鈦合金窄間隙TIG焊技術(shù)及質(zhì)量控制評述

席少靜， 李 慧， 孫清潔， 趙洪運， 劉喜明＊

（1.長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶工程學(xué)院，山東威海 264209）

0 引 言

窄間隙焊接技術(shù)是將常規(guī)的焊接工藝與窄間隙坡口相結(jié)合，通過專門的裝置和控制技術(shù)而集成的一種新型焊接技術(shù)。隨著節(jié)能減排和綠色環(huán)保成為人類追求的目標(biāo)，以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈦合金由于具有密度小、比強度大、耐腐蝕、抗蠕變性能好、生物相容性好、無磁性、無毒性、工作溫度區(qū)寬、加工性（成形與焊接）好等許多優(yōu)良特性，被譽為未來金屬、空間金屬和海洋金屬，其廣泛應(yīng)用于海洋鉆探、壓力容器、航天、航空、大型機械、造船業(yè)、電力行業(yè)等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位［1－3］。鈦合金的焊接方法有鎢極氬弧焊（TIG）［4］、熔化極氣體保護焊（MAG）［5］、電子束焊（EBW）［6］、等離子弧焊（PAW）［7］、激光焊（LW）［8］、攪拌摩擦焊（FSW）［9］等。使用傳統(tǒng)焊接方法進行厚板鈦合金焊接時，由于坡口面積的急劇增大，導(dǎo)致了焊接工程量成倍增加；厚板的大拘束度及傳統(tǒng)技術(shù)的大填充量使焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力和殘余變形；還往往帶來焊接接頭較大的塑性、韌性損傷，進而導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能變差等。然而窄間隙焊接技術(shù)不僅能使焊縫金屬的填充量大幅度降低，而且坡口的橫截面積也大大減少，所以，它普遍適用于各種大型且重要的焊接結(jié)構(gòu)，是一種環(huán)保、經(jīng)濟、能夠得到較好力學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)焊接方法［10］。雖然TIG焊的焊接效率低于其它方法，但就目前的焊接狀況看，許多產(chǎn)品對焊接質(zhì)量的要求高于對焊接效率的要求［11］。這就導(dǎo)致了窄間隙TIG焊越來越受到人們的關(guān)注［12］。因為與其它的窄間隙焊接技術(shù)相比，窄間隙TIG焊技術(shù)的優(yōu)點是：1）焊接過程中電弧穩(wěn)定，飛濺少；2）適用于平焊、橫焊以及全位置焊；3）焊縫的極限深度約為200mm，并且焊接精度高；4）接頭的殘余變形和殘余應(yīng)力小，沿板厚方向上更趨于致密化、均勻化；5）焊接線能量相對較小，熔池冷卻速度較高，使得焊縫組織晶粒細化，而且大大降低了焊接熱影響區(qū)的塑性、韌性損傷［13］。

1962年，Brown［14］等先是在不銹鋼、鋁合金、鈦合金焊接中研究電磁攪拌的影響，并且發(fā)現(xiàn)晶粒細化現(xiàn)象；1971年，Tseng和Savage［15］第一個深入研究了TIG焊時電磁攪拌對微觀組織和性能的影響。隨著研究的不斷進行，發(fā)現(xiàn)磁場的引入對于窄間隙TIG焊是十分有發(fā)展前途的。北京工業(yè)大學(xué)的華愛兵［16］等研究了橫向旋轉(zhuǎn)磁場對TIG焊焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)隨著勵磁電流的增大，焊縫熔深減少，熔寬增加。這一點正好可以應(yīng)用于窄間隙焊接過程中，來解決焊接過程中的側(cè)壁熔合問題［17］。

鈦合金窄間隙TIG焊時要經(jīng)歷加熱熔化、冶金反應(yīng)、冷卻結(jié)晶、固態(tài)相變［18］等一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程，在如此多的過程中，焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的組織和性能會對焊接接頭的疲勞行為產(chǎn)生顯著的影響，進而直接影響鈦合金的使用壽命。因此，文中深入研究了如何通過焊接材料的合理選擇，焊接工藝參數(shù)的正確制定，采取有效的試樣清理方法和氣體保護措施，以便獲得晶粒細小的焊縫組織和滿足性能要求的具有良好質(zhì)量的焊接接頭，并深入分析了該技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。

