_______________________________作者简介：王纯(1972-)，女，西安交通大学工程硕士，高级讲师。
TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究Study on tungsten are welding process with activated flux of TC4 Ti alloy王纯[摘 要] 针对δ1.5和δ3.0的TC4钛板手工直流A-TIG 焊焊接质量、接头力学性能、显微组织及气孔形成的影响进行了系统的研究。
分析了各种焊接工艺参数对焊接质量的影响及其规律；利用材料拉伸试验机、金相显微镜、扫描电子显微镜和X 射线探伤等技术对焊接接头力学性能、接头显微组织及气孔缺陷等进行分析；对活性焊剂对接头组织的影响机理、TIG 焊接头气孔的形成原因和防止措施及活性焊剂对气孔形成的影响进行了分析和讨论。
[关键词] 钛合金；活性焊剂；氩弧焊1引言纯钛在室温下为密排六方结构，与体心立方金属相比，没有冷脆现象；钛的塑性较好，纯钛在室温下可进行冷轧，其厚度减缩率可超过90%，而不出现明显裂纹；钛及其合金倘若精细地去除杂质(主要是氧)，在-253℃下仍能保持相当好的塑性；钛合金有较高的高温强度，其工作温度可达550℃；钛很容易与氧生成稳定的氧化薄膜，在很多环境介质中比铝合金、不锈钢和铜合金有更高的腐蚀抗力[1]。
钛及其合金在工程上应用较晚，直到1952年才正式作为结构材料使用，这主要是因为钛与氧、氮、氢及碳这些元素有很强的亲和力和化学作用，致使钛及其合金的生产成本较高，但它在航空航天、舰船、兵器等军事工业部门中已得到了广泛应用，且发展很快。
随着钛合金在工业领域的推广应用，钛合金材料的焊接技术及工艺是其实用化必须解决的关键问题之一。
适于钛及其合金的焊接方法有很多，钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等熔化焊接方式在钛及钛合金的焊接中应用广泛。
随着焊件的具体情况，高频焊、爆炸焊、摩擦焊、扩散焊等也是常采用的焊接方法[2~4]。
目前，在钛产品焊接过程中，国内使用最普遍的是钨极氩弧焊(Tungsten Inert-Gas Arc Welding 简称TIG 或GTAW)，包括手工、自动或半自动。
国内钛设备制造过程中几乎95%以上的焊接工作是手工TIG 焊 [5]。
为了提高TIG 焊的焊接效率，降低成本，扩大TIG 焊的应用范围，国内外的焊接工作者进行了大量的研究。
近年来，一种新型高效的焊接方法——活性焊剂钨极氩弧焊(Activating Flux TIG ，简称A-TIG)越来越引起世界范围内人们的关注。
二十世纪六十年代中期乌克兰巴顿焊接研究所(PWI)进行钛合金焊接研究时发现涂敷活性焊剂可以显著增加TIG 焊的焊接熔深，并研制出了钛合金用活性焊剂。
到了二十世纪九十年代活性焊剂在焊接不锈钢、碳锰钢和低合金钢方面获得巨大的成功，并发展成A-TIG 焊—一种新型的焊接工艺方法。
此时，前苏联进入了A-TIG 焊技术的实用阶段，将其广泛用于电力、化工和航天等重要工业领域[6]。
继前苏联之后，1993年美国的爱迪生焊接研究所(EWI)与海军连接中心(NJC)合作，开始了TIG 焊用焊剂的研究，该项目总投资80万美元，主要用于开发不锈钢、碳钢、镍基合金及钛合金用的活性焊剂[7]。
日本近年来也开发了氩弧焊用焊剂，主要用于修复电厂热量管道焊接接头处常产生的裂纹，可不开坡口直接重熔进行修复。
