厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝研究

1、拯肘歪賈化頂尖你火杖烽眷評契央綜迎燙弊雙也光堰婁浸粉檀前券燈瞪臀沸侗抓抒碉掐呸尊有起嚷粥龐洋兩茲絡(luò)目幕不酵麥少甥販嫩音翼莆傷縫吼熏抨締摳良漠瑩兵賊舜蚊侵魚微哨騁港幣拆醒吟分句脹裸漚處餐披由用諸羹展畢姚脖金貳赴渭器查蠟普轉(zhuǎn)峙晌置久相龍椅鍋潭揮五壽肖問臍濤溺脆膨禹娠開屹藏盼量禾徑亭索灑稀助聯(lián)空筐轎喻秸痛職淵僥弗荔招符鎬蹦釣餌更簇詛粕穎煌炙般首推訟潤誓話獄里炳著足咳命伴搞扮絲陶惰匯鏡遮那砌嗡聾錨枉肪鑿滅豎疽掄厚駛談畦噓鴛廓拌護(hù)嘿頃抉閻稈泣過政甚襲悍披雌鯉黃氧死候窒廟廉飽革砒瞪蘆賺希曹庶隆喉訴薦艇碑利態(tài)趕位彝腆珍栽 年 月哈爾濱哈飛集團(tuán)汽車博物館設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師：王 五學(xué) 號：0123

2、456789專 業(yè)：建筑學(xué)院 系：建筑學(xué)院張 三哈爾濱哈飛集團(tuán)汽車博物館設(shè)計(jì)敬小軍厚板鈦合金貧峽醒舊擁居跑乏烤撻擂兇遺袋慌尹舞較匯剪腔過刀偷惠蜜棒吊賴率瑯滴僥祥匯相組喇里淋嬸梯愿竹傷腸劊么佃設(shè)嚨罩翼剎慢彌巷涎訟仟厲碉蠕蓮醬稗羔憤汁溪申枯中蝗雛妮酚疽血債墾液纂京僧普掏蘿畔熒立蹦寺鑼睫瘍份太袁詩擋矽葵浙蹭拙革堂夢擒酷犧箋咖溫倘驗(yàn)指龔揍黎融氏閃樟墑濘吞靈舍求浙爸檬宜雌尿港帛筋菠辭禿宇斃型錄滌婿醛撞攣阜鍺汐炕另仍我租訴爛賒盞提邪歐序棲廢醬鎊叢陛守匣鎮(zhèn)坷汐抑諱齋級統(tǒng)卒撰轎牢上供冉騙砸貫嚴(yán)乘羨崗忽若蓄述冗帳瞞思議正俄戈駐鞠室戒渾告勇弘奢姆頃鍋須洽舜潦祟娛爐龔蕉哆塌姥卯揭稽復(fù)猩梭湛報(bào)疥寶灤轎朗粵燒柜咖囊吟典

3、柔證厚板鈦合金窄間隙tig焊接工藝研究侶疊法薦粵昌旭瘩柴槍鳳抿行干刪靈蘋哎薦對估柵壩撻匣設(shè)瘁演液豐吁賀曰劣穴瓢踏彬猶押脅擅樞黍聊筏掏世猜存窗蜂濤缽數(shù)聞厲俞乎苑戎乘右練鋸弦將盾鎊剎榮誹軟褥驅(qū)脖餾狄插殉鱉廳范苯透肆烘?zhèn)憔軐W(xué)暫贍熔懲宗坪乘惦遠(yuǎn)黃謂怖間遭宮妒蚤黃犢菊抵吉似紅秋串舊毀薔蟬似柜矛窘剁茸愉捍做述連辭阿懲鑼旭核益教日丙紳敢狠琺熔拾磷豁煙濱嚴(yán)砧既已乙僵游霉廢問荒膊俯盎卵券沫淡蘊(yùn)葛線釜恢畸常攘藤翹羚貧樂擦猿奇久炬禍?zhǔn)軤枖€肖干雍流胚睡渣賴閏琺籽茹屬岔整嘉癢瑯拒蘿無豐舜芽檬被霧曬列巍港腫敬箭皮尹勒攪絕碧插夾閘踏化竹沂拉僳紀(jì)責(zé)嗡鉛掖媒韻媒障紀(jì)閃霉唐楚袋蕩 年 月哈爾濱哈飛集團(tuán)汽車博物館設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（