1 窄間隙TIG焊的嚙合強化效應(yīng)機理

俄羅斯的中央結(jié)構(gòu)材料研究院研制出了一種強度比母材低而塑性比母材高的焊絲，將其應(yīng)用于鈦合金的窄間隙TIG焊接技術(shù)，這對于鈦合金的焊接是極其重大的突破。焊接后的焊縫金屬不僅塑性較高，而且其強度也可以達到與母材相當(dāng)?shù)乃剑宇^不需要再進行熱處理強化［19－20］。焊縫金屬與母材的等強度是通過嚙合強化機理來實現(xiàn)的。當(dāng)板厚和焊縫金屬的寬度滿足一定比例關(guān)系時，焊接接頭在外力的作用下就會表現(xiàn)為嚙合強化效應(yīng)。鈦合金窄間隙TIG焊引起焊縫嚙合強化的原因：對于鈦合金來說，焊接接頭組織是由基體的等軸晶組織和焊縫馬氏體α′相的針狀組織組成［21－22］。針狀α′相尺寸及形狀取決于焊縫的化學(xué)成分、焊件厚度、焊接工藝、焊接線能量等各種因素。針狀α′相隨著被焊金屬厚度的增加和線能量的減少而細化。厚板鈦合金進行窄間隙TIG焊接時，焊縫冷卻速度快，會形成細針狀α′相。在外加載荷作用下，焊縫組織相互交錯，發(fā)生嚙合，焊縫機械性能得到提高。窄間隙條件下，當(dāng)焊接接頭承受的外加載荷增加到一定程度時，會在焊接接頭位置出現(xiàn)相對復(fù)雜的應(yīng)力分布，進而增強了焊縫金屬承受載荷的能力。

2 鈦合金窄間隙TIG焊的質(zhì)量控制

2.1 焊接材料對焊接質(zhì)量的影響

2.1.1 氬氣

鈦合金窄間隙TIG焊焊接時用的氬氣應(yīng)該為一級氬氣，純度需要達到99.99%以上，相對濕度小于5%，水分小于0.001mg／L，雜質(zhì)總含量必須小于0.02%。焊接過程中，如果氬氣瓶的壓力下降至1MPa時，應(yīng)立即停止使用，以確保焊縫金屬的質(zhì)量。

2.1.2 焊絲

嚴(yán)格來講，焊絲表面不能有氧化色、裂紋、非金屬夾雜物等缺陷存在，最好以真空退火狀態(tài)供貨。在焊接開始前，應(yīng)對焊絲進行徹底的清理，否則焊絲表面的雜質(zhì)可能會污染焊縫金屬。

比較常用的焊絲牌號有TA1，TA2，TA3，TA4，TA5，TA6及TC3等。一般來說，填充焊絲的成分應(yīng)該與母材金屬的成分相同。為了提高焊接接頭的塑性，可以選用塑性比母材高而強度比母材金屬稍低的焊絲。例如焊接TC4和TA7等鈦合金時，盡量選用純鈦焊絲，但要保證焊絲中的雜質(zhì)含量應(yīng)比母材金屬低。

2.2 焊前清理及氣體保護對焊接質(zhì)量的影響

2.2.1 焊前清理

在鈦合金窄間隙TIG焊焊接前，必須對坡口及其附近的區(qū)域進行仔細清理。焊絲和焊件的焊前清理在很大程度上決定了焊接接頭的質(zhì)量，當(dāng)清理的不徹底時，就會在焊絲和焊件的表面形成吸氣層，并導(dǎo)致焊接接頭氣孔和裂紋的產(chǎn)生。

因此，鈦合金對焊前焊接區(qū)域的清潔程度要求十分嚴(yán)格。試樣焊前清洗工藝過程［23］為：試板切割下料→待焊面機械加工（通過奧氏體不銹鋼絲刷、細銼等進行加工）→除油處理（采用（5%～10%）NaOH＋丙酮溶液清洗的方法，將焊絲表面和坡口兩側(cè)30mm以內(nèi)的油脂、氧化皮、毛刺等清理干凈）→水沖洗→酸洗（酸洗液配方為（2%～4%）HF＋（30%～40%）HNO3＋H2O，試樣需在酸洗液中浸泡5min左右）→水沖洗→烘干保存。酸洗后的試樣為銀白色，在臨焊前，再用丙酮或酒精擦洗一遍，洗凈烘干后立即進行焊接，且焊件必須在2h內(nèi)焊完，否則應(yīng)重新進行酸洗烘干處理。

