1、TC4鈦合金的力學(xué)性能及化學(xué)成分
TC4鈦合金屬于(α+β)型鈦合金，具有良好的機(jī)械性能。其化學(xué)成分見表1，機(jī)械及物理性能能見表2。
2、TC4鈦合金的焊接特性
TC4鈦合金是一種化學(xué)性質(zhì)非常活潑的金屬，在高溫下對(duì)氫、氧和氮等氣體具有極強(qiáng)的親和力，鈦與大氣中的O、N、CO2、水蒸氣和氮?dú)獾犬a(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量大于0.2%時(shí)，在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC。溫度較高時(shí)，與N作用，也會(huì)形成TiN硬質(zhì)表層。在600℃以上時(shí)，鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。鈦合金吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)（0.1～0.15）mm，硬化程度比原來基體硬度高（20～30）%。特別是在焊接過程中，這種能力伴隨著溫度的升高更為強(qiáng)烈，實(shí)踐證明，焊接時(shí)對(duì)鈦合金與氫、氧和氮等氣體的吸收和溶解不加以控制，無疑會(huì)給鈦合金焊接接頭的施焊過程帶來極大的困難，為了掌握鈦合金的焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，必須深入了解鈦及鈦合金的特點(diǎn)。
2.1焊接接頭的脆化
在常溫下，鈦與氧反應(yīng)生成致密的氧化膜，從而使其具有高的化學(xué)穩(wěn)定性與耐腐蝕性。在施焊過程中，焊接溫度高達(dá)5000～10000℃，鈦及其合金與氧、氫和氮發(fā)生快速反應(yīng)。據(jù)試驗(yàn)，TC4鈦合金在施焊過程中，溫度在300℃以上時(shí)能快速吸氫，450℃以上時(shí)能快速吸氧，600℃以上時(shí)能快速吸氮。而當(dāng)熔池中侵入這些有害氣體后，焊接接頭的塑性和韌性都會(huì)發(fā)生明顯的變化，特別是在882℃以上，接頭晶粒嚴(yán)重粗大化，冷卻時(shí)形成馬氏體組織，使接頭強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性下降，過熱傾向嚴(yán)重，接頭嚴(yán)重脆化。因此，在進(jìn)行TC4鈦合金焊接時(shí)，對(duì)熔池、熔滴及高溫區(qū)，不管是正面還是反面都應(yīng)進(jìn)行全面可靠的惰性氣體作為保護(hù)氣。這是保證鈦及其合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。
碳主要來源于母材、焊絲和油污，碳在超過溶解度時(shí)析出硬脆的碳化鈦，使焊縫塑性迅速下降，在焊接應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。
2.2焊接接頭的裂紋
2.2.1熱裂紋傾向
由于鈦合金中的碳、硫、磷等雜質(zhì)含量較少，所以裂紋的敏感性低在當(dāng)母材和焊絲質(zhì)量不合格，特別是當(dāng)焊絲有裂紋、夾層缺陷時(shí)，會(huì)在夾層的裂紋處聚集大量有害雜質(zhì)而使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。
2.2.2冷裂紋傾向
當(dāng)焊縫中含有氫、氧、氮量較多時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)變脆，在較大焊接應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，這種裂紋是在較低的溫度下形成的。在焊接鈦及鈦合金時(shí)，影響區(qū)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲裂紋，其主要原因是氫造成的，氫化物吸出時(shí)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子的擴(kuò)散及聚焦，最終使焊接接頭產(chǎn)生裂紋（氫脆），防止這種延遲裂紋的方法主要還是進(jìn)行全面的惰性氣體保護(hù)控制焊接頭氫的來源。