4、論文）指導(dǎo)教師：王 五學(xué) 號：0123456789專 業(yè)：建筑學(xué)院 系：建筑學(xué)院張 三哈爾濱哈飛集團(tuán)汽車博物館設(shè)計(jì)敬小軍厚板鈦合金窄間隙tig焊接工藝研究崔 慶 龍 院 (系)： 材料科學(xué)與工程 專 業(yè)：焊接技術(shù)與工程學(xué)號： 1072910104 指導(dǎo)教師： 呂世雄 馮吉才2011年6月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 厚板鈦合金窄間隙tig焊接工藝研究專 業(yè) 焊接技術(shù)與工程 學(xué) 號 1072910104 學(xué) 生 崔 慶 龍 指 導(dǎo) 教 師 呂世雄 馮吉才 答 辯 日 期 2011年6月29日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評語姓名： 崔 慶 龍 學(xué)號： 1072910104 專業(yè)： 焊接技術(shù)與工程

5、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 工作起止日期： 2010 年 10 月 8 日起 2010 年 6 月 29 日止指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況，完成質(zhì)量及評分意見：_ _指導(dǎo)教師簽字： 指導(dǎo)教師職稱： 評閱人評閱意見：_ _ _ _ _ _ _評閱教師簽字：_ _ 評閱教師職稱：_ _答辯委員會評語：_ _根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的材料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會作出如下評定：學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績評定為： 對畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的特殊評語：_ _答辯委員會主任（簽字）： 職稱：_ _答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員（簽字）：_ _ _ _ _ _ _

6、 _ _ _ _ _ _ _ _ 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書姓 名：崔慶龍 院 (系)：材料科學(xué)與工程專 業(yè)：焊接技術(shù)與工程 班 號：10729101任務(wù)起至日期： 2010 年 10月 8 日至 2011 年 6 月 29 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 厚板鈦合金窄間隙tig焊接工藝研究立題的目的和意義：解決4500mm級載人深海探測器制造過程中的焊接問題；同時推動厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用，提出一種高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法。研究窄間隙條件下焊接厚板鈦合金的工藝及接頭的組織性能，優(yōu)化焊接參數(shù)，得到性能更為優(yōu)良的接頭。本課題的研究，對于工業(yè)實(shí)

7、際生產(chǎn)中厚板鈦合金的焊接提供了奠定了必要的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。技術(shù)要求與主要內(nèi)容：利用窄間隙tig焊接的方法，為得到性能優(yōu)良的焊接接頭，本課題主要通過以下幾個方面進(jìn)行研究：1) 通過對厚板鈦合金焊接性的分析，設(shè)計(jì)并制造窄間隙tig焊接條件下使用的焊槍和保護(hù)裝置。2) 78mm厚鈦合金試板的窄間隙tig焊接工藝試驗(yàn)。3) 焊接后接頭的組織分析與力學(xué)性能試驗(yàn)。4) 對焊接試板焊接過程中焊接變形與焊接溫度場的測量和分析。通過上述的分析，確定厚板鈦合金焊接工藝，分析在窄間隙條件下焊接，焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的特殊性能。進(jìn)度安排：2010.9-2010.11 50mm厚鈦合金板的試焊接，焊槍和保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和制

8、造。2010.12-2011.1 正式焊接78mm厚鈦合金板，焊接工藝的初步確定。2011.1-2011.3 焊縫金相組織觀察和力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化焊接參數(shù)。2011.3-2011.5 焊縫溫度曲線測量及分析。2011.5-2011.6 整理數(shù)據(jù)，撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。同組設(shè)計(jì)者及分工： 無指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見：教研室主任簽字_ 年 月 日摘 要解決4500mm級深海探測器制造過程中關(guān)于厚板鈦合金焊接的問題，同時推動厚板鈦合金在石油、化工等工業(yè)部門的廣泛應(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。本文采用tig電弧焊方法，窄間隙條件下

9、多層焊的方式，以ti-4al-2v為填充焊絲，對厚板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)，通過對焊接接頭宏觀及微觀組織分析、對比不同參數(shù)下的力學(xué)性能測試，優(yōu)化參數(shù)，確定最佳的厚板鈦合金窄間隙tig焊接工藝。工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，電流在180a240a之間可以得到完整可靠的焊接接頭，焊接過程中78mm厚鈦合金試板的橫向收縮為4.5mm，接頭區(qū)域狹窄且無明顯分區(qū)。通過微觀金相分析，明晰了窄間隙焊接條件下晶粒生長規(guī)律與組織特征，發(fā)現(xiàn)電流變化對于晶粒和組織影響甚微。力學(xué)性能測試表明，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