2.2.2 惰性氣體保護

焊縫表面顏色是衡量鈦合金焊接時惰性氣體的保護情況和焊縫質(zhì)量的重要指標(biāo)，見表1［24］。

表1 鈦合金表面顏色對接頭質(zhì)量的影響和處理措施

焊接結(jié)束后，可通過焊縫的顏色來判斷接頭被污染的程度。

鈦表面生成的氧化膜的顏色與溫度有很大關(guān)系：當(dāng)溫度在200℃以下時為銀白色，說明焊縫表面幾乎沒有被污染；300℃時為淡黃色，400℃時為金黃色，表明焊縫受到了輕微的污染；500℃時為深藍色，600℃時為紫色；700～900℃為灰色，說明焊縫污染嚴(yán)重，這樣的焊接接頭在任何場合下都是不合格的。溫度較低時氧化色僅為表面薄薄的一層，可以通過酸洗的方法去除；溫度較高時的氧化程度逐漸加深，對焊縫金屬的質(zhì)量產(chǎn)生了極其嚴(yán)重的影響。

2.3 工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響

鈦合金窄間隙TIG焊的工藝參數(shù)主要包括：焊接速度、焊絲直徑、焊接電流、送絲速度、電弧長度、電流衰減時間等。

2.3.1 焊接速度對焊接質(zhì)量的影響

當(dāng)焊接電流等工藝參數(shù)一定時，焊接速度越小，焊接的材料厚度越大；如果焊接速度超過合適的范圍區(qū)間，便會產(chǎn)生燒穿、凹陷、未焊透等缺陷。在鈦合金窄間隙TIG焊中采用較低的焊接速度更有利于保證焊縫金屬的質(zhì)量。但是焊接速度低到一定程度時，會導(dǎo)致焊件變形增大，且生產(chǎn)效率降低。

2.3.2 焊絲直徑對焊接質(zhì)量的影響

接頭間隙、焊件厚度與焊絲直徑具有一定的匹配關(guān)系，當(dāng)接頭間隙、焊件厚度很大時，則應(yīng)該選擇稍大一些的焊絲直徑。選擇不當(dāng)就會造成焊縫余高過大、過小或未熔合等問題，使得焊縫金屬成形質(zhì)量較差。

2.3.3 焊接電流對焊接質(zhì)量的影響

在焊縫尺寸符合要求、焊接過程穩(wěn)定的情況下，倘若焊接電流選擇適當(dāng)，則焊接接頭質(zhì)量良好；焊接電流過大時，容易產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象，背面熔化的金屬下淌，形成凹坑、咬邊等缺陷；然而焊接電流過小時，則會產(chǎn)生未熔合、未焊透等缺陷。

2.3.4 送絲速度對焊接質(zhì)量的影響

焊接速度、焊接電流、接頭間隙、焊絲的直徑等因素與焊絲的送絲速度關(guān)系密切。一般認(rèn)為，若焊絲直徑較大時，送絲速度應(yīng)該稍微減慢一些；當(dāng)焊接速度、焊接電流、接頭間隙較大時，送絲速度則應(yīng)該加快一些；假如送絲速度選擇的不合理，將導(dǎo)致凹坑、燒穿、未焊透、焊縫余高過量等缺陷的產(chǎn)生。

2.3.5 電弧長度對焊接質(zhì)量的影響

電弧長度與焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓有一定的關(guān)系，一般采用大直徑焊絲，大電流時可以適當(dāng)?shù)卦龃箅娀￠L度；如果電弧長度選擇的不合理，便會導(dǎo)致氣體保護效果不好、未焊透、碰鎢等嚴(yán)重問題。然而，電弧長度與電弧電壓表現(xiàn)為線性比例關(guān)系，當(dāng)電弧長度增大時，電弧電壓成正比例增加，電弧產(chǎn)生的熱量也愈多。但是當(dāng)電弧長度超過合適的范圍后，在弧長增大的同時，弧柱的橫截面積也增加，導(dǎo)致氣體保護效果變差，而且熱效率降低。