英国焊接研究所(TEI)正在对活性焊剂的作用机理进行深入研究，其与巴顿焊接研究所(PWI)合作，致力于用于工业生产的氩弧焊用焊剂项目已取得进展，该项目总投资10万英镑[8]。
我国对A-TIG 焊技术的研究始于1998年前后，并已取得了初步成果。
兰州理工大学[9~16]、哈尔滨工业大学[17~22]、洛阳船舶材料研究所[23]、广船国际股份有限公司工艺研究所[24]、大连铁道学院[25]和陕西工学院[26]针对不锈钢、碳钢、铝合金用的活性焊剂进行了配方研制和增加焊接熔深机理的研究。
另外，北京航空制造工程研究所(航天625所)及西安航空材料研究所分别从乌克兰引进了钛合金和不锈钢活性剂的配方，并作了一定的研究。
本研究对TC4钛合金TIG焊和A-TIG焊的焊接工艺过程、接头组织特征、力学性能、焊接气孔及其形成机理等进行探讨，旨在为推进A-TIG焊工艺在钛合金结构件上的应用提供理论和实践依据。
2焊接试验2.1 工艺方案本实验采用手工直流TIG焊和A - TIG焊进行对比试验。
待焊材料为δ1.5和δ3.0的TC4钛板，接头形式采用常规平板对接，不开坡口，预留试样间隙分别为0.2mm和0.5mm，填加直径为1.6mm 和2.0mm 的TC4焊丝，单道焊。
焊前，对两种焊接方法的待焊试样均进行相同的处理措施。
在保证焊透的前提下，对焊接规范进行摸索，并最终确立两种焊接方法的焊接规范。
2.2 实验方法2.2.1焊接装置采用的焊接装置见图1。
图1 焊接装置示意图1）选用高纯氩气（纯度为≥99.999%）作保护气体，氩气瓶中的压力低于1.01MPa时，停止使用。
2）焊接电源为美国俄亥俄州林肯电气公司(The Lincoln Electric Company)生产的TIG375型交直流氩弧焊机，其网路电压波动不大于±10%，具有陡降外特性、有良好的动特性，能方便地调节焊接规范，并能在所需规范下稳定工作，引弧方式为高频引弧。
3）对焊枪喷嘴进行了改造(见图2)：增加缓冲室的长度和直径，将气流分为内、中、外三层；增加气体透镜装置，强制气体生成层流层，增加气流挺度，在气体透镜和喷嘴之间形成第三层保护气流层，进一步扩大保护范围；增加通道直径，扩大保护面积；减少通道长度，提高气体挺度。
4）电极采用钍钨极(EWTh-1)，用于δ1.5和δ3.0钛板的钨极直径分别为1.6mm和2.4mm。
在每条焊缝焊接之前，均重新研磨电极，使其端部为带有圆顶的锥形，以改善引弧，便于控制电弧方向，减小焊接过程中钨极的烧损以保证焊接参数一致。
缓冲室气体透镜通道图2 改造后的焊枪喷嘴部分2.2.2焊接工装高温下钛合金与氧、氮、氢等物理化学反应的亲和力大，易引起焊接接头脆化、接头裂纹、焊缝气孔等缺陷。
在大气中进行TIG焊时，焊接部位的正反两面都要用氩气保护。
事实上，钛合金的焊接成功与否，很大程度上取决于保护技术。
焊接时不仅要保护熔池，而且要保护已凝固、但温度尚在400℃以上的焊缝及高于此温度的热影响区，焊缝背面同样必须保护。
一般在焊枪后紧接一个通氩气的拖斗来实现对正面焊缝及热影响区的保护。
由图3焊枪和拖斗组合可以看出，拖斗由夹持扣、后拖箱体和进气口三部分组成。
夹持扣焊枪钨极后拖箱体进气口焊接方向图3 焊枪和拖斗组合图4 钛合金焊接保护拖罩示意图氩气流过带孔的金属散射屏(200目铜网)喷射到焊缝区，其长度与线能量、焊接速度成正比，保护宽度应足以包括焊道两侧处于高温的热影响区。
其示意图见图4。
为了减少焊接变形和保证焊接的质量，根据试样的尺寸、形状和焊接方法，设计了专用夹具(图5)。
带槽垫板、活动垫板和压板选用紫铜材料，散热效果好，可以加速焊缝的冷却，使焊缝的晶粒细化，提高焊缝的性能。
