草稿厚板鈦合金窄間隙tig焊接工藝研究畢業(yè)論文

1、<p>　　厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝研究</p><p><b>　　崔 慶 龍</b></p><p>　　院 (系)： 材料科學(xué)與工程 專 業(yè)：焊接技術(shù)與工程</p><p>　　學(xué)　　號(hào)： 1072910104 指導(dǎo)教師： 呂世雄 馮吉才</p><p>&

2、lt;b>　　2011年6月</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 厚板鈦合金窄間隙TIG</p><p><b>　　焊接工藝研究</b></p><p>　　專 業(yè) 焊接技術(shù)與工程

3、</p><p>　　學(xué)　　 號(hào) 1072910104 </p><p>　　學(xué) 生 崔 慶 龍 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 呂世雄 馮吉才 </p><p>　　答 辯 日 期 2011年6月29日 <

4、;/p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)</p><p>　　姓名： 崔 慶 龍 學(xué)號(hào)： 1072910104 專業(yè)： 焊接技術(shù)與工程 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝研究 </p><p>　　工作起止日期： 2010 年 10 月

5、 8 日起 2010 年 6 月 29 日止</p><p>　　指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況，完成質(zhì)量及評(píng)分意見(jiàn)：</p><p>　　______________________________________________________________________________________________________________________

6、____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7、_________________________________________ ____________</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： 指導(dǎo)教師職稱： </p><p><b>　　評(píng)閱人評(píng)閱意見(jiàn)：</b></p>

8、;<p>　　______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9、_______________________________________________________________________________________________________________________________ _______</p><p>　　_____________________________________________________

10、________________________________________________________________________________ ___</p><p>　　___________________________________________________________ _________</p><p>　　_________________

11、________ __</p><p>　　評(píng)閱教師簽字：_________ ______ 評(píng)閱教師職稱：_________ _____</p><p><b>　　答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：</b></p><p>　　_______________

12、____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

13、_________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的材

14、料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會(huì)作出如下評(píng)定：</p><p>　　學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績(jī)?cè)u(píng)定為： </p><p>　　對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的特殊評(píng)語(yǔ)：</p><p>　　_______________________________________________________________

15、____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

16、_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________<

17、;/p><p>　　答辯委員會(huì)主任（簽字）： 職稱：______ __________</p><p>　　答辯委員會(huì)副主任（簽字）： </p><p>　　答辯委員會(huì)委員（簽字）：___________ ___________ ____

18、_______ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________</p><p>　　年 月 日</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)

19、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　解決4500mm級(jí)深海探測(cè)器制造過(guò)程中關(guān)于厚板鈦合金焊接的問(wèn)題，同時(shí)推動(dòng)厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門(mén)的廣泛應(yīng)用，提出窄間隙條件下TIG焊，作為一種高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法。</p><p>　　本文采用TIG電弧焊方法，窄間隙條件下多層

20、焊的方式，以Ti-4Al-2V為填充焊絲，對(duì)厚板TC4鈦合金進(jìn)行了焊接。焊接試驗(yàn)中設(shè)置不同的坡口尺寸，一些列變化的焊接電流及氣體保護(hù)流量參數(shù)，進(jìn)行多組焊接試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)焊接接頭宏觀及微觀組織分析、對(duì)比不同參數(shù)下的力學(xué)性能測(cè)試，優(yōu)化參數(shù)，確定最佳的厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝。</p><p>　　工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，電流在180A~240A之間可以得到完整可靠的焊接接頭，焊接過(guò)程中78mm厚鈦合金試板的橫向收縮為4

21、.5mm，接頭區(qū)域狹窄且無(wú)明顯分區(qū)。通過(guò)微觀金相分析，明晰了窄間隙焊接條件下晶粒生長(zhǎng)規(guī)律與組織特征，發(fā)現(xiàn)電流變化對(duì)于晶粒和組織影響甚微。力學(xué)性能測(cè)試表明，窄間隙接頭因嚙合強(qiáng)化而使得接頭強(qiáng)度得到提高，而且隨著電流的增大，焊縫熔合比的增大使得接頭性能進(jìn)一步提高。溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果符合焊接熱循環(huán)變化規(guī)律，同時(shí)因?yàn)殁伜辖鸬奈锢硇阅芴攸c(diǎn)而呈現(xiàn)出其特殊性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：厚板鈦合金；窄間隙TIG；顯微組織；力學(xué)性能

22、；溫度場(chǎng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　To solve the welding problem in manufacturing 4500mm level bathyscaphe and propel the development of thick titanium alloys structures in indust

23、rial, narrow-gap TIG welding of thick titanium alloys is proposed as an efficient and economical method.</p><p>　　Narrow-gap TIG welding of TC4 by using Ti-4Al-2V filler metal with multilayer welding way, ex

24、periments have been done under the different sizes of groove and serials of currents and protecting gas-flowrates, to determine the optimum welding parameters after the metallographic analysis and mechanical properties t

25、esting of welding joint.</p><p>　　Results of welding technology experiment shows that the reliable joint can be obtained under the current of 180A-240A, welding lateral contraction is about 4.5mm in 78mm tit

26、anium plate, and the joint is narrow with no marked division. Metallographic analysis of narrow-gap TIG welding joint shows the rules of grain growth and microstructure characteristics, the changing of currents has littl

27、e effect on the size of grain and microstructure. The tensile test shows that the tensile strength of join</p><p>　　Keywords: thick titanium alloys; narrow-gap TIG; microstructure; mechanical property; weld

28、ing temperature field</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1課題背景及研究的目的和意

29、義1</p><p>　　1.2厚板鈦合金焊接性分析2</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析3</p><p>　　1.3.1 MIG多層多道焊3</p><p>　　1.3.2窄間隙TIG4</p><p>　　1.3.3電子束焊接4</p><p>　　1.4厚板鈦合金

30、窄間隙TIG焊接5</p><p>　　第2章 焊接工藝試驗(yàn)7</p><p>　　2.1焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制作7</p><p>　　2.1.1焊槍的設(shè)計(jì)及制作7</p><p>　　2.1.2保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造8</p><p>　　2.2 試驗(yàn)材料和坡口10</p><p&g

31、t;　　2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法11</p><p>　　2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備11</p><p>　　2.3.2 窄間隙TIG多層焊11</p><p>　　2.4 微觀組織分析13</p><p>　　2.4.1金相組織觀察13</p><p>　　2.4.2 SME成分分析13</p>&

32、lt;p>　　2.5力學(xué)性能測(cè)試13</p><p>　　2.5.1硬度測(cè)試13</p><p>　　2.5.2強(qiáng)度測(cè)試13</p><p>　　第3章 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭顯微組織分析15</p><p>　　3.1鈦合金窄間隙TIG多層焊焊接接頭宏觀16</p><p>　　3.2鈦合金窄