2.3.6 電流衰減時間對焊接質(zhì)量的影響

窄間隙TIG焊焊縫金屬的收尾處常常會產(chǎn)生弧坑缺陷，為了消除弧坑缺陷必須采用焊接電流衰減裝置。電流衰減裝置可以延長氣體對熔池的保護時間，使焊接電流按照需要的速率下降，進而使得熔池的冷卻速度大大降低，改善熔池的流動方向和熔化金屬對縮孔、弧坑的填補情況，從而弧坑缺陷得到了有效地解決。

3 面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的基礎(chǔ)問題

鈦合金在窄間隙TIG焊接過程中經(jīng)歷著電弧的劇烈加熱擴散和冷卻凝固，在鈦合金內(nèi)部產(chǎn)生很大、極其復(fù)雜的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和機械約束應(yīng)力及其強烈非穩(wěn)態(tài)交互作用和應(yīng)力集中，可能會導(dǎo)致鈦合金嚴(yán)重變形與開裂，是制約該技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的“第一大”瓶頸問題。

與此同時，在鈦合金窄間隙TIG焊焊接過程中，主要的工藝參數(shù)、合理的焊接材料、有效的試件清理方法和氣體保護措施等一切影響焊接質(zhì)量的因素，都可能在鈦合金局部區(qū)域產(chǎn)生各種特有的內(nèi)部缺陷（如氣孔、裂紋、咬邊、未熔合等）并影響鈦合金最終的焊縫質(zhì)量、力學(xué)性能和使用安全。事實上，顯微組織和焊縫缺陷控制一直是制約鈦合金窄間隙TIG焊技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的又一重大“瓶頸問題”。

要實現(xiàn)對鈦合金窄間隙TIG焊接過程內(nèi)應(yīng)力的有效控制和零件變形開裂的有效預(yù)防，必須首先認(rèn)識清楚：

1）電弧劇烈熱循環(huán)作用下零件“熱應(yīng)力”的演化規(guī)律及其與鈦合金窄間隙TIG焊焊接工藝條件及零件結(jié)構(gòu)的關(guān)系；

2）劇烈加熱擴散和冷卻過程中材料的“組織應(yīng)力”形成規(guī)律鈦合金窄間隙TIG焊接工藝條件和零件結(jié)構(gòu)的關(guān)系；

3）“凝固收縮應(yīng)力”形成機理、演化規(guī)律鈦合金窄間隙TIG焊接工藝條件和零件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；

4）熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、凝固收縮應(yīng)力和外約束應(yīng)力的非穩(wěn)態(tài)耦合行為、演化規(guī)律和零件變形開裂之間的關(guān)系。

然而，要實現(xiàn)對鈦合金窄間隙TIG焊接過程中“焊縫質(zhì)量”的有效控制，必須深入認(rèn)識以下問題：

1）局部凝固組織特征及其與鈦合金窄間隙TIG焊接工藝參數(shù)和焊接條件之間的相互關(guān)系；

2）局部凝固過程和鈦合金特有缺陷形成規(guī)律間的關(guān)系。

總之，應(yīng)對鈦合金窄間隙TIG焊接技術(shù)“變形與開裂”預(yù)防和“焊縫質(zhì)量”控制兩大“瓶頸問題”的最有效措施，是加強對鈦合金“內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律與變形開裂行為”、“凝固組織形成規(guī)律焊縫缺陷形成機理”等關(guān)鍵性問題的認(rèn)識和研究。

4 結(jié) 語

窄間隙焊接技術(shù)已成為焊接領(lǐng)域的一個熱點，它正在改變焊接中采用常規(guī)的大坡口、大填充量、大能耗的局面。但是，鈦合金窄間隙TIG焊的嚙合強化效應(yīng)機理以及質(zhì)量控制有待于國內(nèi)外學(xué)者們進行更深層次的研究。特別是開發(fā)研制大厚板鈦合金及其配套焊接材料和工藝技術(shù)的研究，以擴大窄間隙TIG焊接技術(shù)在鈦合金厚板焊接領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。目前，窄間隙焊接技術(shù)已逐漸成為中厚板焊接的主流技術(shù)，成為當(dāng)今低碳、節(jié)能時代潮流之中的佼佼者。最重要的一點，鈦合金窄間隙TIG焊接技術(shù)所帶來的巨大的經(jīng)濟效益和社會效益是毋庸置疑的。

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