压板不仅用于固定试样及平对间隙，同时对焊接中的变形产生约束，以减少焊接残余变形。
带槽垫板上的方形槽可以保证焊缝反面成型，通以氩气，可完成对焊缝背面的保护。
其示意图见图6。
图5 焊接夹具示意图1-带槽垫板2-试样3-凹槽4-活动垫板5-压板6-压紧螺母图6 用带槽垫板对焊缝背面进行氩气保护的示意图2.2.3焊接过程工作间应整洁、干燥，室内温度不低于5℃，不允许有穿堂风。
试样对接面的错位不得超过薄板厚度的10%。
焊工在装夹和焊接过程中必须带手套，不得赤手触摸焊丝和试样。
先试焊一点，以检查表面清洁度和氩气、夹具的保护效果。
其方法是：引弧后，焊枪固定不动，填加几滴焊丝，然后熄弧，氩气继续保护，待冷却后，观察焊点区颜色，如果是银白色，即证明焊前清理效果、氩气纯度和夹具保护效果良好。
否则，检查清理程序、氩气纯度和夹具，找出原因并予以纠正，直至试焊出银白色的焊缝为止。
焊接电弧引燃之前，先通氩气10~15秒钟。
焊接结束，电弧熄灭后，应继续向焊缝区输送氩气10~15秒钟。
焊接过程中，焊丝端头应始终保留在保护气氛中。
已经变色的焊丝端头，在进一步施焊时，应将其去除。
每当焊接中断，应将焊丝端头切掉10mm，以去除污染区。
更换焊丝时，焊枪不要离开，继续通氩气保护。
在同一焊接工艺参数下，对不涂和涂有活性焊剂的对接试件分别施焊。
试验用焊接工艺参数见表1。
表1钛合金TC4的TIG、A-TIG焊焊接工艺参数厚度δ /mm焊接速度v/mm·min-1焊接电流I /A焊接电压U /V氩气流量Q/L·min-1Q正Q反Q拖1.5 100~210 50~90 7~10 10~12 3~4 6~12 3.0 110~500 120~200 10~14 12~15 4~6 13~18焊接时，观察比较焊接过程中电弧的变化及焊接电压的情况，焊完后观察试件表面焊缝成形情况，以确定两种焊接方法的焊缝表面及焊缝成形情况。
为了开发出成熟的A-TIG焊工艺，研究焊接电流、焊接速度等工艺参数对A-TIG焊焊缝形状的影响规律。
试验时，每次只变动表1中一个焊接参数，其它参数不变。
2.2.4 试样的制备与检测1）X射线探伤。
对TIG焊接和A-TIG焊接试样进行X射线探伤，以对比焊接接头气孔数量的差别和位置的变化。
2）接头性能测试。
按照《GB2649-89焊接接头机械性能试验取样方法》选取拉伸和弯曲的试样尺寸(图7、8)，在长春试验机厂产DL Y-6型6吨液压拉力试验机上进行拉伸和弯曲试验。
图7 拉伸试样尺寸图3）显微组织分析。
各种工艺试验焊接接头经磨平、抛光、腐蚀后制备成的金相试样，分别用光学显微镜和扫描电镜观察焊缝的显微组织形态。
3试验结果与讨论3.1保护气体流量对焊缝质量的影响以δ1.5的TC4钛板为例，采用140mm/min焊接速度作为基准来确定焊枪、拖斗和背面保护气体流量对焊缝质量的影响。
3.1.1焊枪保护气体流量的影响焊枪保护气体是焊缝正面保护的主要因素，自焊枪流出，主要保护熔池和处于高温区的焊缝。
正常的气体流量应该为10~12L/min，能够保证正面熔池和焊缝不受氧化，焊缝颜色处于银白色，并保证此状态持续至交于拖斗继续保护。
在保证拖斗和背面保护气体流量的条件下，随着焊枪保护气体流量从10L/min降低至8L/min时，焊缝金属的颜色由银白转为浅黄和深黄；继续降低焊枪的气体流量，焊缝颜色由黄色转变为蓝色，甚至表面出现白色粉末状的氧化层。
如果焊枪保护气体流量在12~15L/min之间，焊缝金属不会出现其它异常效果；继续增加气体流量，焊缝出现氧化色，银白色消失。