33、間隙TIG多層焊接頭晶粒生長(zhǎng)規(guī)律17</p><p>　　3.3鈦合金窄間隙TIG焊接接頭微觀組織分析19</p><p>　　3.3.1 鈦及鈦合金同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變19</p><p>　　3.3.2 TC4鈦合金在不同溫度條件下的相變特點(diǎn)19</p><p>　　3.3.3 鈦合金窄間隙TIG焊接接頭微觀組織分析20</p&g

34、t;<p>　　3.4焊縫區(qū)域成分分析22</p><p>　　3.5本章小結(jié)24</p><p>　　第4章 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試25</p><p>　　4.1 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭的顯微硬度分布25</p><p>　　4.2 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭強(qiáng)度26</p&g

35、t;<p>　　4.3厚板鈦合金窄間隙TIG焊焊縫斷口分析28</p><p>　　4.4本章小結(jié)28</p><p>　　第5章 焊接變形與焊接溫度場(chǎng)的測(cè)定30</p><p>　　5.1 78mm厚鈦合金窄間隙TIG焊接變形測(cè)量30</p><p>　　5.1.1窄間隙TIG焊接坡口尺寸的確定30</p>

36、;<p>　　5.1.2 78mm厚鈦合金窄間隙TIG焊接變形的測(cè)量31</p><p>　　5.2厚板鈦合金窄間隙TIG焊接溫度場(chǎng)的測(cè)定33</p><p>　　5.2.1焊接溫度場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)33</p><p>　　5.2.2溫度場(chǎng)曲線分析34</p><p>　　5.3本章小結(jié)37</p><p

37、><b>　　結(jié) 論38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致 謝41</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1課題背景及研究的目的和意義&l

38、t;/p><p>　　巨大的勘測(cè)難度使深海勘測(cè)一直居于地球科學(xué)的前沿。這種勘探要求大額投入和尖端技術(shù)，這是中國(guó)發(fā)展深海探測(cè)一個(gè)繞不過(guò)去的坎兒。</p><p>　　國(guó)際在線報(bào)道：中國(guó)國(guó)際廣播電臺(tái)環(huán)球資訊午間話題關(guān)注“蛟龍”號(hào)深海探測(cè)器突破3700米事件。中國(guó)科技部、國(guó)家海洋局聯(lián)合發(fā)布：我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的國(guó)家863計(jì)劃重大專項(xiàng)“蛟龍”號(hào)（如圖1-1）載人潛水器在中國(guó)南海3000米級(jí)海上

39、試驗(yàn)取得成功，最大下潛深度達(dá)到3759米，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè)9小時(shí)03分的紀(jì)錄，驗(yàn)證了“蛟龍”號(hào)載人潛水器在3000米級(jí)水深的各項(xiàng)性能和功能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國(guó)深海載人探測(cè)已取得相當(dāng)大的成就。</p><p>　　取得成績(jī)的同時(shí)我們也要看到差距，美國(guó)1964年建造的“阿爾文”號(hào)載人潛水器即可下潛到4500m的深海；法國(guó)1985年研制成的“鸚鵡螺”號(hào)潛水器最大下潛深度可達(dá)6000m；我們的鄰居俄羅斯和日本已經(jīng)完成了

40、深海6000m級(jí)水深的探測(cè)數(shù)千次。中國(guó)載人深海探測(cè)這條路任重而道遠(yuǎn)。</p><p>　　依據(jù)全國(guó)第11個(gè)五年計(jì)劃，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863專項(xiàng)）中海洋技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略目標(biāo)是：“深化近淺海、開(kāi)拓深遠(yuǎn)?！?。該部分內(nèi)容旨在開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的實(shí)用型潛水設(shè)備，建設(shè)和維護(hù)深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以及勘探和海底取樣。項(xiàng)目計(jì)劃開(kāi)發(fā)在水下4500米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。如圖1-3所示，該潛水器是一個(gè)直徑約為2m，壁厚90mm的球形容器，由

41、12塊弧瓣形鈦合金板拼焊而成。</p><p>　　鈦合金具有密度小、比剛度、比強(qiáng)度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、海洋工程、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]，鈦合金在海洋工況下使用極具優(yōu)勢(shì)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視鈦材在艦船領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是原蘇聯(lián)全鈦耐壓殼核潛艇的成功制造，標(biāo)志著鈦材在艦船中應(yīng)用的重大突破[2]。</p><p>　　鈦合金能以更輕的

42、重量抵抗更強(qiáng)的水壓，而且又極耐海水腐蝕，是制造深海探測(cè)器的首選材料。深海探測(cè)器的設(shè)計(jì)厚度是90mm，因此如何完成厚板鈦合金的焊接，成為深海探測(cè)器制造的關(guān)鍵問(wèn)題。</p><p>　　本課題的研究，正是致力于深海探測(cè)器制造過(guò)程中鈦合金焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)。從更深遠(yuǎn)的角度來(lái)看，近年來(lái)厚板鈦合金結(jié)構(gòu)在石油、化工、能源等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，而且上述工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ阝伜辖鸬膽?yīng)用由以厚板焊接結(jié)構(gòu)居多，因此一種高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用

43、于焊接厚板鈦合金的方法對(duì)于推動(dòng)厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著重要意義。</p><p>　　本論文主要是針對(duì)4500m級(jí)深海探測(cè)器項(xiàng)目中厚板鈦合金焊接工藝進(jìn)行研究，分析焊接接頭組織和性能的基礎(chǔ)上確定最佳的焊接過(guò)程參數(shù)，同時(shí)更深入的探究厚板鈦合金焊接結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律及應(yīng)力、變形的控制等問(wèn)題，為鈦合金深海探測(cè)器制造及厚板鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。</p><p>　　1.

44、2厚板鈦合金焊接性分析</p><p>　　常溫下鈦合金因表面氧化膜的作用而保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性能，在焊接高溫下，鈦合金表面氧化膜變得疏松，使鈦與氫、氧、氮的反應(yīng)速度加快，降低了焊接接頭的塑韌性。如果鈦合金在無(wú)保護(hù)或者保護(hù)不良的情況下進(jìn)行焊接，焊接接頭會(huì)因?yàn)殚g隙元素的污染而導(dǎo)致接頭的脆化。</p><p>　　因?yàn)殁伒娜埸c(diǎn)高，比熱容小，導(dǎo)熱性能差，所以在焊接時(shí)冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)高溫

45、下停留時(shí)間長(zhǎng)，β晶粒在高溫下極易過(guò)熱粗化，導(dǎo)致接頭的塑韌性下降。但對(duì)于TC4這樣的雙相鈦合金，由于合金化程度高，晶粒長(zhǎng)大傾向相對(duì)較小，所以，在焊接TC4時(shí)宜采用較大的焊接熱輸入。</p><p>　　氣孔是鈦及鈦合金在焊接時(shí)最常見(jiàn)的焊接缺陷[3]。鈦合金焊接接頭中的氣孔主要分為兩類，在焊接熱輸入較大時(shí)熔合線附近形成氣孔，在焊接熱輸入較小時(shí)焊縫中部產(chǎn)生氣孔。氣孔的存在會(huì)降低接頭的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。氣孔敏感性與焊接

