钛的提取方法的不断地改良,到了20世纪80年代以向完善,先是用还原镁—最大真空度的蒸馏酒法制得海绵钛,然后再将海羊钛和母合金混匀,然后再经过粉碎、筛选,压制形成电极反应过程,结束再经过自耗或电极电弧精炼等较繁琐的工艺,便可得到的具有各种金属表面光泽的银灰色钛或铝镁合金,其制造流程相当复杂,而且生产成本也很高昂。自一九四八年进入工业化生产阶段至今,钛及其合金的生产有了六十余年的发展历程,但在这之间人们关于它的发展并没有总是一帆风顺的,因为经验中告诫了我们一定关乎其供需关系规律,所以它每一个发展的节点都和航天、飞机等行业的发展速度密切相关。但即便如此钛及其合金的发展速度却远超其它由于受军事等领域所需钛量的快速增长钛及其合金的发展速度又出现了一个节点,同时全球钛市开始转暖,在一九九六年钛工业的发展也取得了史无前例的发展,并且此后数年在许多应用领域中都获得了更广泛的运用。在当时便有专家预言,今后的几十年中海羊钛的产出与用量将会不断的上升。就目前全球钛产业的发展速度来说,大约正在以每年超过去年总和的十分之一速度在增加中,钛产业的发展也将呈现一个欣欣向荣的景象。就目前来说妨碍钛广泛应用的最主要因素,是生产成本过高等、昂贵。但我国的钛产业起步相对较晚,到一九五四年由于我国工业生产的迅速发展而意识到得到了海羊钛,真正进行系统的钛及合金研制则是在一九五六年之后。一九五八年我国便生产出钛锭和钛管,同年十月我国就轧制出了国内一mm的厚钛合金板材并安装。尽管当时我国的钛产业发展起步相对较晚,但近年来由于我国的高度重视和政府对许多高技术项目宝鸡有色金属加工厂在营业前先进行了业务规划,将过程数据移至北京有色金属研究所。根据冶金工业部门的专门部门,它不再负责方面的开发难题。经过不懈努力中国成为第四个有钛工业体制的国家。到二零零七年止,中国海绵钛的生产量仍排名全球首位。不过,目前中国的钛冶金与制造科技领域与发达国家还具有相当的距离,主要体现在基础科研比较薄弱,原创性的新产品比较缺乏,在合金挖潜领域也远滞后于国外,在钛工业仍然处于发展阶段。钛合金也被不少发达国家所注意,称为"崛起的第三金属"。在宇航应用、石油化工、占有陆地表国土面积约百分之七十一的海域中蕴藏着大量的资源,发展海上事业、开发利用海面,使海面变成了一个巨大财富的来源地,这已经成为了人类多年来努力的方向之一。不过,正因为海面中具有约百分之三点五的含盐量,所以,海面中具有着侵蚀性。而且,海面中的部分海洋生物环境污染又加剧了海面的侵蚀性。钛及其合金的硬度高、金属今,钛材料已经在海上石油开采、港湾建设、近海发电站、海水淡化、造船、海面捕捞和海洋热能转换等方面获得了普遍的使用。现在,世界海洋工业中用钛材料已经成为了钛民用应用的重点领域之一。氢氟酸、浓盐酸和温度较高的盐酸、硫酸,铝镁合金的抗腐蚀能力也会变差。这主要是因为,具有氧化活性的酸会损伤铝镁合金表层的钝化作用层,使其特性更加不稳定,从而在表层中引起锈蚀。在大多数的酸、碱、盐类等介质中,铝镁合金会的表面都会迅速形成的高密度的金属氧化物层。而由于铝镁合金的抗腐蚀力很强这一特点,为后来铝镁合金在化工设备生产方面的广泛应用,奠定了很好的物质基础。如钛在石油化工应用领域常被用于湿氯气冷却器,使用寿命长,安全可靠性高,并可以增加很好的效益。目前,中国国内餐具、炊具材料中普遍采用的都是铁、铝合金、不锈耐酸钢等这些材质,在实际应用中对人类都或多或少会产生某些不利身体健康的影响。