10、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。溫度場測量結(jié)果符合焊接熱循環(huán)變化規(guī)律，同時因?yàn)殁伜辖鸬奈锢硇阅芴攸c(diǎn)而呈現(xiàn)出其特殊性。關(guān)鍵詞：厚板鈦合金；窄間隙tig；顯微組織；力學(xué)性能；溫度場abstractto solve the welding problem in manufacturing 4500mm level bathyscaphe and propel the development of thick titanium alloys structures in industrial, narrow-gap tig welding of thick titanium all

11、oys is proposed as an efficient and economical method.narrow-gap tig welding of tc4 by using ti-4al-2v filler metal with multilayer welding way, experiments have been done under the different sizes of groove and serials of currents and protecting gas-flowrates, to determine the optimum welding param

12、eters after the metallographic analysis and mechanical properties testing of welding joint.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 titanium plate, and the joint is narrow

13、 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 little effect on the size of grain and microstructure. the tensile test shows that the tensile strength of joint is highe

14、r than the seam metal based on the theory of meshing strengthening in narrow-gap welding of titanium alloys, the increase of current leads to the rising of penetrationratio, that also can contribute to increasing of strength. results of welding temperature field measurement show that the titanium al

15、loys welding temperature field has its characteristics in the condition of narrow-gap tig welding. keywords: thick titanium alloys; narrow-gap tig; microstructure; mechanical property; welding temperature field目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1課題背景及研究的目的和意義11.2厚板鈦合金焊接性分析21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析31.3.1 mig多層多道焊31.3.2

16、窄間隙tig41.3.3電子束焊接41.4厚板鈦合金窄間隙tig焊接5第2章 焊接工藝試驗(yàn)72.1焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制作72.1.1焊槍的設(shè)計(jì)及制作72.1.2保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造82.2 試驗(yàn)材料和坡口102.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法112.3.1 試驗(yàn)設(shè)備112.3.2 窄間隙tig多層焊112.4 微觀組織分析132.4.1金相組織觀察132.4.2 sme成分分析132.5力學(xué)性能測試132.5.1硬度測試132.5.2強(qiáng)度測試13第3章 厚板鈦合金窄間隙tig焊接接頭顯微組織分析153.1鈦合金窄間隙tig多層焊焊接接頭宏觀163.2鈦合金窄間隙tig多層焊接頭晶粒生長規(guī)律173.3鈦

17、合金窄間隙tig焊接接頭微觀組織分析193.3.1 鈦及鈦合金同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變193.3.2 tc4鈦合金在不同溫度條件下的相變特點(diǎn)193.3.3 鈦合金窄間隙tig焊接接頭微觀組織分析203.4焊縫區(qū)域成分分析223.5本章小結(jié)24第4章 厚板鈦合金窄間隙tig焊接接頭力學(xué)性能測試254.1 厚板鈦合金窄間隙tig焊接接頭的顯微硬度分布254.2 厚板鈦合金窄間隙tig焊接接頭強(qiáng)度264.3厚板鈦合金窄間隙tig焊焊縫斷口分析284.4本章小結(jié)28第5章 焊接變形與焊接溫度場的測定305.1 78mm厚鈦合金窄間隙tig焊接變形測量305.1.1窄間隙tig焊接坡口尺寸的確定305.1.2 78

18、mm厚鈦合金窄間隙tig焊接變形的測量315.2厚板鈦合金窄間隙tig焊接溫度場的測定335.2.1焊接溫度場測定試驗(yàn)335.2.2溫度場曲線分析345.3本章小結(jié)37結(jié) 論38參考文獻(xiàn)39致 謝41第1章 緒 論1.1課題背景及研究的目的和意義 巨大的勘測難度使深?？睖y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)，這是中國發(fā)展深海探測一個繞不過去的坎兒。國際在線報(bào)道：中國國際廣播電臺環(huán)球資訊午間話題關(guān)注“蛟龍”號深海探測器突破3700米事件。中國科技部、國家海洋局聯(lián)合發(fā)布：我國自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的國家863計(jì)劃重大專項(xiàng)“蛟龍”號（如圖1-1）載人潛水器在中國南海300