46、方法、工藝等因素都有關(guān)，冷卻速度的快慢對(duì)氣孔的影響主要由周圍氣體擴(kuò)散使氣泡長(zhǎng)大和氣泡上浮時(shí)間兩個(gè)相互矛盾的因素決定。一般來(lái)說(shuō)，電子束焊接氣孔最多，等離子最少，氬弧焊趨于中間。</p><p>　　本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)深潛器的壁厚為90mm，厚板材料在焊接時(shí)必然會(huì)引起較大的焊接應(yīng)力和變形，而且厚板材料焊接時(shí)常加工成U形或V形坡口，以多層多道焊的方式進(jìn)行焊接，填充金屬量過(guò)大是這種焊接方法一個(gè)很大的不足[4]，不僅浪費(fèi)了焊接材

47、料，而且因?yàn)闊彷斎肓窟^(guò)大而使得接頭性能變差。</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析</p><p>　　國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈦合金板焊接工藝的研究較多，但是多數(shù)限于薄板研究，對(duì)于這種厚板鈦合金焊接的研究很少。用于焊接厚板鈦合金主要有以下幾種方法：</p><p>　　1.3.1 MIG多層多道焊</p><p>　　法國(guó)的E.Budillon

48、和J.P.Peyronnet做過(guò)海底實(shí)驗(yàn)室用鈦合金厚板的焊接及評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)用板厚為20mm，用TIG打底，MIG填充的方法對(duì)鈦合金厚板進(jìn)行焊接。</p><p>　　采用MIG焊時(shí)，開(kāi)坡口如圖1-4。因其需要繁瑣的保護(hù)措施，而且效率較低，所以他們得出的結(jié)論是MIG焊接方法并不適合于焊接鈦合金厚板[5]。</p><p>　　1.3.2窄間隙TIG</p><p>　　

49、國(guó)內(nèi)船舶重工工業(yè)集團(tuán)的張偉明等人利用窄間隙TIG自動(dòng)焊的方法，焊接了40mm厚的TA2（工業(yè)純鈦）試板（如圖1-5），并對(duì)焊接后接頭的組織和性能進(jìn)行了分析。</p><p>　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用窄間隙TIG的方法可以得到無(wú)缺陷的焊縫，焊接接頭性能良好，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接接頭因?yàn)檎g隙條件焊接，使得接頭的強(qiáng)度較常規(guī)坡口焊接條件下下強(qiáng)度高[6]。</p><p>　　1.3.3電子束焊接</p&g

50、t;<p>　　電子束焊接以其能量密度高，焊接速度快，焊縫深寬比大等特點(diǎn)，特別適合于厚板的焊接。國(guó)內(nèi)大連交通大學(xué)的宮平，羅宇等人使用電子束焊接的方法，焊接了20mm的TC4板，并研究了不同聚焦電流對(duì)焊縫成形的影響。</p><p>　　發(fā)現(xiàn)聚焦電流對(duì)焊縫形狀的影響作用很大，聚焦電流不同，焊縫形狀各異。當(dāng)控制聚焦電流使電子束焦點(diǎn)落在工件表面附近一定區(qū)域內(nèi)時(shí)，焊接熔深、熔寬和焊縫寬度比值隨著焦點(diǎn)位置的不

51、同表現(xiàn)出不同值，而后隨著焦點(diǎn)位置的上移或下移，焊接熔深和深寬比H/B不斷減小，熔寬和焊縫寬度不斷增加[7]。</p><p>　　美國(guó)機(jī)械學(xué)會(huì)N.Saresh等人嘗試在正確的參數(shù)下焊接17.5mm厚的法蘭盤(pán)環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)(如圖1-8所示)。</p><p>　　焊接結(jié)果顯示，采用單面電子束焊接一次無(wú)法熔透17.5mm厚的鈦合金板，因?yàn)楹附舆^(guò)程中缺乏可重復(fù)性的焊接參數(shù)。如果采用如圖1-9所示雙面

52、焊接的方式，可以達(dá)到優(yōu)良的焊接接頭，接頭的性能也得到的提升[8]。</p><p>　　分析上述國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在焊接厚板鈦合金方面電子束焊接是比較有優(yōu)勢(shì)的焊接方法，電子束焊接具有焊接速度高，焊接變形小，熱效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)[9]，特別適合于厚板活潑金屬的焊接，但焊接生產(chǎn)成本高，且試件尺寸受真空室限制[10-11]；相比之下，采用氬弧焊的方法，工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，可以有效解決大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)問(wèn)題[12-13]

53、，如果是以開(kāi)V形坡口，多層多道方式焊接厚板鈦合金，焊接效果并不理想，以窄間隙TIG的方式焊接厚板鈦合金板有一定的借鑒意義，但是必須在良好的保護(hù)下進(jìn)行焊接。</p><p>　　1.4厚板鈦合金窄間隙TIG焊接</p><p>　　鑒于此，提出一種利用手工氬弧焊，窄間隙條件下焊接厚板鈦合金的方法，并配以良好的惰性氣體保護(hù)措施。TIG焊是所有焊接方法中應(yīng)用面最廣的，對(duì)有色金屬及其合金如鈦合金的

54、焊接最具優(yōu)勢(shì)[14]。窄間隙焊接不僅可大幅度的減少坡口截面積、大大減少焊縫金屬的填敷量，而且在相對(duì)少的焊接熱輸入下，解決了開(kāi)坡口困難、焊接速度緩慢，焊后板材應(yīng)力變形大等問(wèn)題[15]。</p><p>　　本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（TC4）厚板，對(duì)厚板鈦合金的焊接工藝進(jìn)行深入研究，探究最優(yōu)的焊接參數(shù)和提高焊接接頭強(qiáng)度的有效途徑，得到質(zhì)量?jī)?yōu)良的接頭的同時(shí)，對(duì)接頭性能進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步分析影響接頭性能的主要

55、因素。</p><p>　　針對(duì)厚板鈦合金窄間隙TIG焊接，研究?jī)?nèi)容主要圍繞以下幾個(gè)方面研究：</p><p>　　焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造</p><p>　　厚板鈦合金焊接工藝的確定及參數(shù)的優(yōu)化</p><p>　　焊接接頭金相組織的觀察和力學(xué)性能的測(cè)試</p><p>　　焊接溫度場(chǎng)的測(cè)量及焊接變形控制的分析&

56、lt;/p><p>　　第2章 焊接工藝試驗(yàn)</p><p>　　2.1焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制作</p><p>　　2.1.1焊槍的設(shè)計(jì)及制作</p><p>　　作為氬弧焊機(jī)重要組成部分之一的氬弧焊槍，其作用是夾持鎢極、傳導(dǎo)焊接電流和輸送保護(hù)氣。焊槍的設(shè)計(jì)要根據(jù)所焊材料的種類和結(jié)構(gòu)狀況而決定，具體來(lái)說(shuō)焊槍的設(shè)計(jì)要考慮焊接電流的大小、焊接結(jié)構(gòu)