2.2.3氣孔的產(chǎn)生
TC4鈦及鈦合金焊接時(shí)最常見的缺陷是氣孔，主要產(chǎn)生在熔合線附近。氫是形成氣孔的重要原因，在焊接時(shí)由于鈦吸收氫的能力很強(qiáng)，而隨著溫度的下降氫的溶解度顯著下降，所以溶解于液態(tài)金屬中的氫往往來不及逸出形成氣孔。
2.2.4焊接變形
TC4鈦合金的熱導(dǎo)率=7.955W/m?K，為鐵的1/5、鋁的1/10，線膨脹系數(shù)=8.6×10-6℃（0-100℃），比熱=0.612cal/g?℃。鈦合金的彈性模量較低，TC4鈦合金的彈性模量E=110GPa，約為鋼的1/2。故鈦合金容易產(chǎn)生變形，而且矯形很困難，因此在焊接鈦合金時(shí)應(yīng)該采用墊板和壓板將待焊工件壓緊，以減少焊接變形。
2.2.5結(jié)晶傾向
TC4鈦合金的熔點(diǎn)高、熱容量大、導(dǎo)熱性差，因此在焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大的焊接熔池并且熔池的溫度很高。這使得焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫的時(shí)間比較長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大傾向較大，使得接頭塑性的斷裂韌性降低。長(zhǎng)大的晶粒難以用熱處理的方法恢復(fù)，所以焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接的熱輸入量，一般采用較小的焊接電流和較快的焊接速度，來避免產(chǎn)生較粗大的晶粒。
3、TC4鈦合金施焊工藝
3.1焊接設(shè)備及工具準(zhǔn)備
焊接時(shí)采用WSME-500逆變式交直流脈沖氬弧焊機(jī)，焊前檢查焊機(jī)與氬弧焊槍焊接電纜及其它各連接部位是否連接牢靠。檢查工具、用具是否備齊，并保持清潔，所需工具有，不銹鋼絲刷，備用鎢極和噴嘴，金剛石銼刀、硬質(zhì)合金刮刀、化學(xué)清洗劑（丙酮、無水乙醇、甲醇等）氬弧焊手套等。
3.2焊接材料的選擇
3.2.1焊絲的選用
母材為TC4鈦合金板(300mm×200mm×30mm)，考慮其焊接效率、熱輸入、盡量減少焊接層數(shù)及焊后焊縫塑性和韌性，因此選用等強(qiáng)度等成分的Φ3.0的TC4專用焊絲。
3.2.2氬氣保護(hù)
氬氣的純度對(duì)接頭質(zhì)量的影響很大，TC4鈦合金焊接時(shí)要求使用純度為99.999%的高純氬，氬氣應(yīng)符合《GB/Ｔ4842－2006純氬》的要求。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至1MPa，應(yīng)停止使用。
3.2.3鎢極
選用Φ4.0的鈰鎢極，鎢極端部應(yīng)磨成30～45度錐形。
3.3試件坡口制備及焊前清理
3.3.1坡口制備
在選擇坡口形式尺寸時(shí)，應(yīng)盡量減少焊接層數(shù)和填充金屬。隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計(jì)吸氫量增加以至影響焊接接頭性能，接頭塑性下降，又由于鈦合金焊接時(shí)熔池尺寸較大，試件厚度為30mm，因此焊件開雙X型坡口，試件坡口角度為60°試件鈍邊為2mm。如圖1所示。
3.3.2焊前清理
采用機(jī)械加工、硬質(zhì)合金刮刀或不銹鋼絲刷，清理母材兩側(cè)20-30mm的氧化膜，直至露出金屬光澤為止。然后用丙酮、無水乙醇、甲醇等清洗母材及焊絲表面的手印、有機(jī)物質(zhì)、油污等。焊接時(shí)必須戴潔凈的手套，不得使用角磨機(jī)磨坡口及其兩側(cè)附近區(qū)域，嚴(yán)禁用鐵器敲打鈦板表面及坡口。采取有效措施避免在焊接時(shí)造成鋼與鈦互熔。