钛保健产品的主要优点就是在钛金属表面生有一个很坚固的氧化钛化合物膜,化学性质非常稳定,所以即使够烹调出食物的原汁原味,而纯钛锅也是中国惟一能够用于炒中药的金锅产品。在欧美和日本,人们常统称钛锅为佳肴锅,原汁原味的佳肴是保健元素。钛锅的热功效优异:能够在低温、高速、低油的环境烹调出绿色食品佳肴,有效的保持了食物的营养素和味道。高营具有如此优良的特点,并且钛也是极为不易加工的金属材料。对钛的焊接技术也制约着各着生产成本的降低和新科技的进展。应新的要求,大量使用正是因为这时期步入了工业化的时期。大量使用后因体积较小、比合金在航空构件上的广泛运用,又由战机扩展至军用大型轰炸机和运输机,同时在民用飞机上也已开始大规模应用铝镁合金构件。进入20世纪80年代以后,民航班机用钛数量逐上不可缺少的基本结构材料。而按照应用不同,也可以把航空器所用铝镁合金材料分成了料性能最优异,但由于其成本较高、且价格昂贵而制约了其更广泛的应用领域。钛合金根据各种方式可以分成截然不同的类型。按相构成钛合金又可分成:双密排六马氏体α+β型的大量使用,退火结构通常为α+β相,β相含量通常为百分之五~百分之四十左右。α+β型合金拥有卓越的综合性能和其他钛合金一样,在α+β合金中因同样加入了α稳定元素和β稳定元素,将α与β相进行了加强。α+β合金有着优异的综合性能,如其室温条件强度优于α合金的,热加工工艺性能好,还能够进行热加工的增强,所以应用在飞机结构件。Α+β类铝镁合金高温退烈的化学反应,所以熔炼和制作的成本都很昂贵。钛及其复合材料的导热系数低、耐磨性也不好。在在切削时容易粘刀,因此切削速度不能太快。(4)铝镁合金有优异的抗腐蚀特性,尤其是在海水中和海洋的大气环境中抗蚀性极高,可用来制造舰艇的外壳、海上钻井平台的提升器等。钛对不同含量的氧化性酸和某些强有机酸等腐蚀介质种比较稳定,而且不会随着外界温度的升高,大幅度增大反应速度。此外,在碱性溶液种的抗蚀性也表现良好。钛的侵蚀方式以平均侵蚀为主,通常不发生局部侵蚀(5)铝镁合金的工作温度区间比较,铝合金与镁合金较宽。低压和超低压的条件下,机械性能仍然表现得优秀,-253℃高温下的低钛合金则能够在保证高强度的同时,依然具备六百℃,因此一旦能克服在此高温之上的氧化物破坏现象,其应用工作温度也就可以大大对硫、氧、氮等物质存在较大的活泼性,且易于被焊缝结构上的水份、污物、油脂等钛的温度较高、热容量大、导热性较差,所以在焊缝时易于形成容积大且温度较高的熔池,从而造成焊缝及受热影响地区金属在高温滞留的时间较长,晶粒增长趋势强烈,进而影响了连接的热塑性和破坏弹性。易形成连接分为热裂缝和冷裂纹,特别是在工业纯钛、合金来说,如β组织浓度较低的,其焊缝性较好,其焊接头塑性也比α铝镁合金低;而β组织较多的,合金在淬火过程中会产生许多马氏体相,即为α′相,使焊接头的塑弹性逐渐下钛和铝镁合金焊时,氩元素、母材和焊丝中存在的O2、N2、H2、CO2、H2O等均可以形体。所以,应该控制气孔的形成,而阻止气孔形成的最关键钛及其合金化学性质活泼,溶解氮、硫、氧气等的能量很大,所以一般的焊条电弧焊、缝区和热影响区出现原始β相的粗大晶粒和β相的低温转变产物α′相,使材料的塑韧性钨极氩弧焊是钛和钛合金焊最常见的方式。适用于点焊在四毫米厚以内的钛及合金。对板材中厚在三毫米以内的对接接头,可在不开斜坡处、不填充金属焊丝的情况下直接施焊;而对三毫米以上厚的板材,则必须打开斜面处并加以充填金属,在必要时也可选择多层量优美,综合力学性能也较好。焊接过程中,为防止空气侵入而玷污焊缝区的金属,可采用拖罩和背面保护这种局部气体保护焊接法把接头的高温区域与外界空气隔绝开来。