TC4鈦合金TIG焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

普遍,國內(nèi)外對大量生產(chǎn)連接設(shè)備的需求量愈來愈高,相應(yīng)的對航空航天和軍工等部門的用相對較小,且無法短期內(nèi)滿足較高的連接工藝需求,關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)仍有賴于引進(jìn),很大限度影響著我國的制造業(yè)發(fā)展步伐。合金工藝技術(shù)、組織與特性三者之間的影響規(guī)律,不少研究者都已使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起了鈦合金的組織-性能模型,但由于建模的可信度還要求大規(guī)模的樣本數(shù)據(jù)累積與專業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)知識。因此我們將采用在各種各樣的工藝參數(shù)要求下手工TIG連接TC4鈦合金,以獲取實(shí)測數(shù)值,進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù),進(jìn)而深入深入研究這些參數(shù)對焊縫工藝技術(shù)的影響規(guī)律,為TC4鈦合金TIG焊的工藝的優(yōu)化以及在工業(yè)中廣泛的應(yīng)用提供理論鈦元素在發(fā)現(xiàn)之初并未被命名,且并未具有真正的商業(yè)價值。經(jīng)過世界各地的科研人員對鈦的提取方法的不斷地改良,到了20世紀(jì)80年代以向完善,先是用還原鎂—最大真空度的蒸餾酒法制得海綿鈦,然后再將海羊鈦和母合金混勻,然后再經(jīng)過粉碎、篩選,壓制形成電極反應(yīng)過程,結(jié)束再經(jīng)過自耗或電極電弧精煉等較繁瑣的工藝,便可得到的具有各種金屬表面光澤的銀灰色鈦或鋁鎂合金,其制造流程相當(dāng)復(fù)雜,而且生產(chǎn)成本也很高昂。自一九四八年進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段至今,鈦及其合金的生產(chǎn)有了六十余年的發(fā)展歷程,但在這之間人們關(guān)于它的發(fā)展并沒有總是一帆風(fēng)順的,因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)中告誡了我們一定關(guān)乎其供需關(guān)系規(guī)律,所以它每一個發(fā)展的節(jié)點(diǎn)都和航天、飛機(jī)等行業(yè)的發(fā)展速度密切相關(guān)。但即便如此鈦及其合金的發(fā)展速度卻遠(yuǎn)超其它由于受軍事等領(lǐng)域所需鈦量的快速增長鈦及其合金的發(fā)展速度又出現(xiàn)了一個節(jié)點(diǎn),同時全球鈦市開始轉(zhuǎn)暖,在一九九六年鈦工業(yè)的發(fā)展也取得了史無前例的發(fā)展,并且此后數(shù)年在許多應(yīng)用領(lǐng)域中都獲得了更廣泛的運(yùn)用。在當(dāng)時便有專家預(yù)言,今后的幾十年中海羊鈦的產(chǎn)出與用量將會不斷的上升。就目前全球鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度來說,大約正在以每年超過去年總和的十分之一速度在增加中,鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將呈現(xiàn)一個欣欣向榮的景象。就目前來說妨礙鈦廣泛應(yīng)用的最主要因素,是生產(chǎn)成本過高等、昂貴。但我國的鈦產(chǎn)業(yè)起步相對較晚,到一九五四年由于我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展而意識到得到了海羊鈦,真正進(jìn)行系統(tǒng)的鈦及合金研制則是在一九五六年之后。