厚壁焊接鈦管的等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接工藝研究

張躍龍 孔諒 牟剛 李芳 成家林 李亞軍 華學明 王敏

摘要：鈦及鈦合金厚壁焊管是海水淡化和海洋工程等行業的主要部件。采用前置直流等離子填絲+后置脈沖TIG電弧的雙槍焊法，無耦合的等離子焊+TIG焊形式利用等離子弧焊與TIG焊的優點實現了大口徑壁厚4 mm的TA1焊接鈦管的優質、穩定焊接。結果表明，隨著等離子氣體流量的增加，直流等離子填絲焊的熔深增加，厚壁鈦管全熔透;后置TIG電弧對已形成焊縫進行重熔，TIG焊脈沖頻率的增加可以降低焊縫晶粒尺寸，提高接頭性能，并對前置等離子填絲焊過程出現的咬邊等缺陷具有較好的修復作用。本方法不但擴大了焊縫成形的工藝窗口，而且焊接過程穩定，接頭抗拉強度達到354 MPa，經實際生產驗證，實現了厚壁焊接鈦管的低成本優質焊接生產。

關鍵詞：厚壁焊接鈦管;等離子填絲焊;脈沖TIG焊;焊縫成形;接頭組織和性能

中圖分類號：TG456.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0027-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.05

0? ? 前言

鈦及鈦合金的厚壁焊管是海水淡化、海洋工程和化學工業等行業的主要部件。在厚壁焊管生產過程中，傳統的鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極惰性氣體保護焊（MIG）等焊接方法因焊接速度較低，焊縫高溫停留的時間較長，造成焊接區晶粒有明顯的長大傾向，因此焊接接頭的綜合力學性能有所下降，從而影響焊接質量，已不能適應大型化工及海洋裝備市場快速發展的要求。

等離子焊接具有電弧溫度高、能量密度大、穿透力強、焊接速度快以及熱影響區小等優點，已廣泛應用于鈦及鈦合金、低碳鋼、不銹鋼等金屬的焊接[1]。但是等離子弧焊接在焊接速度較高時，熔融金屬來不及向熔池邊緣鋪展就已冷卻，導致焊縫存在咬邊等焊接缺陷。研究人員針對等離子高速焊接時的成形缺陷進行了相關研究：董文寧[2]等人將等離子打底焊和后續TIG 填絲蓋面焊兩種焊接工藝相結合，提高了厚壁不銹鋼的正背面成形穩定性;王波[3]等研究了低碳鋼等離子-TIG 耦合電弧復合填絲焊接的深熔焊接特性，獲得了穩定的單面焊接雙面成形焊接工藝。隨后有學者提出采用脈沖等離子填絲打底+TIG蓋面的方法，解決了10 mm以上厚度鈦及鈦合金構件在高速焊接時的表面質量問題[4-5]。

目前，針對不開坡口且壁厚在3～8 mm的焊接鈦管，優質、高效的焊接方法有待進一步完善。文中以典型的4 mm厚TA1鈦板為對象，采用等離子填絲+脈沖TIG的雙槍焊接方法，結合較為常用的直流等離子填絲焊的深熔特性，利用脈沖TIG電弧對焊縫組織的晶粒細化和性能改善機理[6-8]，以及TIG電弧對等離子焊縫成形缺陷的修整作用，在提高焊接接頭力學性能的基礎上，達到厚壁焊接鈦管的可靠焊縫成形，探索了大口徑厚壁焊接鈦管優質、高效、低成本的焊接工藝。

1 試驗材料及方法

試驗材料為昆鋼生產的4 mm×100 mm×400 mm工業純鈦TA1熱軋純鈦板（退火態），其化學成分如表1所示，抗拉強度340～490 MPa，延伸率30%。

首先采用鈦板等離子自熔焊的方法，以焊縫成形作為評價標準，研究等離子弧焊焊接參數對焊縫成形的影響;然后采用等離子填絲+脈沖TIG的雙槍進行鈦板對接焊試驗，探索雙槍焊工藝對焊縫成形和性能的影響，最終應用于實際生產。自主搭建的等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊試驗平臺如圖1所示。兩槍間距約為300 mm，由于等離子弧與TIG電弧不存在耦合，所以可以綜合兩種焊接方法的優勢得到具有一定熔深和細密魚鱗紋的焊接接頭。焊前首先打磨鈦板表面，然后對板材進行酸洗（HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶15）。焊后繼續通保護氣冷卻至室溫以防止氧化。

2 結果與討論

2.1 鈦板等離子自熔焊焊縫成形特征

等離子自熔焊焊接速度為40 cm/min，焊槍噴嘴距板材3 mm。自熔焊焊接參數及焊縫成形評價如表2所示，等離子自熔焊的焊縫宏觀成形及微觀組織如圖2所示。

由圖2可知，母材為尺寸一致的均勻α等軸晶;熱影響區主要由細晶區和粗晶區組成，組織由一定取向的α相+板條馬氏體組成;焊縫主要由尺寸較大的晶粒組成，組織為α相+板條馬氏體。