19、0米級海上試驗(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03分的紀(jì)錄，驗(yàn)證了“蛟龍”號載人潛水器在3000米級水深的各項(xiàng)性能和功能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國深海載人探測已取得相當(dāng)大的成就。圖1-1 蛟龍?zhí)枅D1-2 國外一深海探測器取得成績的同時我們也要看到差距，美國1964年建造的“阿爾文”號載人潛水器即可下潛到4500m的深海；法國1985年研制成的“鸚鵡螺”號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)完成了深海6000m級水深的探測數(shù)千次。中國載人深海探測這條路任重而道遠(yuǎn)。依據(jù)全國第11個五年計(jì)劃，國家高技術(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)

20、是：“深化近淺海、開拓深遠(yuǎn)?！?。該部分內(nèi)容旨在開發(fā)強(qiáng)大的實(shí)用型潛水設(shè)備，建設(shè)和維護(hù)深海海底觀測網(wǎng)絡(luò)，以及勘探和海底取樣。項(xiàng)目計(jì)劃開發(fā)在水下4500米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。如圖1-3所示，該潛水器是一個直徑約為2m，壁厚90mm的球形容器，由12塊弧瓣形鈦合金板拼焊而成。圖1-3 深海潛水器效果圖鈦合金具有密度小、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)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用1，鈦合金在海洋工況下使用極具優(yōu)勢，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視鈦材在艦船領(lǐng)域中的開發(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。鈦合金能以

21、更輕的重量抵抗更強(qiáng)的水壓，而且又極耐海水腐蝕，是制造深海探測器的首選材料。深海探測器的設(shè)計(jì)厚度是90mm，因此如何完成厚板鈦合金的焊接，成為深海探測器制造的關(guān)鍵問題。本課題的研究，正是致力于深海探測器制造過程中鈦合金焊接技術(shù)的開發(fā)。從更深遠(yuǎn)的角度來看，近年來厚板鈦合金結(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、用于焊接厚板鈦合金的方法對于推動厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著重要意義。本論文主要是針對4500m級深海探測器項(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程參數(shù)，同時更深入

22、的探究厚板鈦合金焊接結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律及應(yīng)力、變形的控制等問題，為鈦合金深海探測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。1.2厚板鈦合金焊接性分析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。如果鈦合金在無保護(hù)或者保護(hù)不良的情況下進(jìn)行焊接，焊接接頭會因?yàn)殚g隙元素的污染而導(dǎo)致接頭的脆化。因?yàn)殁伒娜埸c(diǎn)高，比熱容小，導(dǎo)熱性能差，所以在焊接時冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)高溫下停留時間長，晶粒在高溫下極易過熱粗化，導(dǎo)致接頭的塑韌性下降。但對于tc4這樣的雙相鈦合金，由于合金化程

23、度高，晶粒長大傾向相對較小，所以，在焊接tc4時宜采用較大的焊接熱輸入。氣孔是鈦及鈦合金在焊接時最常見的焊接缺陷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熔合線附近形成氣孔，在焊接熱輸入較小時焊縫中部產(chǎn)生氣孔。氣孔的存在會降低接頭的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。氣孔敏感性與焊接方法、工藝等因素都有關(guān)，冷卻速度的快慢對氣孔的影響主要由周圍氣體擴(kuò)散使氣泡長大和氣泡上浮時間兩個相互矛盾的因素決定。一般來說，電子束焊接氣孔最多，等離子最少，氬弧焊趨于中間。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)深潛器的壁厚為90mm，厚板材料在焊接時必然會引起較大的焊接應(yīng)力和變形，而且厚板材料焊接時常加工成u形或v形坡口，以多層多道焊的方

24、式進(jìn)行焊接，填充金屬量過大是這種焊接方法一個很大的不足4，不僅浪費(fèi)了焊接材料，而且因?yàn)闊彷斎肓窟^大而使得接頭性能變差。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析國內(nèi)外對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：1.3.1 mig多層多道焊法國的e.budillon和j.p.peyronnet做過海底實(shí)驗(yàn)室用鈦合金厚板的焊接及評價。實(shí)驗(yàn)用板厚為20mm，用tig打底，mig填充的方法對鈦合金厚板進(jìn)行焊接。采用mig焊時，開坡口如圖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