一九五八年我國便生產(chǎn)出鈦錠和鈦管,同年十月我國就軋制出了國內(nèi)一mm的厚鈦合金板材并安裝。盡管當(dāng)時我國的鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步相對較晚,但近年來由于我國的高度重視和政府對許多高技術(shù)項(xiàng)目寶雞有色金屬加工廠在營業(yè)前先進(jìn)行了業(yè)務(wù)規(guī)劃,將過程數(shù)據(jù)移至北京有色金屬研究所。根據(jù)冶金工業(yè)部門的專門部門,它不再負(fù)責(zé)方面的開發(fā)難題。經(jīng)過不懈努力中國成為第四個有鈦工業(yè)體制的國家。到二零零七年止,中國海綿鈦的生產(chǎn)量仍排名全球首位。不過,目前中國的鈦冶金與制造科技領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家還具有相當(dāng)?shù)木嚯x,主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)科研比較薄弱,原創(chuàng)性的新產(chǎn)品比較缺乏,在合金挖潛領(lǐng)域也遠(yuǎn)滯后于國外,在鈦工業(yè)仍然處于發(fā)展階段。鈦合金也被不少發(fā)達(dá)國家所注意,稱為"崛起的第三金屬"。在宇航應(yīng)用、石油化工、占有陸地表國土面積約百分之七十一的海域中蘊(yùn)藏著大量的資源,發(fā)展海上事業(yè)、開發(fā)利用海面,使海面變成了一個巨大財(cái)富的來源地,這已經(jīng)成為了人類多年來努力的方向之一。不過,正因?yàn)楹Ｃ嬷芯哂屑s百分之三點(diǎn)五的含鹽量,所以,海面中具有著侵蝕性。而且,海面中的部分海洋生物環(huán)境污染又加劇了海面的侵蝕性。鈦及其合金的硬度高、金屬今,鈦材料已經(jīng)在海上石油開采、港灣建設(shè)、近海發(fā)電站、海水淡化、造船、海面捕撈和海洋熱能轉(zhuǎn)換等方面獲得了普遍的使用?，F(xiàn)在,世界海洋工業(yè)中用鈦材料已經(jīng)成為了鈦民用應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。氫氟酸、濃鹽酸和溫度較高的鹽酸、硫酸,鋁鎂合金的抗腐蝕能力也會變差。這主要是因?yàn)?具有氧化活性的酸會損傷鋁鎂合金表層的鈍化作用層,使其特性更加不穩(wěn)定,從而在表層中引起銹蝕。在大多數(shù)的酸、堿、鹽類等介質(zhì)中,鋁鎂合金會的表面都會迅速形成的高密度的金屬氧化物層。而由于鋁鎂合金的抗腐蝕力很強(qiáng)這一特點(diǎn),為后來鋁鎂合金在化工設(shè)備生產(chǎn)方面的廣泛應(yīng)用,奠定了很好的物質(zhì)基礎(chǔ)。如鈦在石油化工應(yīng)用領(lǐng)域常被用于濕氯氣冷卻器,使用壽命長,安全可靠性高,并可以增加很好的效益。目前,中國國內(nèi)餐具、炊具材料中普遍采用的都是鐵、鋁合金、不銹耐酸鋼等這些材質(zhì),在實(shí)際應(yīng)用中對人類都或多或少會產(chǎn)生某些不利身體健康的影響。鈦保健產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)就是在鈦金屬表面生有一個很堅(jiān)固的氧化鈦化合物膜,化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,所以即使夠烹調(diào)出食物的原汁原味,而純鈦鍋也是中國惟一能夠用于炒中藥的金鍋產(chǎn)品。在歐美和日本,人們常統(tǒng)稱鈦鍋為佳肴鍋,原汁原味的佳肴是保健元素。鈦鍋的熱功效優(yōu)異:能夠在低溫、高速、低油的環(huán)境烹調(diào)出綠色食品佳肴,有效的保持了食物的營養(yǎng)素和味道。高營具有如此優(yōu)良的特點(diǎn),并且鈦也是極為不易加工的金屬材料。