TA2薄壁鈦管雙TIG焊溫度場和殘余應力分布對接頭組織性能的影響

王博士 孔諒 王敏 張躍龍

摘要：針對純鈦TA2薄壁管的鎢極氬弧焊（TIG）高速焊接時出現的咬邊、駝峰等成形缺陷，以及焊接效率低等問題，提出采用雙TIG焊接工藝，可有效提高焊接速度，改善焊縫成形的解決措施。同時采用ABAQUS對兩種焊接方法建立焊接熱彈塑性有限元模型，對比分析焊接溫度場和焊后殘余應力分布，并進一步對焊接TA2薄壁鈦管進行顯微組織分析及力學性能測試。試驗結果表明：模擬所得的兩種接頭的焊縫輪廓尺寸與實際接頭相近，雙TIG焊接時焊縫中心溫度低于TIG焊接，且雙TIG焊縫附近Von Mises應力大于200 MPa的寬度小于TIG焊縫，焊后穩態時焊縫中心的Von Mises應力相近。雙TIG焊縫中心及熱影響區顯微組織比TIG焊細小，兩種接頭的各項力學性能和耐海水腐蝕性能均滿足相關標準要求。φ19 mm×0.7 mm的TA2鈦管在獲得良好焊縫成形的條件下，采用雙TIG焊接工藝的焊接速度可達5 m/min。與TIG焊接工藝相比，生產效率大為提高，基本實現焊縫零缺陷。

關鍵詞：雙鎢極氬弧焊（雙TIG）;數值模擬;溫度場;焊接殘余應力;純鈦TA2薄壁焊管

中圖分類號：TG404 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0014-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.03

0 ? ?前言

工業純鈦TA2具有優異的耐腐蝕性、良好的塑韌性和較高的比強度，是海水淡化裝置熱換元件的理想材料[1]。TA2純鈦薄壁焊接管常用的焊接方法是鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gas Welding，TIG）[2]。雙鎢極氬弧焊（Tandem TIG）可有效改善電弧壓力分布和焊縫成形，充分抑制薄板TIG高速焊接時的咬邊、駝峰或焊道不連續等缺陷，進一步提高焊接速度。此方法已成功得到應用[3-4]。黃九齡[3]利用高速攝影和電信號采集系統對比分析了TIG和雙TIG焊接1.24 mm純鈦TA2薄板時的焊縫成形，指出焊接工藝參數、電極間距和不同焊槍傾斜角度對TA2薄板焊接焊縫缺陷形成和抑制機理。周洋[5]分析了板厚1.24 mm的純鈦 TA2 雙TIG焊接接頭的耐腐蝕性能，結果表明，雙TIG焊提高了純鈦TA2焊縫的耐腐蝕性。何小東[6]測量發現鈦合金薄板激光焊的焊縫及熔合線上的殘余應力大于TIG焊縫。彭小敏[7]研究了2 mm厚BTi-62421s鈦合金板的TIG焊的溫度及殘余應力，模擬結果表明焊接殘余應力隨著焊接電流的增大而增大。

目前，針對雙TIG焊接薄板時的溫度場和殘余應力分布狀態的研究文獻較少。文中在純鈦TA2薄壁管的單TIG和雙TIG焊接試驗的基礎上，采用ABAQUS有限元商業軟件對純鈦TA2薄壁管的單TIG和雙TIG焊接過程進行熱彈塑性有限元分析，對比分析兩種焊接方法焊接薄壁鈦管時產生的溫度場及殘余應力場對接頭組織性能的影響。

1 試驗方法

1.1 材料及焊接方法

用于焊接鈦管的鈦帶原材按照ASTM B265進行生產，化學成分如表 1 所示;開卷鈦帶寬度60 mm，厚度0.7 mm，經過壓輥冷彎成形后，形成直焊縫管，規格為φ19 mm×0.7 mm。

將焊接鈦管分為兩組進行焊接，一組采用單TIG焊，另一組采用雙TIG焊接。雙TIG焊接平臺如圖1所示，主電極L（Leading Electrode）和輔電極R（Rearing Electrode）之間的間距為11 mm。兩組TIG焊接均使用MPT-500D高頻脈沖焊機，采用直流反接的方式，焊接工藝參數如表 2所示。

1.2 焊接有限元模型的建立

鈦管在成形及焊接過程中受到兩側成形擠壓輥輪的夾緊約束，焊接后受到兩側定徑輥輪的約束，幾乎很難發生焊接變形。所以在進行鈦管焊接的熱彈塑性有限元分析時，選取成形擠壓輥輪部分的鈦管長度來研究焊接過程中溫度場和殘余應力場的演變過程。利用ABAQUS軟件對中間長度400 mm的φ19 mm×0.7 mm TA2薄壁鈦管建立幾何模型，網格尺寸為0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm，單元類型為C3D8T，如圖2所示。