57、所處的具體工況、焊接工人的可操作性等，一把合適的氬弧焊槍的設(shè)計(jì)要考慮多方面的因素。</p><p>　　試驗(yàn)方案提出焊接厚板鈦合金的方法為窄間隙TIG多層焊。首先，鈦合金焊接時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向并不明顯，同時(shí)為保證窄間隙多層焊時(shí)側(cè)壁熔合良好，宜采用較大的熱輸入。焊接前估計(jì)所使用焊接電流值100A~300A，因此，所設(shè)計(jì)焊槍?xiě)?yīng)承受較大的焊接電流，這要求焊槍必須有良好的冷卻系統(tǒng)；窄間隙坡口是窄而深的間隙，采用TIG焊的方法

58、在窄間隙坡口條件下焊接，焊槍的氣體保護(hù)噴嘴必須深入到窄間隙坡口中，對(duì)焊接區(qū)充分的保護(hù)。這要求所設(shè)計(jì)的焊槍噴嘴能深入到所開(kāi)窄間隙坡口中；本項(xiàng)目旨在制造直徑兩米的球形容器，整個(gè)球體共有6條經(jīng)線焊縫和1條赤道環(huán)焊縫，全部由焊工手工操作完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)焊工的要求較高?？紤]到上述因素，所設(shè)計(jì)焊槍的體積越小越好，盡可能的輕質(zhì)，以減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證焊接質(zhì)量。</p><p>　　綜合考慮上述因素，抓住所設(shè)計(jì)焊槍冷卻好

59、、質(zhì)量輕及細(xì)長(zhǎng)陶瓷噴嘴三個(gè)主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了適合于窄間隙、大電流下焊接的焊槍。</p><p>　　焊槍黃銅制主體如圖2-1所示，總長(zhǎng)度40mm，保證了槍體輕質(zhì)的特點(diǎn)，減輕了焊接工人負(fù)擔(dān)；特制的陶瓷噴嘴（圖2-2所示）外徑D只有10mm，長(zhǎng)度L卻達(dá)到了63mm，可以深入窄間隙坡口中進(jìn)行焊接；焊槍具有良好的水冷系統(tǒng)，試驗(yàn)證明即使在較大的焊接電流下長(zhǎng)時(shí)間焊接，焊槍也不會(huì)過(guò)熱。</p><p>

60、;　　最終完整的槍體設(shè)計(jì)圖如圖2-3所示。</p><p>　　2.1.2保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造</p><p>　　常溫下鈦表面鈍化層（氧化膜）的致密性極強(qiáng)，使得鈦非常穩(wěn)定。但在溫度升高過(guò)程中，鈦對(duì)氫、氧和氮的吸收能力不斷加強(qiáng)[16]。焊接過(guò)程中，隨著溫度的升高，鈦從250℃開(kāi)始吸氫，400℃開(kāi)始吸氧，600℃開(kāi)始吸氮。采用常規(guī)的氬弧焊填絲焊接時(shí)，從焊槍噴出的氣體形成的保護(hù)層只能很好的保護(hù)

61、熔池，對(duì)已凝固而尚處于高溫狀態(tài)的焊縫及熱影響區(qū)則無(wú)保護(hù)作用。此時(shí)焊縫及熱影響區(qū)會(huì)因吸收空氣中的氮和氧而導(dǎo)致塑性下降。因此，在鈦及鈦合金的焊接中，必須使用氬氣進(jìn)行大范圍保護(hù)或置于真空環(huán)境中，以防止大氣污染[16]。因此鈦合金的焊接衍生出兩種方式：箱內(nèi)焊接和敞開(kāi)式焊接。本課題所焊球體不適于在充有惰性氣體的箱內(nèi)焊接，而敞開(kāi)式焊接時(shí)必須施以保護(hù)措施。</p><p>　　鈦合金敞開(kāi)式焊接依靠焊炬噴嘴、拖罩（圖2-4所示）

62、和背面保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)[3]。拖罩是敞開(kāi)式鈦合金焊接時(shí)最常用，也是最有效的保護(hù)措施，但是拖罩并不是適用于窄間隙坡口下的焊接。如圖2-5所示為本課題設(shè)計(jì)的雙U形窄間隙坡口，坡口坡角小，窄而深，普通的拖罩根本無(wú)法深入其中，而拖罩浮于試板表面時(shí)會(huì)造成坡口中氣體的紊流，使保護(hù)效果變差。焊接蓋面過(guò)程中，相當(dāng)于薄板的焊接，拖罩還是可以起到保護(hù)作用的。</p><p>　　針對(duì)于本課題雙U形窄間隙坡口，設(shè)計(jì)了一種能夠深入坡口中

63、的“拖罩”（圖2-6所示）。</p><p>　　實(shí)際上這種“拖罩”是一只通有氬氣的銅管，深入坡口中，跟隨焊槍對(duì)焊接高溫區(qū)進(jìn)行保護(hù)。由于窄間隙坡口窄而深的特征，接近于垂直的坡口側(cè)壁形成兩側(cè)天然的氣槽，加之氬氣的密度大于空氣，氬氣會(huì)聚集于坡口之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接高溫區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)，保護(hù)銅管實(shí)物圖如2-7a所示。</p><p>　　焊接試板的背面同樣需要保護(hù)，設(shè)計(jì)利用單側(cè)帶膠的鋁箔貼于試板背側(cè)（

64、如圖2-6所示），將坡口封閉成密閉空腔，也同樣通氬氣保護(hù)。</p><p>　　蓋面時(shí)所使用拖罩的設(shè)計(jì)也具有突出的特點(diǎn)，拖罩前部的弧形結(jié)構(gòu)，可以更好的貼合焊槍噴嘴，給予焊接區(qū)最充分的保護(hù)；整個(gè)拖罩分為兩部分，兩部分有獨(dú)立的供氣系統(tǒng)（如圖2-7b所示），前部分氣室較小（如圖2-7c所示），可以使氣流更集中，這對(duì)于焊接試板邊緣特別有意義，可以更好的保護(hù)試板邊緣，即在沒(méi)有引弧板的情況下也可以達(dá)到良好的焊接效果；拖罩內(nèi)的

65、銅網(wǎng)使氣體更均勻的噴出。</p><p>　　2.2 試驗(yàn)材料和坡口</p><p>　　本實(shí)研究過(guò)程中所用的母材為T(mén)C4（Ti-6Al-4V）鈦合金，厚度78mm。TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金屬于α+β鈦合金。Ti-6Al-4V含有6%的α穩(wěn)定元素Al和4%的β穩(wěn)定元素V，其主要化學(xué)成分如表2-1所示，熱處理狀態(tài)為650℃保溫3小時(shí)，隨爐冷卻。其退火后平衡組織以α相為主，β相含量通

