純鈦(TA2)管焊接技術研究

張 林，劉 寧*，朱協彬，趙日定

(1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.蕪湖造船廠有限公司,安徽 蕪湖 241000)

鈦和鈦合金具有高強度、良好的延展性和韌性，并具有足夠的耐腐蝕性和高溫強度。雖然鈦制設備投資大，但設備的可靠性和使用壽命大大提高，經濟效益明顯[1-3]。目前，鈦合金管越來越多地應用于石油、化工、能源等工業，在艦船設備和海水淡化設備中的應用也日益增多[4]，使得鈦及鈦合金的焊接技術得到了廣泛的重視。

目前，已有很多方法能實現鈦合金的連接。如攪拌摩擦焊、釬焊、鎢極氬弧焊等[5-7]。在鈦和鈦合金的釬焊中，最常用的釬焊焊料金屬主要是銅基、銀基和鋁基[8],但焊接效果很不理想[9-10]。張秋平[11]等指出，Ti-Cu-Ni和Ti-Zr-Cu-Ni合金系列的釬焊料適用于大多數鈦基合金。釬焊得到的純鈦接頭強度在室溫時為基體金屬的50%至70%，在500 ℃時為基體金屬的40%至50%。Ganjeh[12]等研究了工業純鈦的銀基釬料釬焊，其剪切強度最高僅為164.2 MPa。嚴國洪[13]等研究表明，鎢合金材料可用作鈦合金攪拌摩擦焊(FSW)的工具材料，其缺點是易于粘著并形成焊縫孔。鈦合金FSW接頭的強度可以達到基體金屬強度90%以上，但塑性需要再次提高。而鎢極氬弧焊可以獲得良好的焊接接頭，操作簡單，價格經濟，可以大規模應用。田啟發[14]等探究了純鈦焊接接頭的組織和性能。王宇[15]等探究了保護氣體對TA2氬弧焊質量的影響。實驗以工業純鈦管為研究對象，采用手工鎢極氬弧焊對鈦管進行連接，并考察焊接接頭的機械性能和微觀組織。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為純鈦管，規格為?114.3 mm×3.2 mm，長度為2 000 mm，根據GB/T3624-2010標準，材料的化學成分和機械性能分別如表1和表2所示。焊絲采用純鈦焊絲，牌號為TA2，規格為?2.0 mm，執行標準GB/T3623-2007。焊接保護氣體為高純氬氣，純度不小于99.99%。

1.2 焊接過程

(1)焊接前準備。為了確保焊接的質量和效率，需要在焊前從環境、坡口及焊接保護措施等方面進行充分準備。①焊接環境準備。施焊場地要設置在潔凈、干燥的室內，保證常溫、無風環境；試驗時所用的磨片、拋光輪、切割片等應是不銹鋼新品。②坡口準備。下料時采用的切割機應帶有冷卻液，防止局部溫度過高，造成切口氧化；管端坡口內表面50 mm內應用鉸刀清除鈍化膜，外表面50 mm內應用不銹鋼砂輪片清除鈍化膜；用丙酮或無水乙醇清潔坡口端面，以防止焊接過程中油污受熱被熔池吸收；焊縫坡口如圖1所示。③焊接保護措施。鈦管點焊對接后，用白色紙質膠帶將焊接處密封住；由于鈦在焊接過程中與O、H、N發生反應，因此必須對焊接接頭區域的正面和背面采取良好的保護措施。使用的手工鎢極氬弧焊的保護罩如圖2所示；適度分段停焊以保證母材不被過熱氧化。

表1 TA2化學成分

表2 TA2機械性能

圖1 鈦管的坡口形式 圖2 鈦管焊接保護罩

(2)確定焊接工藝參數。焊接工藝參數的選擇對焊件質量至關重要。焊接工藝參數主要包括氬氣流量、焊接電壓、焊接電流、焊接速度和氣體保護時間，具體參數如表3所示。

表3 純鈦管手動TIG焊參數

(3)焊接試驗步驟。①兩根鈦管焊接時，為了保證焊縫質量，焊管子的軸線要在一條線上。②鈦管焊接時，采用5～6道焊縫進行焊接。③先打底焊，完成后再蓋面。

2 試驗結果與分析

2.1焊接電流影響

最優焊接工藝參數如表3所示。焊接電流過大會造成組織晶粒粗大，且會增加焊接變形的可能性；而焊接電流太小，焊絲熔化緩慢，會導致沒有焊透，背面焊縫成型不好。當焊接電流過大時，焊接電流可以選為100 A，電壓13 V，其效果如圖3所示。從圖3中可以看出焊縫處出現了輕微的焊接變形，焊縫處鈦管的顏色有銀白色、金黃色和藍色，熱影響區也有部分鈦管顏色變成藍色。由于鈦的熱導率小，隨著輸入到焊縫的熱量增加，組織晶粒變得粗大；熱輸入增加后必須加快焊接速度，否則會導致焊絲滴落直接穿透鈦管；熱輸入增加導致溫度急劇升高，稍稍保護不到位，就會使鈦管被氧化。當焊接電流過小時，可以選取焊接電流為50 A，電壓為13 V，其效果如圖4所示。從圖4a中可以看出鈦管外表面不存在焊接變形問題；從圖4b中可以看出鈦管內表面部分位置出現未焊透現象，背面焊縫成型較差。