為了更加符合焊接過程中輥輪的約束情況，將有限元模型的力學邊界條件設置為不存在任何方向上的位移變化，并在焊后冷卻至室溫的過程中一直存在。針對有限元模型的溫度場邊界條件，初始溫度設置為20 ℃，鈦管內外表面均設置為對流和輻射的換熱邊界，輻射系數ε為0.85， Stefan-Boltzman常數σ為5.67×10-8 W/（m2·℃4），對流換熱系數h0為20 J/（m2·s·℃）。參照文獻[8]和JMatPro軟件計算獲得有限元模型中的純鈦TA2熱物理性能參數，如圖3所示。

針對單TIG焊接方法，電弧加熱區域分布會穿過0.7 mm的TA2形成尾焰，電弧熱流分布模式符合體積熱源特征，且實際焊接時，由于速度較快，熔池前沿常常較短，而熔池后端則形成較長的拖尾。常使用雙橢球形體熱源模型模擬該情況[9]。雙橢球形體熱源模型的熱源前半部分和后半部分使用兩個不同的橢球形作為受熱區域，其模型如圖4所示。文獻[10]指出采用雙TIG焊接1.24 mm純鈦TA2板時，兩電極之間的距離為11mm時，兩電弧之間未產生耦合，兩電弧之間無干擾。因此，雙TIG分別使用兩個獨立的雙橢球體熱源模型。參照文獻[11]，TIG熱源焊接有效熱效率為70%。

體積熱源前端1/2橢球熱流密度分布表達式為：

體積熱源后端1/2橢球熱流密度分布表達式為：

式中 Q為熱源熱輸入有效功率;af、ar、b、c為熱流分布體積參數;ff、fr為前、后橢球熱量分布函數，ff+fr=2。

2 結果與分析

2.1 TA2焊管焊縫的宏觀成形

采用單TIG焊和雙TIG焊得到φ19 mm×0.7 mm的TA2薄壁鈦管的焊縫成形如圖5所示。兩種焊接方法獲得的焊縫表面成形良好，無駝峰、咬邊等缺陷，正面和背面呈銀白色，焊縫成形圓滑過渡且均勻整齊，符合HB5376-1987《鈦及鈦合金鎢極氬弧焊質量檢驗》標準要求。

2.2 TA2焊管的模擬結果分析

熱源模型的準確性通常采用熔池輪廓匹配原則進行評估，即對比模型的熔池橫截面與實際焊縫熔池橫截面，兩者越接近，表明建立的熱彈塑性模型越接近實際焊接過程。單TIG焊和雙TIG焊的模擬焊縫輪廓與實際的金相輪廓如圖6所示。

圖6中，左側圖的灰色區域分別為模擬得到的單TIG焊和雙TIG焊進行純鈦TA2薄壁焊管焊接時的熔化區，右側為對應的實際焊縫的截面金相。可以看出，除了背部余高外，兩者基本一致，驗證了對于雙TIG焊接純鈦TA2薄壁管，選用雙橢球體熱源和對應熱彈塑性模型的準確性。采用雙TIG焊接純鈦TA2薄壁管時模擬得到的熔化區寬度約為2.8 mm，小于TIG焊模擬獲得的4 mm。

單TIG焊和雙TIG焊進行純鈦TA2薄壁管焊接時的焊縫中心溫度循環曲線如圖7所示。結果表明，采用雙TIG焊接純鈦TA2薄壁管時，焊縫中心峰值溫度低于單TIG焊，這是因為雙TIG焊時焊接速率較TIG焊提高了約1.66倍，雙TIG的單位面積熱輸入量小于單TIG焊;模擬得到的焊縫中心溫度為1 912 ℃，低于單TIG焊時模擬獲得的2 137 ℃。這與Wu[12]采用雙TIG焊接1.24 mm純鈦TA2板時的結果一致。

圓筒縱向焊縫引起的殘余應力的分布類似于平板對接時的分布，即沿焊縫方向上的縱向殘余應力遠遠大于垂直焊縫的橫向殘余應力。對于0.7 mm薄壁TA2鈦板來說，不考慮內外表面上殘余應力的差別。單TIG和雙TIG焊接純鈦TA2薄壁管的焊縫中心Von Mises應力分布如圖8所示。可以看出，焊接結束后，溫度迅速降低，焊縫穩態時的Mises應力趨向一個穩定的值，兩種焊接方法下焊縫中心Von Mises應力相近。但是，雙TIG焊大大提高了焊接速度，焊接接頭Von Mises應力如圖9所示，采用雙TIG焊接純鈦TA2薄壁管、Von Mises應力大于200 MPa時模擬得到的焊縫附近區域寬度約為12 mm，小于單TIG焊模擬得到的16 mm。由此可見，對于滿足焊透要求的理想焊接接頭，雙TIG焊相比焊接純鈦TA2薄壁管時具有更大的優勢。