66、常9-30%。</p><p>　　本試驗(yàn)所用填充材料可以選擇與母材同質(zhì)的TC4鈦合金焊絲，考慮到厚板結(jié)構(gòu)焊接后接頭應(yīng)力水平較高，接頭可能會(huì)因?yàn)樗苄圆蛔愣鴮?dǎo)致開(kāi)裂。因此選用塑韌性較好的近α鈦合金Ti-4Al-2V。近α鈦合金是α固溶體和少量β相（2%-8%）組成，保留了α合金與α+β雙相合金的許多優(yōu)點(diǎn)[17]。因此近α鈦合金具有較好的強(qiáng)度和塑韌性，其塑韌性要好于TC4，其成分見(jiàn)表2-1。</p>&

67、lt;p>　　表2-1 TC4鈦合金與Ti-4Al-2V焊絲化學(xué)成分表 (wt.%)</p><p>　　試驗(yàn)所用板材和焊絲由陜西省寶雞鈦業(yè)股份有限公司提供，試板尺寸為377mm×98mm×78mm的TC4鈦合金板（多對(duì)）。鈦合金窄間隙焊接工藝的研究較少，并不確定雙U形坡口的具體尺寸，因此本次焊接工藝試驗(yàn)選用了兩種尺寸的雙U形窄間隙坡口，坡口尺寸如圖2-8a、b所

68、示，通過(guò)焊接過(guò)程中變形情況的測(cè)量和分析進(jìn)而確定最佳的坡口尺寸。</p><p>　　焊前對(duì)坡口及兩側(cè)各25mm以內(nèi)的表面進(jìn)行清理，清除表面的污染物，而后進(jìn)行清洗和干燥，并盡快焊接。</p><p>　　2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法</p><p>　　2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備</p><p>　　根據(jù)厚板鈦合金窄間隙焊接特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制造了具有質(zhì)量輕、冷

69、卻好、可深入窄間隙坡口內(nèi)焊接等特點(diǎn)的焊槍以及窄間隙下特殊的保護(hù)裝置，如圖2-9a、b、c所示。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中采用普通直流TIG焊機(jī)，在室溫條件下，采用直流電流進(jìn)行焊接。焊接過(guò)程中，工件置于銅質(zhì)工作臺(tái)上，采用手工操作的方式進(jìn)行焊接。</p><p>　　2.3.2 窄間隙TIG多層焊</p><p>　　實(shí)驗(yàn)前，在一對(duì)鈦板上加工雙U形窄間隙坡口，并用細(xì)

70、砂紙打磨坡口附近和焊絲表面氧化膜，再用丙酮清洗，清除母材和焊絲表面油污。將試件置于工作臺(tái)上，背面用鋁箔封好后通氬氣保護(hù)。整個(gè)焊接系統(tǒng)的示意圖如圖2-10所示。</p><p>　　焊接過(guò)程中，深入窄間隙坡口的通氬銅管中氬氣流量很重要，焊接過(guò)程中氬氣流量過(guò)大，造成氣體在坡口間隙中的紊流，混入空氣而使保護(hù)效果變差；氬氣流量過(guò)小，同樣起不到良好的保護(hù)效果。因此選擇在銅管中氬氣流量從10L/min至20L/min條件下焊

71、接，觀察焊縫顏色變化，確定最佳的焊接氣流量。</p><p>　　為了確定窄間隙鈦合金焊接的最佳電流參數(shù)，同時(shí)研究不同電流參數(shù)對(duì)于焊接接頭組織和性能的影響，根據(jù)已有文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，確定電流的大致范圍在100A~300A，本試驗(yàn)中分別在120A、180A、240A和300A條件下進(jìn)行鈦合金窄間隙TIG焊接試驗(yàn)，焊接工藝試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)如表2-2所示。采用多層焊的方式，層間溫度控制在100℃以下，焊接平均速度10cm/mi

72、n，單層填充金屬厚度約為3mm。</p><p>　　表2-2 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)</p><p>　　厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)拘束度大，焊接殘余應(yīng)力較高，應(yīng)力集中較大。本試驗(yàn)中所用78mm厚鈦合金板，即使在窄間隙下焊接，接頭中還是會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力。過(guò)大的殘余應(yīng)力對(duì)接頭的拉伸、剛度、疲勞等性能早成較大的影響。本試驗(yàn)中對(duì)焊接后的試板進(jìn)行真空退火處理，熱處理規(guī)范：真空條件下650℃保溫2h，隨爐冷卻。

73、在此溫度下退火的目的是消除應(yīng)力，并不能改變接頭組織，但接頭的性能會(huì)有一定的提升。</p><p>　　焊接過(guò)程中，工件上的溫度隨著瞬時(shí)熱源的移動(dòng)作用而發(fā)生周期性的變化，稱之為焊接熱循環(huán)，焊接熱循環(huán)研究了焊接過(guò)程中工件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，對(duì)于焊接熱循環(huán)的研究有助于加深對(duì)焊接過(guò)程的理解。本論文對(duì)鈦合金窄間隙條件下焊接的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，利用熱電偶對(duì)工件上某些點(diǎn)溫度進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)繪制測(cè)溫曲線，測(cè)溫系統(tǒng)原理圖如

74、圖2-11所示。</p><p>　　2.4 微觀組織分析</p><p>　　2.4.1金相組織觀察</p><p>　　為了觀察接頭各區(qū)域的金相組織，通過(guò)電火花線切割機(jī)對(duì)不同條件下焊接形成的試件接頭取樣，制作金相試件，宏觀金相試件經(jīng)過(guò)精銑，砂紙打磨，機(jī)械拋光后腐蝕得到，可以直接觀察到焊縫與熱影響區(qū)。微觀金相試件經(jīng)過(guò)磨平、拋光、腐蝕、清洗等步驟處理后，在金相顯微鏡

75、（OM）下觀察接頭各區(qū)域的組織。</p><p>　　2.4.2 SME成分分析</p><p>　　SME試驗(yàn)時(shí)，試樣的制作過(guò)程與金相試樣相同，拋光后不經(jīng)過(guò)腐蝕，直接在電鏡下進(jìn)行觀察，本論文采用日本日立公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡（Hitatchi S-4700）進(jìn)行顯微組織觀察，并用SME所附帶的能譜分析裝置（EDS）進(jìn)行由母材到焊縫的成分分析。</p><p>&

76、lt;b>　　2.5力學(xué)性能測(cè)試</b></p><p><b>　　2.5.1硬度測(cè)試</b></p><p>　　為分析接頭區(qū)域的硬度變化規(guī)律，對(duì)接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，顯微硬度計(jì)載荷500g，承載時(shí)間10s。</p><p><b>　　2.5.2強(qiáng)度測(cè)試</b></p><p&g

