工業純鈦TA2雙鎢極氬弧焊焊接接頭腐蝕性能研究

周洋　孔諒　王敏　華學明

摘要：鈦及鈦合金憑借其比強度高、密度小和良好的耐腐蝕性能，廣泛應用于汽車、生物醫療、航空航天、石油化工、海洋工程等領域。雙鎢極氬弧焊相比較傳統的鎢極氬弧焊可以抑制焊接缺陷，提高焊接速度。本文研究了工業純鈦TA2雙鎢極氬弧焊焊接接頭的耐腐蝕性能，研究表明，雙鎢極氬弧焊焊縫中心細小的枝晶幾乎占據了整個焊縫界面的50%，靠近焊縫的熱影響區為均勻分布的等軸晶，雙鎢極氬弧焊提高了工業純鈦的耐腐蝕性能，擴大了其在惡劣環境下的使用范圍。

關鍵詞：工業純鈦;雙鎢極氬弧焊;腐蝕性能

中圖分類號：TG457.19 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0047-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.07

0 前言

鈦及鈦合金導熱率低、比強高、耐腐蝕，是非常優異的結構材料，在航空航天、石油化工和海水淡化等領域發揮著巨大的作用[1-2]。

鈦及鈦合金常用的焊接方法是鎢極氬弧焊（TIG焊），其他焊接方法如激光焊、電子束焊、爆炸焊等也有應用。許多學者研究發現鈦及鈦合金在焊接后，其焊接接頭的耐腐蝕性能與母材相當或有一定的提高[3]。

M. Balasubramanian等人[4]研究脈沖TIG焊焊接工藝參數對鈦合金Ti-6Al-4V耐腐蝕性能的影響，通過動電位極化曲線發現，峰值電流和脈沖頻率對耐腐蝕性能有較大的影響，并且細化晶粒能夠提高腐蝕電阻，從而提高其耐腐蝕性能。

Z. Sun等人[5]通過動電位極化曲線和電化學極抗譜圖發現，工業純鈦在激光重熔（Nd：YAG激光焊接機）后，在3%NaCl溶液中腐蝕電流下降，極化阻抗增加，耐腐蝕性能得到提高。通過金相顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察發現，使用小熱輸入參數的激光重熔后，高冷卻速度使得重熔區顯微組織發生改變，由α相轉變為針狀的馬氏體組織，這可能是提高耐腐蝕性能的因素。

關于工業純鈦焊接接頭耐腐蝕性能研究文獻較少，尤其是雙鎢極氬弧焊焊接接頭，本文將著重研究雙鎢極氬弧焊焊接接頭的耐腐蝕性能。

1 材料和方法

試驗材料為1.24 mm×60 mm×400 mm工業純鈦TA2薄板，其化學成分如表1所示。焊前需清理鈦板表面氧化膜，并用丙酮擦洗。

采用雙槍TIG焊焊接純鈦TA2薄板，焊槍L和焊槍T呈大致對稱傾斜分布，主電極電流IL=240 A，輔電極電流IT=175 A，焊接速度3 m/min。通過電極間距和焊槍角度進行雙鎢極氬弧堆焊，研究電極間距和焊槍角度對焊接接頭耐腐蝕性能的影響。焊接示意如圖1所示，焊接參數如表2所示。

分別選取母材和表2中不同焊接接頭的焊縫和熱影響區作為工作電極，在試樣背面固定銅絲導線，保持工作電極的表面積為0.5 cm2，除工作電極外的部分采用環氧樹脂進行固態封樣。然后打磨工作表面至800目，并用無水乙醇進行清洗。使用ZENNIUM電化學綜合測試儀對試樣進行電化學腐蝕測試，并且采用三電極電解池測試的實驗方法，輔助電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為3.5%NaCl溶液，實驗在室溫下進行。首先測量電化學阻抗譜（EIS），測試前先測量5 h的開路電位，使得整個體系穩定，然后施加交流正弦激勵信號，幅值10 mV，頻率掃描范圍為105～10-2 Hz，記錄實驗數據，對測定結果進行數據處理得到反映阻抗信息的Nyquist圖 和Bode圖。然后進行動電位極化曲線的測試，同樣的測試前先測量5 h的開路電位，使得整個體系穩定。然后從-0.3 V（相比于開路電位）測試到2 V（相比于開路電位），測試掃描速率為 0. 001 V/s。

2 結果與分析

雙鎢極氬弧焊金相組織如圖2所示，靠近母材的熱影響區包含細條狀的柱狀晶組織，可清晰看到一條幾乎垂直的線將母材和熱影響區組織分開，靠近焊縫的熱影響區組織較粗大，為分布均勻的等軸晶，焊縫中心主要是粗大等軸晶和大量細小的枝晶。放大倍數觀察，焊縫中心細小的枝晶幾乎占據了整個焊縫界面的50%，靠近焊縫的熱影響區為均勻分布的等軸晶。進一步放大倍數觀察，靠近母材的熱影響區組織的柱狀晶晶界處分布著較多的細小α相，還有少量的條狀晶和鋸齒狀晶。