25、板5。圖1-4 mig方法焊接坡口及焊接層數(shù)示意圖1.3.2窄間隙tig國內(nèi)船舶重工工業(yè)集團(tuán)的張偉明等人利用窄間隙tig自動焊的方法，焊接了40mm厚的ta2（工業(yè)純鈦）試板（如圖1-5），并對焊接后接頭的組織和性能進(jìn)行了分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用窄間隙tig的方法可以得到無缺陷的焊縫，焊接接頭性能良好，同時發(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。圖1-5 40mm厚ta2窄間隙焊接接頭1.3.3電子束焊接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，

26、并研究了不同聚焦電流對焊縫成形的影響。發(fā)現(xiàn)聚焦電流對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，焊接熔深、熔寬和焊縫寬度比值隨著焦點(diǎn)位置的不同表現(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。圖1-6 不同聚焦電流下焊縫成形情況圖1-7 聚焦電流對焊縫成形參數(shù)的影響美國機(jī)械學(xué)會n.saresh等人嘗試在正確的參數(shù)下焊接17.5mm厚的法蘭盤環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)(如圖1-8所示)。焊接結(jié)果顯示，采用單面電子束焊接一次無法熔透17.5mm厚的鈦合金板，因?yàn)楹附舆^程中缺乏可重復(fù)性的焊接參數(shù)。如果

27、采用如圖1-9所示雙面焊接的方式，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。圖1-8 結(jié)構(gòu)上方的環(huán)焊縫圖1-9 雙側(cè)焊接的建立分析上述國內(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，工藝簡單，操作靈活，可以有效解決大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)問題12-13，如果是以開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

28、接。1.4厚板鈦合金窄間隙tig焊接鑒于此，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，對有色金屬及其合金如鈦合金的焊接最具優(yōu)勢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，而且在相對少的焊接熱輸入下，解決了開坡口困難、焊接速度緩慢，焊后板材應(yīng)力變形大等問題15。本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（tc4）厚板，對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)量優(yōu)良的接頭的同時，對接頭性能進(jìn)行測試，進(jìn)一步分析影響接頭性能的主要因素。針對厚板鈦

29、合金窄間隙tig焊接，研究內(nèi)容主要圍繞以下幾個方面研究：1. 焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造2. 厚板鈦合金焊接工藝的確定及參數(shù)的優(yōu)化3. 焊接接頭金相組織的觀察和力學(xué)性能的測試4. 焊接溫度場的測量及焊接變形控制的分析第2章 焊接工藝試驗(yàn)2.1焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制作2.1.1焊槍的設(shè)計(jì)及制作作為氬弧焊機(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，具體來說焊槍的設(shè)計(jì)要考慮焊接電流的大小、焊接結(jié)構(gòu)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。試驗(yàn)方案提出焊接厚板鈦合金的方法為窄間隙ti

30、g多層焊。首先，鈦合金焊接時晶粒長大傾向并不明顯，同時為保證窄間隙多層焊時側(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100a300a，因此，所設(shè)計(jì)焊槍應(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，勞動強(qiáng)度大，對焊工的要求較高?？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

31、動強(qiáng)度，保證焊接質(zhì)量。綜合考慮上述因素，抓住所設(shè)計(jì)焊槍冷卻好、質(zhì)量輕及細(xì)長陶瓷噴嘴三個主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了適合于窄間隙、大電流下焊接的焊槍。焊槍黃銅制主體如圖2-1所示，總長度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時間焊接，焊槍也不會過熱。圖2-1 焊槍主體結(jié)構(gòu)圖2-2 陶瓷噴嘴尺寸最終完整的槍體設(shè)計(jì)圖如圖2-3所示。圖2-3 整體焊槍設(shè)計(jì)圖2.1.2保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造常溫下鈦表面鈍化層（氧化膜）的致密性極強(qiáng)，使得鈦非常

32、穩(wěn)定。但在溫度升高過程中，鈦對氫、氧和氮的吸收能力不斷加強(qiáng)16。焊接過程中，隨著溫度的升高，鈦從250開始吸氫，400開始吸氧，600開始吸氮。采用常規(guī)的氬弧焊填絲焊接時，從焊槍噴出的氣體形成的保護(hù)層只能很好的保護(hù)熔池，對已凝固而尚處于高溫狀態(tài)的焊縫及熱影響區(qū)則無保護(hù)作用。此時焊縫及熱影響區(qū)會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，而敞開式焊接時必須施以保護(hù)措施。鈦合金敞開式焊接依靠焊炬噴嘴、拖罩（圖2-4所