對鈦的焊接技術(shù)也制約著各著生產(chǎn)成本的降低和新科技的進(jìn)展。應(yīng)新的要求,大量使用正是因?yàn)檫@時期步入了工業(yè)化的時期。大量使用后因體積較小、比合金在航空構(gòu)件上的廣泛運(yùn)用,又由戰(zhàn)機(jī)擴(kuò)展至軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī),同時在民用飛機(jī)上也已開始大規(guī)模應(yīng)用鋁鎂合金構(gòu)件。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后,民航班機(jī)用鈦數(shù)量逐上不可缺少的基本結(jié)構(gòu)材料。而按照應(yīng)用不同,也可以把航空器所用鋁鎂合金材料分成了料性能最優(yōu)異,但由于其成本較高、且價格昂貴而制約了其更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。鈦合金根據(jù)各種方式可以分成截然不同的類型。按相構(gòu)成鈦合金又可分成:雙密排六馬氏體α+β型的大量使用,退火結(jié)構(gòu)通常為α+β相,β相含量通常為百分之五~百分之四十左右。α+β型合金擁有卓越的綜合性能和其他鈦合金一樣,在α+β合金中因同樣加入了α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素,將α與β相進(jìn)行了加強(qiáng)。α+β合金有著優(yōu)異的綜合性能,如其室溫條件強(qiáng)度優(yōu)于α合金的,熱加工工藝性能好,還能夠進(jìn)行熱加工的增強(qiáng),所以應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。Α+β類鋁鎂合金高溫退烈的化學(xué)反應(yīng),所以熔煉和制作的成本都很昂貴。鈦及其復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)低、耐磨性也不好。在在切削時容易粘刀,因此切削速度不能太快。(4)鋁鎂合金有優(yōu)異的抗腐蝕特性,尤其是在海水中和海洋的大氣環(huán)境中抗蝕性極高,可用來制造艦艇的外殼、海上鉆井平臺的提升器等。鈦對不同含量的氧化性酸和某些強(qiáng)有機(jī)酸等腐蝕介質(zhì)種比較穩(wěn)定,而且不會隨著外界溫度的升高,大幅度增大反應(yīng)速度。此外,在堿性溶液種的抗蝕性也表現(xiàn)良好。鈦的侵蝕方式以平均侵蝕為主,通常不發(fā)生局部侵蝕(5)鋁鎂合金的工作溫度區(qū)間比較,鋁合金與鎂合金較寬。低壓和超低壓的條件下,機(jī)械性能仍然表現(xiàn)得優(yōu)秀,-253℃高溫下的低鈦合金則能夠在保證高強(qiáng)度的同時,依然具備六百℃,因此一旦能克服在此高溫之上的氧化物破壞現(xiàn)象,其應(yīng)用工作溫度也就可以大大對硫、氧、氮等物質(zhì)存在較大的活潑性,且易于被焊縫結(jié)構(gòu)上的水份、污物、油脂等鈦的溫度較高、熱容量大、導(dǎo)熱性較差,所以在焊縫時易于形成容積大且溫度較高的熔池,從而造成焊縫及受熱影響地區(qū)金屬在高溫滯留的時間較長,晶粒增長趨勢強(qiáng)烈,進(jìn)而影響了連接的熱塑性和破壞彈性。易形成連接分為熱裂縫和冷裂紋,特別是在工業(yè)純鈦、合金來說,如β組織濃度較低的,其焊縫性較好,其焊接頭塑性也比α鋁鎂合金低;而β組織較多的,合金在淬火過程中會產(chǎn)生許多馬氏體相,即為α′相,使焊接頭的塑彈性逐漸下鈦和鋁鎂合金焊時,氬元素、母材和焊絲中存在的O2、N2、H2、CO2、H2O等均可以形體。所以,應(yīng)該控制氣孔的形成,而阻止氣孔形成的最關(guān)鍵鈦及其合金化學(xué)性質(zhì)活潑,溶解氮、硫、氧氣等的能量很大,所以一般的焊條電弧焊、縫區(qū)和熱影響區(qū)出現(xiàn)原始β相的粗大晶粒和β相的低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物α′相,使材料的塑韌性鎢極氬弧焊是鈦和鈦合金焊最常見的方式。