從焊縫成形的角度來看，試驗中隨著等離子氣體流量的增大，等離子流力增大，電弧穿透能力增強，TA1板材逐漸被熔透，熔深增加，背面焊縫熔寬隨之增大。與此同時，由熔池中心指向熔池邊緣的等離子流力也在增大，因此在相同電流的情況下，液態金屬更多地被推到熔池邊緣，使得咬邊程度減輕。同時，在相同的焊接速度和較大的等離子氣流條件下，隨著電流的增大，焊接熱輸入隨之增加，使得熔池冷卻較慢，因而焊縫背面熔寬增大，咬邊程度降低。

自熔焊焊接參數及焊縫成形評價結果表明，鈦合金等離子弧焊的焊縫成形易受到焊接參數的影響，特別是焊縫正面的咬邊現象比較嚴重，使得滿足穩定的焊縫成形的工藝窗口較小。

2.2 鈦板等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接工藝

鈦板等離子填絲焊+脈沖TIG雙槍焊的焊接工藝參數如表3所示，對接試驗的鈦板間隙量為0.2 mm。焊絲牌號TA2，直徑1.0 mm，送絲速度600 mm/min。起弧階段焊槍噴嘴距板材3 mm，不送絲。起弧后，焊槍迅速抬高至距離板材6 mm處，開始送絲。由于等離子弧的能量一部分用來熔化焊絲，因此等離子弧焊的電流增大到190 A。

等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊的焊縫宏觀照片如圖3所示，雙槍焊的焊縫微觀組織及焊縫成形如圖4所示。可以看到焊縫表面存在較淺的細密魚鱗紋，母材組織為尺寸均勻一致的α等軸晶，熱影響區主要由細晶區和粗晶區組成，組織為具有一定取向的α相+板條馬氏體，焊縫主要由尺寸較大的晶粒組成，組織為α相+板條馬氏體組織;焊縫成形良好。

與圖2a相比，雙槍焊試驗的等離子弧焊電流由170 A增至190 A，加之有脈沖TIG重熔焊縫，因此熱輸入量較大，接頭熱影響區平均寬度有所增加，熱影響區的晶粒尺寸增大。而在TIG脈沖電弧對熔池的攪拌作用下，焊縫中的晶粒尺寸有所下降。說明雙槍焊工藝中的脈沖TIG電弧不僅可以得到細密的魚鱗紋，改善等離子高速焊接中出現的焊縫咬邊現象，還可以細化晶粒，有助于提高接頭強度。

焊接接頭拉伸試驗按照國標GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》執行，為避免焊縫余高及錯邊的影響，本試驗拉伸試樣采用切片打磨的方法獲得。3根板材對接試樣的拉伸曲線如圖5所示，斷裂試樣的宏觀照片如圖6所示。3根試樣均斷裂在母材處，抗拉強度平均值約為354 MPa。根據GB/T 3621-2007 《鈦及鈦合金板材標準》，TA1抗拉強度要求不小于240 MPa，因此母材符合要求。另一方面，可以推測接頭抗拉強度不小于354 MPa，參考CB/T 4363-2013 《船用鈦及鈦合金焊接工藝評定標準》，焊接接頭滿足標準要求。

結合前期試驗結果，搭設實際鈦管焊接生產線。由于管件拘束度較大，為降低殘余應力，提高強度，將TIG脈沖的焊接頻率增加至10 Hz。鈦管等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接的實際焊接生產線如圖7所示，直徑108 mm大口徑卷焊鈦管的焊后試樣如圖8所示，焊縫截面的微觀組織及焊縫成形如圖9所示。

對比圖4，圖9中卷焊鈦管的焊縫和熱影響區晶粒尺寸均降低，進一步說明TIG電弧的頻率增加促進了焊接熔池的冷卻，有助于減小晶粒尺寸，因而可獲得合格的大口徑厚壁卷焊鈦管。

3 結論

（1）對于鈦板的等離子弧自熔焊，當等離子氣體流量由2.25 L/min增加到3.25 L/min時，熔深增加，咬邊程度降低。

（2）對于等離子填絲+脈沖TIG雙槍焊接，等離子弧焊可以實現4 mm鈦板對接焊接，脈沖TIG焊可修補等離子填絲焊過程中出現的咬邊等缺陷。

（3）脈沖TIG焊頻率的增加可以減小焊縫晶粒尺寸，提高接頭性能;拉伸試樣均斷在母材處，接頭強度達到354 MPa。

（4）經實際生產驗證，等離子填絲+脈沖TIG的雙槍焊接方法可實現厚壁焊接鈦管的高效、可靠焊接。

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