等离子焊接的保护物质是即氧,有时需要在即氧中掺入少量的储氢材料。等离子焊应用在金利用等离子焊接能得到较好的性能。在摩擦连接工作过程中热能聚集的结合表面,扩散出去的热量较少,这样的情况下能得到热影响区很小的焊缝。而且结合面没有暴露在空气中,焊缝处没有与空气接触,避免了T本文中使用的是一个整体气体保护连接的方式,整个连接过程在密闭玻璃箱内完成,先排尽了箱内的空气,接着再充以纯氩气,焊接件也在箱内置于惰性氛围下施焊,从而得到的处理需要更加仔细,如果处理的不善,很有可能在焊接过程中出现气孔、裂纹等问题,就会影响焊接接头的质量。所以对于钛合金的焊接，焊接前应该严格把控焊缝处与近缝区的焊前清理。此外,保护的优劣的另一标准是焊缝区热变形部位的外观色泽。一般来说，银白色是要求在焊后的最佳色泽,其次是金黄色或深黄色,当焊后出现蓝色,表明在焊接过程(1)在焊缝之前,认真清洗焊丝、母材表面上的金属氧化物层和油渍等有机污物;严格(4)在焊接过程中,氩弧焊枪应超前嘘气,滞后断气。焊接的前方、正面后端、后部和析了焊后连接器的热力学性能和变形方法;再利用金相研究,解析了TC4钛合金焊缝接头的显微组织结构、以及焊缝流程中的组织变化,最终得到最优的焊接工艺参数。第2章试验设备、材料及方法组合方式为α+β双相组织,TC4钛合金板料试样的化学成分见下表所示,物理性能和热动力学特性参考见下表。焊丝为板材用锯床裁剪下来x3mm和母材同等材料的焊丝。表2-1TC4钛合金板材试样的化学成分AlVCNHOTi余量表2.2TC4钛合金板材试样物理性能及力学性能抗拉强度屈服强度伸长率室温密度熔点沸点热导率(℃)(℃)（W·m-1·K-1）），2.3焊接试验方案为了能够对课题实验深入性的研究，为此制定了厚度为2mm的TC4钛合金的TIG焊焊金相试样的制作通常包括取样、研磨、抛光、浸蚀和观察。为进一步降低试验误差，更准确地确定机械性能和组织之间的定量关系，本文样品从电弧部位附近的焊点处获得了表面磨印完全脱落并有光滑的镜子时，可以停止打磨，用清水或酒精清洗后再进行腐蚀。了TIG焊的深宽比、焊缝表面缺陷等因素对TIG焊的焊接性缝和低切，焊接面比较平坦。不同焊接工艺参数下，焊缝颜色反映了焊缝的受保护程度，4组试件的颜色是银白色和金黄色，表示焊接保护效果良好，没有氧化物层。氧化物层的形成主要是由于焊接的高温保持时间长而产生的高热量输入，空气中的氧与焊接池的液体金属反应，在焊接池表面形成紧密的氧化膜。一般来说，焊接部不存在氧化膜的情况下，焊接部会得到良好的保护。部气孔为气体未完全溢出焊缝就凝固从而形成孔洞气孔可能是由于焊件表面杂质未清理干净、焊接过(a)(b)(c)(d)中可以看出，熔宽和熔深的宽度随着热输入的减小而大体呈现递减趋势，并且熔宽的增加(b)(d)图3.2四组参数下TC4钛合金TIG熔深和熔宽表3-1不同焊接工艺参数下的焊缝深宽比1234图3.3焊接热输入对熔深、熔宽和深宽比的影响不同的材料会有不一样的物理性能，其主要原因是由材料的显微结构决定的，例如TC4钛合金在焊接过程中经历不同的组织形态转变，焊接状态下的不同组织对TC4钛合金图3.4TC4钛合金TIG焊接接头三维形貌由于焊接加热时的峰值温度较低，相邻于母材的热影响区的组织具有较低的冷却速度，并构成热影响区（图3.6）的组织主要是α+α'+β,构成焊缝区（图3.7）的组织主要是α'马且热影响区中的晶粒为粗大的柱状晶。焊缝区时基本上都是网篮状组织，越接近母材，网篮状结构的比