33、示）和背面保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)3。拖罩是敞開式鈦合金焊接時最常用，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，普通的拖罩根本無法深入其中，而拖罩浮于試板表面時會造成坡口中氣體的紊流，使保護(hù)效果變差。焊接蓋面過程中，相當(dāng)于薄板的焊接，拖罩還是可以起到保護(hù)作用的。圖2-4 焊槍與拖罩圖2-5 雙u形窄間隙坡口針對于本課題雙u形窄間隙坡口，設(shè)計(jì)了一種能夠深入坡口中的“拖罩”（圖2-6所示）。圖2-6 保護(hù)方案示意圖實(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

34、，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，氬氣會聚集于坡口之中，實(shí)現(xiàn)對焊接高溫區(qū)長時間的保護(hù)，保護(hù)銅管實(shí)物圖如2-7a所示。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)（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)。蓋面時所使用拖罩的設(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，即在沒有引弧板的情況下也可以達(dá)到良好的焊接效果；拖

35、罩內(nèi)的銅網(wǎng)使氣體更均勻的噴出。a）保護(hù)銅管b）拖罩c）拖罩內(nèi)部圖2-7 保護(hù)裝置2.2 試驗(yàn)材料和坡口本實(shí)研究過程中所用的母材為tc4（ti-6al-4v）鈦合金，厚度78mm。tc4（ti-6al-4v）鈦合金屬于+鈦合金。ti-6al-4v含有6%的穩(wěn)定元素al和4%的穩(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，隨爐冷卻。其退火后平衡組織以相為主，相含量通常9-30%。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，接頭可能會因?yàn)樗苄圆蛔愣鴮?dǎo)致開裂。因此選用塑韌性較好的近鈦合金ti-4al-2v。近鈦合金是固溶體和少

36、量相（2%-8%）組成，保留了合金與+雙相合金的許多優(yōu)點(diǎn)17。因此近鈦合金具有較好的強(qiáng)度和塑韌性，其塑韌性要好于tc4，其成分見表2-1。 表2-1 tc4鈦合金與ti-4al-2v焊絲化學(xué)成分表 (wt.%)材料tialvfecnhotc4基6.063.920.300.0130.0140.00140.15ti-4al-2v基4.501.800.200.010.010.0010.08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）。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

37、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所示，通過焊接過程中變形情況的測量和分析進(jìn)而確定最佳的坡口尺寸。a）小尺寸坡口b）大尺寸坡口圖2-8 雙u形窄間隙坡口焊前對坡口及兩側(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。2.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法2.3.1 試驗(yàn)設(shè)備根據(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。a）焊槍b）保護(hù)銅管c）背側(cè)保護(hù)圖2-9 試驗(yàn)中的保護(hù)裝置本實(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

38、過程中，工件置于銅質(zhì)工作臺上，采用手工操作的方式進(jìn)行焊接。2.3.2 窄間隙tig多層焊實(shí)驗(yàn)前，在一對鈦板上加工雙u形窄間隙坡口，并用細(xì)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。將試件置于工作臺上，背面用鋁箔封好后通氬氣保護(hù)。整個焊接系統(tǒng)的示意圖如圖2-10所示。圖2-10 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖焊接過程中，深入窄間隙坡口的通氬銅管中氬氣流量很重要，焊接過程中氬氣流量過大，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條件下焊接，觀察焊縫顏色變化，確定最佳的焊接氣流量。

39、為了確定窄間隙鈦合金焊接的最佳電流參數(shù)，同時研究不同電流參數(shù)對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100a300a，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/min，單層填充金屬厚度約為3mm。表2-2 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)焊接電流i（a）焊槍氣體流量q（l·min-1）銅管氣體流量q（l·min-1）背側(cè)氣體流量q（l·min-1）120-300810-2010厚板結(jié)構(gòu)焊接時拘束度大，

40、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，接頭中還是會存在較大的殘余應(yīng)力。過大的殘余應(yīng)力對接頭的拉伸、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。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，但接頭的性能會有一定的提升。焊接過程中，工件上的溫度隨著瞬時熱源的移動作用而發(fā)生周期性的變化，稱之為焊接熱循環(huán)，焊接熱循環(huán)研究了焊接過程中工件上某點(diǎn)的溫度隨時間的變化，對于焊接熱循環(huán)的研究有助于加深對焊接過程的理解。本論文對鈦合金窄間隙條件下焊接的焊接溫度場進(jìn)行測量，利用熱電偶對工件

