TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究（一）——焊接工艺参数对焊缝成形的影响及其机理王纯西安交通大学[摘要] 本论文针对δ1.5和δ3.0的TC4钛板手工直流A-TIG焊，分析了各种焊接工艺参数对焊缝成形的影响及其规律及活性焊剂对焊缝成形的影响机理。

关键词：钛合金；活性焊剂；氩弧焊；焊缝成形钛在地壳中的含量约为0.64%，在金属元素中仅次于铝、铁和镁，居第四位[1]，为铜的60倍，钼的600倍。

钛合金具有很多优良性能：钛的比重为4.5mg/m3，仅为普通结构钢的57%；钛合金的强度可与高强度钢媲美；具有很好的耐热和耐低温性能，能在550℃高温下和零下250℃低温下长期工作而保持性能不变；具有很好的抗腐蚀能力，把钛合金放在海水中泡上几年，仍能保持光亮。

此外，钛的导热系数小、无磁性，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等。

正是因为这些优点，钛金属被称为“太空”金属、“海洋”金属以及21世纪最有发展前景，继钢铁、铝之后的第三金属[2]。

TC4不仅具有良好的室温、高温、低温力学性能，且在多种介质中具有优异的耐蚀性，既可以焊接、冷热成型，也可以热处理强化，所以在钛合金中应用最广泛，在美国约占钛市场的56%，在中国和日本约占钛合金产量的一半。

钛合金作为一种广泛应用的结构材料，要解决的关键工艺技术问题就是连接问题，焊接无疑是首选的一种先进连接方法。

钛合金的压制、轧制和模压品等零部件的制造都离不开焊接，铸件缺陷的修补也离不开焊接。

目前国内在钛产品焊接过程中使用最普遍的是TIG焊，包括手工、自动或半自动，国内钛设备制造过程中几乎95%以上的焊接工作是采用手工TIG焊完成的[3]。

为了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，扩大TIG焊的应用范围，特别是在厚板焊接的应用，国内外的焊接工作者进行了大量关于增加TIG焊熔深方面的研究。

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。

A-TIG焊就是预先在工件表面均匀地涂上一层很薄的细粒状的活性化焊剂，然后进行TIG焊的方法[4]。

它能在保证焊缝质量的基础上，使焊接熔深显著增加，从而大大提高焊接生产效率，降低生产成本。

产品升级换代和结构调整方面潜力巨大，而焊接技术和工艺是钛合金材料进一步推广应用必须解决的关键问题之一。

A-TIG焊技术操作简便，设备简单，价格便宜，适于大规模和常规应用，因此研究钛合金A-TIG焊技术对改变我国钛业的应用现状有着十分现实的实践意义。

本研究立足西飞公司的现状，使用A-TIG焊技术，解决飞机制造中经常使用的钛合金TC4薄板(δ1.5~4.0)的焊缝成形问题，并确定钛合金TC4的薄板构件A-TIG焊接参数，为其它钛合金材料A-TIG焊接技术奠定基础。

本研究对钛合金TIG焊和A-TIG焊的焊接工艺过程、焊缝成形特点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。

1焊接试验待焊材料为δ1.5和δ3.0的TC4钛板。

TC4焊丝直径分别为1.6mm和2.0mm。

本实验采用手工直流TIG焊和A - TIG焊进行对比试验，接头形式采用常规平板对接，不开坡口，δ1.5和δ3.0钛板的预留试样间隙分别为0.2mm和0.5mm，填加焊丝，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。

在同一焊接工艺参数下，对不涂活性焊剂和涂有活性焊剂的对接试件施焊。

试验用焊接工艺参数见表1。

表1 钛合金TC4的TIG、A-TIG焊焊接工艺参数母材厚度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 6~123.0 110~500 120~200 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，以确定普通TIG焊和涂活性焊剂的A-TIG焊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，其它参数保持不变。

2试验结果与讨论焊缝的形状和尺寸通常用焊缝熔深H，焊缝熔宽B和余高a来表示(见图1)。

图1 焊缝形状尺寸图实际生产中所希望得到的焊缝是熔宽B 小、熔深H 大。

熔宽和熔深受多种因素的影响，其中焊接工艺参数的影响最大。

通过研究焊接电流、焊接速度及是否涂有活性焊剂等焊接工艺，在表1的焊接工艺参数下，每次只改变一个参数，其它参数保持不变，得到δ1.5 TC4钛板的焊缝熔深和熔宽值，分析、探讨焊接工艺与焊缝熔深和熔宽的关系，寻求获得满意焊缝尺寸的焊接工艺。

2.1 焊接电流的影响在45A~80A 之间改变焊接电流，其它参数保持不变，分别得到TIG 焊和A-TIG 焊的焊缝熔深和熔宽值(表2)，依此绘制出熔深和熔宽随焊接电流变化的曲线图(图2与图3)。

表2 焊接电流对熔深熔宽的影响电流I /A 熔深/mm 熔宽/mmHo (TIG 焊) H(A-TIG 焊) Bo (TIG 焊) B (A-TIG 焊)45 2.40 2.55 5.0 4.5 50 2.43 2.55 6.0 5.0 55 2.50 2.58 6.5 5.5 60 2.55 2.74 6.9 6.0 65 2.55 2.75 7.2 6.3 70 2.58 2.80 7.5 6.6 75 2.60 2.85 7.7 6.8 802.622.858.07.02.32.42.52.62.72.82.9熔深 /m m焊接电流 /A图2 熔深随焊接电流变化曲线图熔宽 /m m焊接电流 /A图3 熔宽随焊接电流变化曲线图从表2图2、3中可以看出，A-TIG 焊焊缝熔深与熔宽随电流的变化规律同TIG 焊的一样，都是随电流的增大而增大。