77、t;　　本論文采用拉伸試驗(yàn)測(cè)試接頭的抗拉性能，評(píng)價(jià)接頭的結(jié)合強(qiáng)度。由于焊接過(guò)程中采用手工焊的方式進(jìn)行焊接，導(dǎo)致接頭性能并不均勻，因此本論文對(duì)相同焊接條件下的試件在不同深度位置處各取6個(gè)拉伸試件，測(cè)量其平均抗拉強(qiáng)強(qiáng)度。</p><p>　　利用線切割將焊接接頭切成拉伸試件，使焊縫居中，拉伸試件尺寸如圖2-12所示，在精磨床上將線切割面上殘留的溝槽磨平。在INSTRON-1599電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，橫梁

78、移動(dòng)速度0.5mm/min。拉伸試驗(yàn)前后的實(shí)物圖如圖2-13所示。</p><p>　　第3章 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭顯微組織分析</p><p>　　本次試驗(yàn)中，選擇了兩種坡口尺寸，四種電流參數(shù)和一系列變化的保護(hù)氣體流量，通過(guò)多組的焊接試驗(yàn)，以確定最佳的焊接參數(shù)。</p><p>　　保護(hù)氣體含量的確定主要根據(jù)焊縫焊接后顏色確定。如表3-1所示保護(hù)氣體流量

79、保證了焊接后焊縫呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，達(dá)到一級(jí)焊縫水平。</p><p>　　表3-1 焊接保護(hù)氣體流量</p><p>　　在120A電流下焊接，可以得到外觀完整的接頭，但經(jīng)過(guò)超聲探傷后發(fā)現(xiàn)有未融合，在后續(xù)的拉伸試件斷口中的確發(fā)現(xiàn)了未熔合現(xiàn)象，120A電流過(guò)小，熱輸入量不足，窄間隙坡口側(cè)壁熔合困難；在300A電流下焊接，焊接效果不夠理想，首先，在如此大的電流焊接，鎢極燒損嚴(yán)重，易造成焊縫夾

80、鎢，其次惡劣的焊接條件影響焊工的操作，再次，過(guò)大的熱輸入勢(shì)必導(dǎo)致接頭中應(yīng)力過(guò)大，焊縫及熱影響區(qū)晶粒粗大，性能變差，試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)了有焊縫開(kāi)裂的現(xiàn)象。</p><p>　　在180A和240A下焊接試板焊接效果良好。外觀檢驗(yàn)，焊縫平滑過(guò)渡，無(wú)裂紋、咬邊、焊瘤等缺陷，焊縫表面呈銀白色金屬光澤。無(wú)損檢測(cè)，焊接后試板進(jìn)行100%RT探傷，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JB/T4730.2-2005，I極合格。焊縫側(cè)面和表面成形如圖3-3a、b

81、所示。</p><p>　　在本章主要對(duì)180A和240A兩種電流條件下焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察分析。關(guān)于焊接坡口尺寸的確定，在第5章中進(jìn)行討論。</p><p>　　在本章，主要對(duì)鈦合金窄間隙下焊接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論和分析，主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：首先，對(duì)鈦合金窄間隙TIG多層焊焊接接頭晶粒生長(zhǎng)特征的分析，研究不同電流參數(shù)下晶粒尺寸的差異；其次，研究鈦合金焊接接頭各區(qū)域微觀組織

82、以及形成機(jī)理；最后，結(jié)合能譜分析（EDS）進(jìn)行由母材到焊縫的組織成分分析，對(duì)比不同電流參數(shù)下熔合比的變化，并結(jié)合接頭強(qiáng)度分析，研究在鈦合金窄間隙下焊接接頭特有的嚙合強(qiáng)化機(jī)理。</p><p>　　3.1鈦合金窄間隙TIG多層焊焊接接頭宏觀</p><p>　　鈦合金窄間隙TIG多層焊焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)三個(gè)部分組成。熔池在經(jīng)歷了熔化，化學(xué)冶金等一些列復(fù)雜過(guò)程后迅速凝固形成牢固的

83、焊縫，并在隨后的過(guò)程中繼續(xù)發(fā)生固態(tài)相變。其中熱影響區(qū)雖然沒(méi)有熔化，但也因受到高溫影響而發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變。這一系列變化都會(huì)影響焊接接頭的性能。</p><p>　　圖3-4為在焊接接頭整體的宏觀，從圖中可以清楚的看到母材到熱影響區(qū)再到焊縫的過(guò)渡，焊接層數(shù)以及熱影響區(qū)的范圍。從宏觀金相上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)兩種電流參數(shù)下斷面形貌上的區(qū)別。240A電流下焊接，因?yàn)闊彷斎胼^大的緣故，接頭的范圍要稍寬一些。</p>&l

84、t;p>　　由于焊接熱影響區(qū)不同部位所受熱作用的不一致性，造成其內(nèi)部組織和性能的分布極不均勻，焊縫是由熔化金屬凝固形成的鑄態(tài)組織，過(guò)寬的焊縫和熱影響區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致接頭的性能變差。焊接從接頭的宏觀金相中可以看到，窄間隙下焊縫和熱影響區(qū)的尺寸都較小，最寬處不過(guò)20mm，因此焊接造成的不利影響也相應(yīng)的減小。</p><p>　　3.2鈦合金窄間隙TIG多層焊接頭晶粒生長(zhǎng)規(guī)律</p><p>

85、　　常規(guī)坡口條件下的焊接接頭熱影響區(qū)，從熔合區(qū)向母材過(guò)渡，依次包括粗晶區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)等區(qū)域。粗晶區(qū)緊鄰熔合線，加熱溫度高，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重，脆性大，韌性低；細(xì)晶區(qū)位置相當(dāng)于進(jìn)行了正火處理而呈現(xiàn)細(xì)小均勻晶粒，性能較好；不完全正火區(qū)的特點(diǎn)是晶粒大小不一，性能也不盡一致。</p><p>　　由于本試驗(yàn)在窄間隙條件下焊接，熱影響區(qū)各區(qū)域的劃分并不明顯，圖3-5、3-6分別為180

86、A和240A下焊接接頭的局部宏觀金相照片，可以看到接頭焊縫中晶粒粗大的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，緊鄰焊縫的熱影響區(qū)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，熱影響區(qū)晶粒較母材晶粒稍大，呈現(xiàn)等軸均勻的狀態(tài)，熱影響區(qū)兩側(cè)各約為3mm，再外側(cè)區(qū)域的晶粒與母材無(wú)異。</p><p>　　對(duì)比180A和240A兩種電流下熱影響區(qū)晶粒尺寸的大小，如圖3-7、3-8所示，其中180A下晶粒的平均尺寸為1.92mm2，240A晶粒的平均尺寸為2.1mm2