圖3 焊接電流過大時的焊接效果

圖4 焊接電流過小時的焊接效果

選擇合適的焊接電流，取50～100 A的中間值，并進行試驗。第一層(打底焊)焊接：焊接電流68～72 A，焊接電壓11～15 V。第二層(蓋面層)焊接：焊接電流83～87 A，焊接電壓11～15 V。按照上述焊接參數進行試驗。焊接效果如圖5所示。在圖5中，氣體保護十分有效，焊縫成形很好。合理控制焊接工藝參數，確保焊接接頭良好成型。

圖5 最優焊接電流時的焊接效果

焊接電流過大時會造成組織晶粒粗大，熱輸入增加后必須加快焊接速度，否則會導致焊絲滴落直接穿透鈦管；焊接電流過小時，焊接熱輸入過小，焊絲熔化慢，容易造成未焊透，背面成型差等問題。

2.2 焊縫外觀檢驗

外觀檢查的主要目的是查看氬氣保護效果、未對準量和變形量。應用表3中的工藝參數得到焊接后鈦管焊縫表面呈銀白色，焊縫成型良好，如圖6所示。

圖6 鈦管焊縫外觀

2.3 焊縫無損檢測

改變焊接電流(管A：焊接電流為83～87 A，管B：焊接電流為50 A)，保持其他參數不變進行焊接，得到兩根焊縫管。對焊接的鈦管A和B進行無損檢測，其照片如圖7所示。根據國際標準ISO 5817:2014，圖7a顯示焊縫不存在裂紋、未焊透、夾雜和氣孔，焊縫屬于B級焊縫，符合標準要求。圖7b顯示焊縫內部存在氣孔、夾雜等缺陷，不滿足焊接質量標準要求。

圖7 鈦合金管焊縫射線探傷檢測照片

2.4 焊縫力學性能檢測

對鈦管進行機械性能測試，其取樣位置如圖8所示。取45°、225°兩個位置加工兩個拉伸標準試樣，根據國標GB/T228.1-2010，拉伸試樣形狀和尺寸應符合規定，將樣品的末端加工成適合試驗機夾緊的形狀，如圖9a所示；取0°、180°、90°、270° 4個位置加工4個彎曲標準試樣，2個背彎，2個正彎，根據國標GB/T3624-2010規定，當需方要求并在合同中(或訂貨單)注明時，外徑不大于60mm的管材應進行彎曲試驗。彎曲芯直徑是管外徑的12倍，冷彎90°后管的表面應無裂紋。

圖8 鈦管機械性能樣品采樣位置

圖9 鈦管力學性能實驗標準試樣

鈦管力學性能實驗后試樣如圖10所示。由圖10a拉伸結果顯示，兩個拉伸試樣的抗拉強度分別為424.91 MPa、409.98 MPa，均達到母材抗拉強度0.9倍以上，拉伸結果符合國標GB/T3624-2010規定，斷裂位置均為焊縫位置；由圖10b、圖10c彎曲結果顯示，4個彎曲試樣受彎面冷彎180°后，表面均未發現裂紋，彎曲結果符合GB/T3634-2010規定。

圖10 鈦管機械性能的實驗結果

2.5 焊縫管顯微組織分析

首先對試樣進行鑲嵌，其次再進行粗磨、細磨、拋光，最后用“Kroll”浸蝕劑(HF 1～3 mL，HNO32～6 mL，H2O 91～97 mL)浸蝕后得到焊接接頭試樣的宏觀圖片，如圖11所示。從圖11中可以看出，母材、熱影響區、焊縫分布清晰可辨，由于焊接熱輸入的影響，從母材-熱影響區-焊縫的變化過程中，晶粒變得更加粗大。

圖11 焊縫管試樣宏觀圖片

使用BH200M顯微鏡對圖11試樣進行觀察如圖12所示。從圖12中可以看出，α等軸晶組織分布在母材區域，晶粒細小，沒有產生馬氏體，接頭機械性能很好；由于焊接熱輸入的影響，熱影響區中的晶粒比母材更加粗大，導致韌性下降；焊縫區域內，因焊接熱輸入持續進行，焊縫區域內為少量等軸α相+拉長條狀α相，機械性能有所下降。焊接接頭的不同區域組織在工業純鈦焊接中很常見，沒有產生異常相。

圖12 焊接接頭各個區域的金相照片

3 結論

通過對純鈦管TIG焊接工藝研究，獲得了表面質量優良的焊縫，并對焊接接頭進行了機械性能檢測和顯微組織觀察。具體研究結果如下：第一層(打底焊)焊接參數：焊接電流68～72 A，電弧電壓11～15 V；第二層(覆蓋層)焊接參數，焊接電流83～87 A，電弧電壓11～15 V。

雖然拉伸試驗的試樣在焊縫處發生塑性斷裂，但兩個試樣的抗拉強度均高于規定的抗拉強度430 MPa(母材測量值)的0.9倍。對于純鈦(TA2)管焊接接頭，正彎和背彎達到180°不開裂。結果表明，焊接接頭具有良好的延展性。由于焊接熱輸入的持續影響，焊接接頭組織出現拉長狀的α相，導致機械性能有所下降；當焊接熱輸入適中時，焊接接頭中組織正常，焊接接頭力學性能很好。