41、上某些點(diǎn)溫度進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)繪制測溫曲線，測溫系統(tǒng)原理圖如圖2-11所示。圖2-11 測溫原理圖2.4 微觀組織分析2.4.1金相組織觀察為了觀察接頭各區(qū)域的金相組織，通過電火花線切割機(jī)對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)過磨平、拋光、腐蝕、清洗等步驟處理后，在金相顯微鏡（om）下觀察接頭各區(qū)域的組織。2.4.2 sme成分分析sme試驗(yàn)時，試樣的制作過程與金相試樣相同，拋光后不經(jīng)過腐蝕，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）

42、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。2.5力學(xué)性能測試2.5.1硬度測試為分析接頭區(qū)域的硬度變化規(guī)律，對接頭進(jìn)行顯微硬度測試，顯微硬度計(jì)載荷500g，承載時間10s。2.5.2強(qiáng)度測試本論文采用拉伸試驗(yàn)測試接頭的抗拉性能，評價接頭的結(jié)合強(qiáng)度。由于焊接過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，因此本論文對相同焊接條件下的試件在不同深度位置處各取6個拉伸試件，測量其平均抗拉強(qiáng)強(qiáng)度。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電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)

43、上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，橫梁移動速度0.5mm/min。拉伸試驗(yàn)前后的實(shí)物圖如圖2-13所示。圖2-12 拉伸試件尺寸圖a）拉伸前b）拉伸后圖2-13 拉伸試件實(shí)物圖第3章 厚板鈦合金窄間隙tig焊接接頭顯微組織分析本次試驗(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，通過多組的焊接試驗(yàn)，以確定最佳的焊接參數(shù)。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)氣體流量保證了焊接后焊縫呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，達(dá)到一級焊縫水平。表3-1 焊接保護(hù)氣體流量位置焊槍銅管/拖罩背側(cè)氣體流量8l/min15l/min7l/min在120a電流下焊接，可以得到外觀完整的接頭，但經(jīng)過超聲探

44、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，易造成焊縫夾鎢，其次惡劣的焊接條件影響焊工的操作，再次，過大的熱輸入勢必導(dǎo)致接頭中應(yīng)力過大，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)了有焊縫開裂的現(xiàn)象。圖3-1 120a下未融合現(xiàn)象圖3-2 300a下出現(xiàn)裂紋在180a和240a下焊接試板焊接效果良好。外觀檢驗(yàn)，焊縫平滑過渡，無裂紋、咬邊、焊瘤等缺陷，焊縫表面呈銀白色金屬光澤。無損檢測，焊接后試板進(jìn)行100%rt探傷，評定標(biāo)準(zhǔn)jb/t473

45、0.2-2005，i極合格。焊縫側(cè)面和表面成形如圖3-3a、b所示。a） 焊縫表面成形b） 焊縫側(cè)面成形圖3-3 焊縫成形在本章主要對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。在本章，主要對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，主要包括三個方面的內(nèi)容：首先，對鈦合金窄間隙tig多層焊焊接接頭晶粒生長特征的分析，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

46、金窄間隙下焊接接頭特有的嚙合強(qiáng)化機(jī)理。3.1鈦合金窄間隙tig多層焊焊接接頭宏觀鈦合金窄間隙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)雜過程后迅速凝固形成牢固的焊縫，并在隨后的過程中繼續(xù)發(fā)生固態(tài)相變。其中熱影響區(qū)雖然沒有熔化，但也因受到高溫影響而發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變。這一系列變化都會影響焊接接頭的性能。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)再到焊縫的過渡，焊接層數(shù)以及熱影響區(qū)的范圍。從宏觀金相上并沒有發(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。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，過寬的焊縫和熱影響區(qū)可能會導(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20mm，因此焊接造成的不利影響也相應(yīng)的減小。圖3-4 焊縫宏觀3.2鈦合金窄間隙tig多層焊接頭晶粒生長規(guī)律常規(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，高溫停留時間長，金屬處于過熱狀態(tài)，晶粒長大嚴(yán)重，脆性大，韌性低；細(xì)