分析認為，在兩個電弧作用下的共熔池區域，后淌熔池受抑制，熔池內部液態金屬相互碰撞，攪碎枝晶，由于焊接速度快，晶粒來不及長大，最終形成細小的枝晶，而未被攪拌的那部分熔池凝固時晶粒繼續長大，形成了較為粗大的等軸晶，以熔合線處的組織較為明顯。

雙槍TIG焊焊接接頭電化學阻抗譜圖如圖3所示，擬合成相對應的等效電路如圖4所示，其中Rs是溶液的阻抗，Rp是試樣的極化阻抗，CPE是常相位角元件。實驗曲線和擬合的等效電路曲線誤差很小，如圖5所示。Rs、Rp和CPE的值如表3所示。

由圖3可知，母材和雙槍TIG焊接頭的焊縫和熱影響區的容抗弧大小有一定差別，其中焊縫和熱影響區的容抗弧直徑較大，而母材的容抗弧直徑相對較小，說明焊縫和熱影響區表面的鈍化膜比母材穩定。

從表3中也發現了同樣結果，焊縫和熱影響區的極化阻抗高于母材，說明焊縫和熱影響區的耐腐蝕性能略好于母材。考慮到不同焊接工藝參數的焊縫和熱影響區的極化阻抗值的分散性較高，認為這些試樣的耐腐性能相當，即不同焊接工藝參數下，焊縫和熱影響區耐腐蝕性能相當。

母材和不同焊接工藝參數下的焊縫、熱影響區的動電位極化曲線如圖6所示，可以看出，這些曲線的陽極極化曲線均有明顯的鈍化區，表現出較好的耐腐蝕性能。表4則是從曲線中所獲得三個電化學參數：自腐蝕電位Ecorr、維鈍電流密度Ipass和擊破電位Eb。自腐蝕電位體現的是熱力學概念，可以表征腐蝕發生的難易程度。由表4可知，母材的自腐蝕電位最負，相比于焊縫和熱影響區，最容易發生腐蝕。維鈍電流和擊破電位是動力學概念，可以表征腐蝕速率。維鈍電流是在形成鈍化膜后，在一段電位變化區域內流經金屬表面的電流密度基本不發生變化，表征其長期的抗腐蝕能力，其值越小表明金屬越容易回歸鈍化狀態。從表4中還發現，母材的維鈍電流密度略高于焊縫和熱影響區，說明焊縫和熱影響區的耐腐蝕性能較好。擊破電位是鈍化膜發生破壞的電位，其值越大表明鈍化膜越穩定。表4中母材的擊破電位最小，說明母材鈍化膜的穩定性略低于焊縫和熱影響區。

對于不同的焊接工藝參數，焊縫和熱影響區的動電位極化曲線以及自腐蝕電位Ecorr、維鈍電流密度Ipass和擊破電位Eb并無明顯的區別，說明其耐腐蝕性能相當。

3 結論

（1）雙鎢極氬弧焊焊縫中心細小的枝晶幾乎占據整個焊縫界面的50%，靠近焊縫的熱影響區為均勻分布的等軸晶。

（2）通過電化學阻抗譜和動電位極化曲線分析得出，母材、焊縫和熱影響區在3.5%NaCl溶液中具有較好的耐腐蝕性能。

（3）兩種電化學試驗表明，焊縫和熱影響區的極化阻抗Rp、自腐蝕電位Ecorr、維鈍電流密度Ipass和擊破電位Eb都優于母材，表明焊縫和熱影響區的耐腐蝕性能優于母材。

（4）兩種電化學試驗顯示，不同焊接工藝參數的焊縫和熱影響區的耐腐蝕性能無明顯區別。

參考文獻：

[1] 李明利，舒瀅，馮毅江，等. 我國鈦及鈦合金板帶材應用現狀分析[J]. 鈦工業進展，2011，28（06）：18-21.

[2] 魏曉棠. 鈦合金的鎢極氬弧焊[J]. 鈦工業進展，2008（6）：38-41.

[3] 周洋，孔諒，王敏，等. 鈦及鈦合金焊接接頭腐蝕性能研究現狀[J]. 電焊機，2018，48（07）：46-50+75.

[4] Sun? Z，Annergren I，Pan D，et al. Effect of laser surface re-melting on the corrosion behavior of commercially pure tita-nium sheet[J]. Mater.Sci.Eng.A，2003，345（1-2）：293-300.

[5] Balasubramanian M，Jayabalan V，Balasubramanian V. Effect of pulsed gas tungsten arc welding on corrosion behavior of Ti-6Al-4V titanium alloy[J]. Materials & Design，2008：1359-1363.