随着电流的增大，A-TIG 焊的焊缝熔深比TIG 焊的增大得快，而焊缝熔宽比TIG 焊的增大得慢。

这说明，焊接电流对焊缝熔深的影响，A-TIG 焊大于TIG 焊；而对焊缝熔宽的影响，A-TIG 焊小于TIG 焊。

由此可见，与TIG 焊相比， A-TIG 焊采用小电流，既可满足对熔深的要求，熔宽又较小，还降低了焊接生产费用。

在实验中还发现，A-TIG 焊的焊接电流在45~60A 之间焊缝既能获得的较大熔深，又能保证良好的外观，且变形小。

而TIG 焊的焊接电流在65~80A 之间时才能获得相应的熔深。

2.2 焊接速度的影响在72~206mm/min 之间改变焊接速度，其它参数保持不变，分别得到TIG 焊和A-TIG 焊的焊缝熔深和熔宽值(表3)，并依此绘制出熔深和熔宽随焊接速度变化的曲线图(图4与图5)。

从表3和图4、5中可以看出，A-TIG 焊焊缝熔深与熔宽随焊接速度的变化规律同TIG 焊的一样，都是随着速度的增大而减小。

随着速度的增大，A-TIG 焊的焊缝熔深比TIG 焊的减小得快，而A-TIG 焊的焊缝熔宽比TIG 焊的减小得慢。

这说明，焊接速度对焊缝熔深的影响，A-TIG 焊比TIG 焊要大；而对焊缝熔宽的影响，A-TIG 焊比TIG 焊要小。

由此可见，与TIG 焊相比， A-TIG 焊采用高速度，既可满足对熔深的要求，熔宽又较小，还提高了生产效率。

当焊接速度在72~187mm/min 之间时，A-T1G 焊焊缝熔宽随焊接速度的增加而减小，但当焊接速度达到206mm/min 时，熔宽却又增加，这是由于焊接速度达到206mm/min 时焊接电弧不稳定造成的。

因为活性剂的成分是卤化物，本身不导电，而阳极斑点具有自动寻找纯金属表面而躲避卤化物的特性。

当焊接速度过快时，活性剂涂层来不及充分蒸发，焊接电弧有向后漂移寻找熔池金属的倾向(如图6所示)，焊接电弧变得不稳定，焊缝熔宽变大。

但过慢的焊接速度对A-TIG 焊焊缝熔深也是不利的。

这是因为当焊接电流与焊接电压一定时，过慢的焊接速度使活性剂涂层过早地消耗掉，起不到收缩电弧的作用，也显示不出A-TIG 焊效率高的优势。

而且，焊接速度过慢会使工件焊接变形严重，不能满足生产使用性能。

在实验中发现，TIG 焊焊接速度在130~210mm/min 之间时，焊接电弧稳定，焊缝表面成形好。

A-TIG 焊的焊接速度在99~165mm/min 之间时焊接电弧稳定，而当焊接速度达到200mm/min 时，电弧变得十分不稳定，有拖尾现象，焊接效果难以接受，必须加大焊接电流或电压，以加快活性剂涂层的蒸发。

表3 焊接速度对熔深熔宽的影响速度v /mm·min -1熔深/mm 熔宽/mmHo (TIG 焊) H(A-TIG 焊) Bo (TIG 焊) B (A-TIG 焊)72 2.55 2.74 8.5 6.3 99 2.53 2.70 8.0 6.0 116 2.49 2.57 7.6 5.8 156 2.39 2.47 7.0 5.3 187 2.25 2.33 6.5 4.9 2062.222.286.05.02.12.22.32.42.52.62.72.8焊接速度 /mm ·min-1熔深 /m m焊接电流 /A图4 熔深随焊接速度变化曲线图60801001201401601802002204.55.05.56.06.57.07.58.08.5 焊接速度 /mm ·min-1焊接速度 /mm ·min-1TIG 焊A-TIG 焊熔宽 /m m焊接速度 /mm ·min-1TIG 焊 A-TIG 焊图5 熔宽随焊接速度变化曲线图图6 焊接速度对电弧的影响2.3 活性焊剂的影响本试验所用FT-01、FT-02活性焊剂主要由卤化物组成，是针对不同厚度(<3mm 和3~6mm)的钛板A-TIG 焊用的。

焊剂呈乳白色粉末状，密封保存。

焊接前将焊剂在干净的加热箱中烘干，烘干温度为150~200℃，保温时间2~4小时，取出后与有机溶剂按1~1.2:1的比例混合均匀，用刷子均匀刷涂或用专用喷枪喷涂至待焊试样表面约10~15 mm 宽的区域上，待有机溶剂完全挥发后即可焊接。

焊接过程示意见图7。

从焊缝外观形貌(图8)、焊缝横截面金相照片(图9)和焊接电流、焊接速度对焊缝成形影响的试验数据中均可看出，在相同的焊接工艺条件下，A-TIG 焊的焊缝熔宽比TIG 焊的窄，熔深比TIG 焊的大。

说明活性焊剂使焊接电弧产生了明显的收缩。

对钛合金A-TIG 焊的金相形貌进一步分析可以看出，其焊缝横截面形貌(图10)均呈杯状，存在单面焊双面成形的特征。