87、， 240A下晶粒尺寸稍大，是由于焊接熱輸入較大的原因造成的。兩種電流下晶粒的尺寸相當(dāng)，且未呈現(xiàn)常規(guī)接頭中粗晶現(xiàn)象，這與材料的性能有關(guān)，TC4鈦合金合金元素含量較高，即使在較大熱輸入下晶粒長(zhǎng)大的傾向也較小[3]，其次多層多道方式窄間隙焊時(shí)，焊層較薄，后一層焊縫對(duì)前一層焊縫的正火作用往往更徹底，使得熱影響區(qū)相當(dāng)于進(jìn)行了多次正火處理，而使得晶粒尺寸均勻。</p><p>　　厚板鈦合金在TIG焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫

88、金屬開(kāi)始凝固時(shí)，首先在熔合區(qū)處半熔化的晶粒處開(kāi)始向焊縫中生長(zhǎng)。因?yàn)槿鄢乇诤秃缚p金屬具有相似的化學(xué)成分，相同的晶格類型，因而特別適宜作為金屬結(jié)晶的現(xiàn)成表面，對(duì)結(jié)晶最為有利。</p><p>　　從圖3-5、3-6宏觀金相中可以很容易辨別出焊縫區(qū)域，兩側(cè)為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)部分晶粒局部熔化，晶粒直接從熔池壁上結(jié)晶，并沿著母材晶粒同一軸向生長(zhǎng)，即聯(lián)生結(jié)晶，外延生長(zhǎng)，不是每個(gè)晶粒都能順利的長(zhǎng)大到焊縫中心，只有那些結(jié)晶取向

89、與溫度梯度方向相同的晶粒才能持續(xù)長(zhǎng)大，即晶粒在競(jìng)爭(zhēng)中成長(zhǎng)。相似的情形出現(xiàn)在多層焊的層間，可以看到許多晶粒貫穿多個(gè)焊接層，也是聯(lián)生結(jié)晶的結(jié)果。</p><p>　　隨著熔池開(kāi)始凝固，晶粒在焊縫形成聯(lián)生結(jié)晶后，垂直于熔合線呈柱狀晶生長(zhǎng)并向焊縫中心區(qū)域推進(jìn)。但隨著熔池的散熱條件的不同，溫度梯度的方向發(fā)生了改變，晶粒生長(zhǎng)方向也發(fā)生了改變，最終呈現(xiàn)出如焊縫區(qū)域所示彎曲晶粒狀。</p><p>　　3

90、.3鈦合金窄間隙TIG焊接接頭微觀組織分析</p><p>　　3.3.1 鈦及鈦合金同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變</p><p>　　鈦及鈦合金在加熱和冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鈦及其合金相變的基礎(chǔ)。鈦及其合金在常溫下有兩種同素異構(gòu)晶體，密排六方結(jié)構(gòu)的相稱為α相，體心立方結(jié)構(gòu)的相稱為β相。純鈦在高溫情況下呈現(xiàn)完全的β相，當(dāng)溫度降至882℃度時(shí)，鈦會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即由體心立方β-

91、Ti→密排六方α-Ti，α-Ti在882℃以下穩(wěn)定，所以鈦在常溫下呈現(xiàn)完全的α相組織。而鈦合金中，由于加入了α或者β穩(wěn)定元素，使得有一些鈦合金在常溫下也存在β相，形成所謂的雙相鈦合金。</p><p>　　本次試驗(yàn)中所使用的母材TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金是典型的雙相鈦合金，在鈦中添加了α穩(wěn)定元素Al和β相穩(wěn)定元素V，因此在室溫下呈現(xiàn)雙相組織。TC4的相變溫度，即β轉(zhuǎn)變溫度996℃，在此溫度下將發(fā)生同素異構(gòu)

92、轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變的突出特點(diǎn)是新相與母相間具有嚴(yán)格的取向關(guān)系，α相將以片狀或針狀有規(guī)則的析出，穿越整個(gè)晶粒[18]。</p><p>　　3.3.2 TC4鈦合金在不同溫度條件下的相變特點(diǎn)</p><p>　　鈦合金中β相穩(wěn)定元素含量及冷卻速度對(duì)β相變有著重要意義。自高溫β相穩(wěn)定區(qū)冷卻下來(lái)，β相若在等溫條件下轉(zhuǎn)變，在不同的等溫溫度下得到不同的相變產(chǎn)物。如圖3-9所示，在T3溫度下轉(zhuǎn)變得到β+α相

93、；當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度為T(mén)2時(shí)，發(fā)生β→β+ω→β+α+ω→β+α的轉(zhuǎn)變，其中ω為中間相；若在T1溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變，發(fā)生β→β+ω的轉(zhuǎn)變。圖3-9同樣給出了連續(xù)冷卻時(shí)的相變情況，緩慢冷卻時(shí)，β→β+α，增加冷卻速度會(huì)出現(xiàn)ω相，再增加冷卻速度，可以不發(fā)生相變得到室溫介穩(wěn)的β相，或者得到斜方結(jié)構(gòu)的α’或者α’’馬氏體相，鈦馬氏體是由高溫β相無(wú)擴(kuò)散相變得到的。</p><p>　　3.3.3 鈦合金窄間隙TIG焊接接頭微觀組織分析

94、</p><p>　　對(duì)比不同電流下焊縫顯微組織，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)接頭形成的組織相同?，F(xiàn)以240A電流下接頭的顯微組織為例，對(duì)鈦合金窄間隙TIG焊接條件下接頭組織轉(zhuǎn)變規(guī)律進(jìn)行說(shuō)明。</p><p>　　由于接頭各區(qū)域微觀組織的形成機(jī)理的差異，成分分布不均勻，組織類型及分布也不一致。接頭的各區(qū)域如圖3-10所示，A、B、C分別代表母材、熱影響區(qū)及焊縫。從圖中可以看出，因?yàn)楹附訜嵫h(huán)而使焊接

95、熱影響區(qū)的組織區(qū)別于母材。</p><p>　　母材（A區(qū)域）TC4鈦合金高溫時(shí)是完全β相組織，體心立方晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度降至約996℃時(shí)，開(kāi)始由β相向α相轉(zhuǎn)變，α相呈密排六方結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴牧现泻笑孪喾€(wěn)定元素，不可能發(fā)生完全的α相轉(zhuǎn)變，冷卻至室溫時(shí)呈現(xiàn)α+β雙相組織。而且通過(guò)不同的冷卻速度，可以得到不同金相形態(tài)的α相[19]。</p><p>　　冷卻速度較慢時(shí)，如母材的加工過(guò)程，α相由β相

96、中析出，得到片層狀魏氏組織以及沿β晶界析出的α相。圖3-11可以看出母材是由α相和β相組成的混合組織，沿β晶界有α鑲邊，在一束范圍內(nèi)，各α相是平行的，有共同的晶體學(xué)取向，各α相由β中間層分開(kāi)。</p><p>　　當(dāng)高溫β相以較快的速度冷卻下來(lái)時(shí)，含β相穩(wěn)定元素的合金易得到一種網(wǎng)籃狀組織，冷卻速度進(jìn)一步加快時(shí)，β相分解以非形核方式長(zhǎng)大，發(fā)生無(wú)擴(kuò)散馬氏體相變，生成針狀六方α’相及正交馬氏體相。</p>