不潔凈和不干燥的零件表面會(huì)使焊縫形成氣孔。
焊接不合適也會(huì)促使焊縫產(chǎn)生氣孔。零件表面的鹽類殘留（甚至指紋的印痕）在一定溫度下可能導(dǎo)致熱鹽應(yīng)力腐蝕。所以胎及鈦合金的被焊處表面必須保持潔凈。清理完后應(yīng)盡量縮短存放時(shí)間盡快焊接，以免二次污染。
3.4焊接工藝參數(shù)的選擇
傳統(tǒng)焊接方法采用外置氬氣“吹氣式”保護(hù)，保護(hù)氣體不能“局限”到焊接區(qū)域，不能形成有效的保護(hù)氣膜，對(duì)鈦合金與氫、氧和氮等氣體的吸收和溶解不易控制，容易發(fā)生焊接接頭脆化、焊縫裂紋、氣泡等焊接缺陷，返工成本較高。鎢極氬弧焊焊接TC4鈦合金可分為敞開式焊接（圖2）、高純氬箱內(nèi)焊接（圖3）及真空焊接（圖4）三種類型，真空焊接鈦合金的質(zhì)量最好，但其成本過高。高純氬箱內(nèi)焊接，需要將箱體內(nèi)充滿氬氣受焊件大小操作影響。因此我們選用的是敞開式焊接，在大氣環(huán)境中焊接。采用局部氣體保護(hù)的焊接方法，利用焊槍噴嘴加拖罩（圖5），和背面保護(hù)裝置（圖6）通以適量的氬氣，氣體保護(hù)裝置將充氣室的氬氣通過針孔充盈焊縫預(yù)留槽，槽內(nèi)氬氣最終通過工件對(duì)接焊縫溢出，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置輸氣，在焊接區(qū)域形成“溢氣式”保護(hù)氣膜，把焊接高溫區(qū)與空氣隔開，以防止空氣侵入而沾污焊接區(qū)的金屬。拖罩和背面保護(hù)裝置應(yīng)單獨(dú)通入氬氣。焊接時(shí)為防止鈦合金在300-600℃氧化、氮化及吸氫，要求緊貼工件。
3.5試件組隊(duì)定位
由于鈦合金的物理性能，表面張力大系數(shù)大、熔融態(tài)時(shí)粘度小，定位長(zhǎng)度為10-15mm,對(duì)板間隙為3-4mm,錯(cuò)邊量≤0.5mm,采用兩面定位焊，定位焊要單面焊雙面成型，如圖1所示。定位焊所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及氣體保護(hù)條件與焊接接頭焊接時(shí)相同。
3.6打底層的焊接
在焊接過程中選擇接頭形式時(shí)要考慮到焊接時(shí)便于氬氣的有效保護(hù)，同時(shí)接頭背面也要單獨(dú)通過通入氬氣保護(hù)，打底層焊接完成后仍繼續(xù)充氬氣不能終止直至第二層焊接完畢。在起焊坡口內(nèi)引燃電弧后，焊槍稍作擺動(dòng)，預(yù)熱上下兩側(cè)坡口面，待坡口開始熔化時(shí)形成熔孔，迅速填入焊絲建立熔池。熔池形成后電弧稍作停頓，看到熔池內(nèi)陷時(shí)，向前移動(dòng)焊槍，快速填進(jìn)焊絲，焊槍作直線運(yùn)動(dòng)。焊槍與焊絲角度如圖6所示。
根據(jù)以往焊接TC4鈦合金的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定焊接參數(shù)見表3。焊縫和近縫區(qū)顏色是保護(hù)效果和焊接質(zhì)量的標(biāo)志，焊縫和熱影響區(qū)的表面顏色見表4。焊縫表面顏色對(duì)焊接質(zhì)量影響見表5。
3.7填充層及蓋面層的焊接
打底焊結(jié)束后，每一層應(yīng)進(jìn)行焊層表面顏色檢查，對(duì)表面顏色不合格的應(yīng)全部去除，然后重焊，表面顏色檢查參照表4所示。檢查合格后進(jìn)行層間清理，用硬質(zhì)合金刮刀或合金銼刀修整平高出的接頭，用不銹鋼絲刷清理焊縫及母材兩測(cè)除去氧化膜。
焊接過程中為了防止焊縫表面氧化、焊縫塑性韌性下降、接頭脆性增大，應(yīng)控制熱輸入，控制層間溫度，試件表面溫度降至30-40度時(shí)才可以進(jìn)行下一層的焊接。應(yīng)注意母材的變形，采用兩面對(duì)稱焊，如圖7所示。焊接時(shí)隨著坡口面的角度增大應(yīng)切換更大的保護(hù)噴嘴，增大保護(hù)面積，提高保護(hù)效果。