2.3 TA2焊管的顯微組織分析

單TIG焊和雙TIG焊接頭的宏觀形貌和各區域的顯微組織分別如圖10和圖11所示。

圖10a、圖11a分別為兩種焊接方法得到的焊接鈦管的宏觀形貌，焊縫均焊透。圖10b、圖11b均為靠近母材的熱影響區組織，單TIG焊為細條狀樹枝狀晶粒，有一些晶粒內部存在少量針狀α相;雙TIG焊為相對較小的條狀晶粒，晶界處分布著較細小的晶粒。圖10c、圖11c為熔合線處的組織特點，單TIG焊的熔合線附近為粗大的鋸齒形晶粒，平均晶粒尺寸 217 μm，且晶界處具有明顯的鋸齒形特征，晶粒內部包含少量的針狀α相;雙TIG焊的熔合線附近呈細條狀為細小的鋸齒形晶粒，平均晶粒尺寸 150 μm，細條狀晶粒被針狀α相分割為多個部分。圖10d、圖11d為焊縫中心的組織特點，單TIG的焊縫中心為粗大的等軸晶，晶界處包含少量細小鋸齒形α相;雙TIG焊縫中心的組織得到細化，晶粒更加細小，晶粒內部包含大量的針狀α相。與TIG焊相比，由于雙TIG過程中雙電弧力對熔池內部液態金屬相互擾動和攪碎枝晶的作用更強，且焊接速度快，晶粒來不及長大，最終形成細條狀和較小的鋸齒形晶粒。這與之前數值模擬所得的雙TIG焊熔池的最高溫度低于單TIG的熔池溫度結果相吻合。

2.4 TA2焊管的性能分析

參照 GB/T3625-2007《換熱器及冷凝管用鈦及鈦合金管》標準，對兩種焊接方法下純鈦TA2薄壁管進行力學性能測試，拉伸測試結果如表3所示。結果表明，單TIG焊和雙TIG焊的拉伸試樣的斷裂處具有明顯的縮頸，兩種焊接接頭的強度參數相近。雙TIG純鈦TA2拉伸、壓扁和擴口試驗結果如圖12所示，壓扁試驗后焊縫處無裂紋，擴口試驗擴大率為22%，焊縫處未發現裂紋。

φ19 mm×0.7 mm的雙TIG純鈦TA2薄壁管耐

腐蝕試驗檢測結果表明，在2倍濃縮海水，60～70 ℃條件下，測試時間不小于120 h，年平均腐蝕速率小于0.001 mm/a，而且各效蒸發器腐蝕樣管表面、焊縫處均未發生點蝕、縫隙腐蝕現象，可滿足多效蒸餾海水淡化過程中海水降膜流動沖刷、海水鹽霧等使用環境的要求。

3 結論

文中針對φ19 mm×0.7 mm的TA2薄壁焊接鈦管，結合數值模擬和焊接試驗，對比分析單TIG和雙TIG兩種焊接方法在焊接溫度場及殘余應力場的特點及其對接頭組織性能的影響。

（1）采用ABAQUS建立了較為準確的單TIG和雙TIG有限元模型，獲得了精確的焊縫輪廓尺寸;接頭模擬輪廓和實測結果相近，驗證了文中選用的雙橢球體熱源和對應熱彈塑性模型的有效性。

（2）模擬研究了薄壁焊接鈦管的焊接過程中溫度場分布和應力演變過程，雙TIG焊的焊縫中心溫度低于TIG焊;雙TIG焊縫附近Von Mises應力大于200 MPa的焊縫寬度小于TIG焊;焊后穩態時，兩種焊接方法在焊縫中心的Von Mises應力值相近。

（3）由于雙TIG過程中雙電弧力對熔池內部液態金屬相互擾動、攪碎枝晶的作用，以及較快的焊接速度，導致雙TIG的焊縫中心及熱影響區附近顯微組織較TIG焊細小;力學性能和耐海水腐蝕性能均滿足相關的檢測標準要求。

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收稿日期：2020-12-30

基金項目：國家重點研發計劃（2016YFB0301205）

作者簡介：王博士（1991—），男，博士，主要從事焊縫的疲勞性能分析的研究。E-mail：1036985987@qq.com。

通訊作者：孔 諒（1966—），男，博士，副研究員。E-mail：ingerkongliang@sjtu.edu.cn。