97、<p>　　焊縫（C區(qū)域）填充金屬使用的是近α鈦合金Ti-4Al-2V，焊接過(guò)程中混入少量的母材成分，雖然冷卻速度很快，但是β相穩(wěn)定元素（V）含量較少，組織主要是α相，少量β相，其中α相因?yàn)槔鋮s速度較快被拉長(zhǎng)呈長(zhǎng)針狀，如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-13為鈦合金焊接試板接頭熱影響區(qū)（B區(qū)域）的顯微組織圖片，窄間隙條件下焊接，熱影響區(qū)范圍窄，冷卻速度快，因此在熱影響區(qū)形成了如圖3-13a所

98、示網(wǎng)籃狀組織，圖3-13b所示為冷卻速度更快時(shí)而形成的針狀馬氏體組織。兩種形態(tài)的組織沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，只是冷卻速度不同造成α相形態(tài)不同。</p><p>　　3.4焊縫區(qū)域成分分析</p><p>　　窄間隙坡口TIG焊接過(guò)程中，因?yàn)楹附z采用的是合金含量較低的近α鈦合金，焊接過(guò)程中因?yàn)榛烊肓四覆闹械暮辖鸪煞侄沟煤缚p合金元素含量升高。</p><p>　　本次試驗(yàn)中，

99、利用掃描電鏡（SME）附帶的能譜分析（EDS）系統(tǒng)，在焊縫的切向方向上對(duì)合金元素鋁和釩的含量進(jìn)行分析。如圖3-14所示，按照?qǐng)D中由C區(qū)域到I區(qū)域的順序?qū)缚p分區(qū)域掃描合金元素含量，成分分析解如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 焊縫分區(qū)域元素掃描含量 wt（%）</p><p>　　將表3-2中各元素含量繪制成圖3-15中曲線，從圖3-15中可

100、以看到窄間隙TIG多層焊時(shí)母材向焊縫中元素過(guò)渡的規(guī)律，所用母材的合金元素（Al和V）的含量要高于焊絲中含量，焊接過(guò)程中，部分母材熔化，從焊縫邊緣至焊縫中間Al和V的含量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，分析這種變化的原因是由于金屬熔化后，合金元素由母材向焊縫中心擴(kuò)散需要需要時(shí)間，金屬凝固時(shí)間短，元素來(lái)不及均勻化，因此呈現(xiàn)元素梯度分布，其中Al元素的減少趨勢(shì)很明顯，而V元素在整體減少的趨勢(shì)中有波動(dòng)，分析原因V元素本身含量較少，焊接過(guò)程中各種力對(duì)熔池的攪

101、拌作用使得V元素分布的并不呈現(xiàn)嚴(yán)格的單調(diào)趨勢(shì)。</p><p>　　為的對(duì)比電流在180A和240A兩種情況下焊縫合金元素Al、V以及基體元素Ti的分布，同時(shí)排除局部區(qū)域元素分布不均勻?qū)?duì)比結(jié)果造成的不良影響，在相同放大倍數(shù)下截取焊縫相同位置的圖片，進(jìn)行整體區(qū)域能譜分析，兩種電流下掃描區(qū)域如圖3-14所示A和B區(qū)，掃描結(jié)果如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 不同電流下焊縫能譜分

102、析結(jié)果 wt（%）</p><p>　　對(duì)比不同電流下焊縫合金元素Al和V的含量可知，在240A下焊接得到的焊縫中合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要超過(guò)180A電流下焊接得到的焊縫元素含量。其中，180A下A、B兩區(qū)域Al的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.63%，240A下Al平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.59%，高出180A下Al含量的20%，V的平均含量高出180A下1.4倍，分析結(jié)果產(chǎn)生的原因，焊接電流增大后，焊接線能

103、量增加，母材熔化量增加，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫的熔合比變大。</p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要研究鈦合金窄間隙TIG焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)，包括晶粒的生長(zhǎng)規(guī)律、顯微組織形成機(jī)理以及焊縫成分的分析等，得出以下結(jié)論：</p><p>　　窄間隙TIG焊接焊縫為粗晶粒狀的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，晶粒生長(zhǎng)符合聯(lián)生結(jié)晶、競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的規(guī)律

104、。由于在窄間隙坡口下焊接，焊接接頭熱影響區(qū)沒(méi)有明顯的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)，晶粒尺寸均勻，熱影響區(qū)尺寸十分很窄只有約3mm，這些體現(xiàn)了窄間隙條件下焊接的特點(diǎn)。</p><p>　　焊接所用母材TC4鈦合金為典型的雙相鈦合金，自高溫冷卻過(guò)程中，隨著冷卻速度的不同，可以得到不同金相形態(tài)的α相，其中母材為平衡態(tài)的雙相鈦魏氏組織，熱影響區(qū)因?yàn)槔鋮s速度過(guò)快而形成了網(wǎng)籃組織或正交鈦馬氏體組織。</p><p>

105、;　　焊接過(guò)程中，因?yàn)槟覆牡娜刍沟煤缚p金屬中合金元素含量的升高，焊接電流越大，焊縫熔合比越大。其中在大電流240A下焊接得到的焊縫中Al元素的含量要超過(guò)小電流180A下得到焊縫合金元素含量的20%。母材中合金元素進(jìn)入焊縫后呈現(xiàn)梯度分布。</p><p>　　第4章 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試</p><p>　　本試驗(yàn)中采用窄間隙TIG多層焊的方式獲得了完整的厚板鈦合金

106、窄間隙接頭，試驗(yàn)中最主要的焊接參數(shù)是焊接電流，通過(guò)焊接電流的調(diào)整，所得到的焊接接頭的微觀組織沒(méi)有明顯的差別。為了了解接頭的機(jī)械性能，分析接頭的斷口形貌，對(duì)接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，測(cè)試了接頭的綜合機(jī)械性能，對(duì)窄間隙條件下接頭嚙合效應(yīng)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能。</p><p>　　4.1 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接接頭的顯微硬度分布</p><p>　　對(duì)180A和240A焊接電流條

107、件下的焊接接頭取樣，磨平，在顯微維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，加載力500g，保壓時(shí)間10s。從母材到焊縫，每隔0.5mm測(cè)試一點(diǎn)硬度。接頭橫截面上硬度分布規(guī)律如圖4-1所示。</p><p>　　由測(cè)試結(jié)果可知，接頭橫街面上的硬度分布不均勻，兩種電流下硬度變化規(guī)律大致相同，鈦合金母材的平均硬度達(dá)到311.9，熱影響區(qū)硬度明顯升高，其中240A電流下熱影響區(qū)最高硬度達(dá)到349，較鈦合金母材高9.5%，分析認(rèn)為