焊接過程中焊槍離焊件表面距離盡量小，但不要影響焊接時(shí)的視線，焊槍操作要平衡均勻，基本不作擺動(dòng)，當(dāng)需要擺動(dòng)時(shí)，頻率要低，擺動(dòng)幅度也不宜過大，以防影響氬氣保護(hù)。送絲時(shí)應(yīng)注意不要將焊絲熔化端部移出氬氣保護(hù)區(qū)，否則焊絲端部被氧化后在融入熔池會(huì)影響焊縫的質(zhì)量。蓋面層焊接時(shí)要注意母材兩側(cè)各熔1-2mm,焊趾要齊，焊縫高度控制在2-3mm,不得出現(xiàn)表面氣孔，裂紋，咬邊等焊接缺陷。
4、工藝試驗(yàn)
4.1執(zhí)行上述工藝參數(shù)進(jìn)行水平固定位置模擬實(shí)驗(yàn)
（1）焊接時(shí)，對(duì)焊縫的保護(hù)氣體氬氣的純度為99.99%，未對(duì)試件背面及熱影響區(qū)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，在試件焊接時(shí)熔池中有氣體向外溢出且能聽到焊縫在產(chǎn)生裂紋的聲音，焊縫表面為暗灰色，如圖8所示。
（2）經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)試件的保護(hù)不夠。此次對(duì)焊縫的保護(hù)氣體氬氣的純度為99.999%，對(duì)試件背面及熱影響區(qū)進(jìn)行氬氣保護(hù)，氬氣純度為99.999%，在焊接時(shí)，熔池?zé)o氣體向外溢出，且焊縫為淡黃色表面顏色達(dá)到一級(jí)要求，如圖9所示。
（3）總結(jié)以上兩組經(jīng)驗(yàn)，此次將試件放在真空室中，抽真空-3Pa，在焊接前對(duì)真空室充入氬氣，氬氣純度為99.99%，焊接氬氣純度為99.99%，焊接完成后焊縫正面背面均為銀白色。焊接完成后經(jīng)X射線檢驗(yàn)焊道內(nèi)部達(dá)到射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。
4.2改變焊接手法進(jìn)行水平固定工藝模擬實(shí)驗(yàn)
（1）采用搖擺焊，焊接完成后，焊縫表面顏色呈金紫色或深藍(lán)色，如圖11所示。
（2）采用搖擺焊焊接熱輸入過大，此次實(shí)驗(yàn)采用低頻率橫向擺動(dòng)，并且倆邊稍微停留焊縫表面顏色呈金紫色，如圖12所示。
（3）總結(jié)以上兩組經(jīng)驗(yàn)，焊接時(shí)，焊槍基本不作擺動(dòng)，焊槍盡可能與焊件表面垂直（80-90度），焊縫表面顏色呈銀白色。焊接完成后經(jīng)X射線檢驗(yàn)焊道內(nèi)部達(dá)到射線檢查標(biāo)準(zhǔn)，如圖13所示。
4.3力學(xué)性能試驗(yàn)
針對(duì)TC4試件厚度為30mm，開雙X型60°坡口，試件鈍邊為2mm。通過對(duì)焊接接頭拉伸試驗(yàn)，對(duì)主要參數(shù)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等進(jìn)行檢測(cè)，均符合焊接性能要求，參見表6。
5、結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)證明：焊接鈦合金時(shí)，熱輸入、層間溫度、保護(hù)氣體純度、流量、噴嘴的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小與焊件的距離、接頭形式及內(nèi)外氣體保護(hù)裝置是否符合要求、室內(nèi)室外或風(fēng)力大小、焊絲母材的機(jī)械清理和脫脂處理都會(huì)影響焊接質(zhì)量，所以在焊接鈦合金時(shí)要注意各種保護(hù)措施的合理性，準(zhǔn)備工作是否到位等，對(duì)鈦合金焊接質(zhì)量起關(guān)鍵作用。
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