適用于點(diǎn)焊在四毫米厚以內(nèi)的鈦及合金。對板材中厚在三毫米以內(nèi)的對接接頭,可在不開斜坡處、不填充金屬焊絲的情況下直接施焊;而對三毫米以上厚的板材,則必須打開斜面處并加以充填金屬,在必要時也可選擇多層量優(yōu)美,綜合力學(xué)性能也較好。焊接過程中,為防止空氣侵入而玷污焊縫區(qū)的金屬,可采用拖罩和背面保護(hù)這種局部氣體保護(hù)焊接法把接頭的高溫區(qū)域與外界空氣隔絕開來。等離子焊接的保護(hù)物質(zhì)是即氧,有時需要在即氧中摻入少量的儲氫材料。等離子焊應(yīng)用在金利用等離子焊接能得到較好的性能。在摩擦連接工作過程中熱能聚集的結(jié)合表面,擴(kuò)散出去的熱量較少,這樣的情況下能得到熱影響區(qū)很小的焊縫。而且結(jié)合面沒有暴露在空氣中,焊縫處沒有與空氣接觸,避免了T本文中使用的是一個整體氣體保護(hù)連接的方式,整個連接過程在密閉玻璃箱內(nèi)完成,先排盡了箱內(nèi)的空氣,接著再充以純氬氣,焊接件也在箱內(nèi)置于惰性氛圍下施焊,從而得到的處理需要更加仔細(xì),如果處理的不善,很有可能在焊接過程中出現(xiàn)氣孔、裂紋等問題,就會影響焊接接頭的質(zhì)量。所以對于鈦合金的焊接，焊接前應(yīng)該嚴(yán)格把控焊縫處與近縫區(qū)的焊前清理。此外,保護(hù)的優(yōu)劣的另一標(biāo)準(zhǔn)是焊縫區(qū)熱變形部位的外觀色澤。一般來說，銀白色是要求在焊后的最佳色澤,其次是金黃色或深黃色,當(dāng)焊后出現(xiàn)藍(lán)色,表明在焊接過程(1)在焊縫之前,認(rèn)真清洗焊絲、母材表面上的金屬氧化物層和油漬等有機(jī)污物;嚴(yán)格(4)在焊接過程中,氬弧焊槍應(yīng)超前噓氣,滯后斷氣。焊接的前方、正面后端、后部和析了焊后連接器的熱力學(xué)性能和變形方法;再利用金相研究,解析了TC4鈦合金焊縫接頭的顯微組織結(jié)構(gòu)、以及焊縫流程中的組織變化,最終得到最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。第2章試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法組合方式為α+β雙相組織,TC4鈦合金板料試樣的化學(xué)成分見下表所示,物理性能和熱動力學(xué)特性參考見下表。焊絲為板材用鋸床裁剪下來x3mm和母材同等材料的焊絲。表2-1TC4鈦合金板材試樣的化學(xué)成分AlVCNHOTi余量表2.2TC4鈦合金板材試樣物理性能及力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度伸長率室溫密度熔點(diǎn)沸點(diǎn)熱導(dǎo)率(℃)(℃)（W·m-1·K-1）），2.3焊接試驗(yàn)方案為了能夠?qū)φn題實(shí)驗(yàn)深入性的研究，為此制定了厚度為2mm的TC4鈦合金的TIG焊焊金相試樣的制作通常包括取樣、研磨、拋光、浸蝕和觀察。為進(jìn)一步降低試驗(yàn)誤差，更準(zhǔn)確地確定機(jī)械性能和組織之間的定量關(guān)系，本文樣品從電弧部位附近的焊點(diǎn)處獲得了表面磨印完全脫落并有光滑的鏡子時，可以停止打磨，用清水或酒精清洗后再進(jìn)行腐蝕。了TIG焊的深寬比、焊縫表面缺陷等因素對TIG焊的焊接性縫和低切，焊接面比較平坦。不同焊接工藝參數(shù)下，焊縫顏色反映了焊縫的受保護(hù)程度，4組試件的顏色是銀白色和金黃色，表示焊接保護(hù)效果良好，沒有氧化物層。氧化物層的形成主要是由于焊接的高溫保持時間長而產(chǎn)生的高熱量輸入，空氣中的氧與焊接池的液體金屬反應(yīng)，在焊接池表面形成緊密的氧化膜。一般來說，焊接部不存在氧化膜的情況下，焊接部會得到良好的保護(hù)。部氣孔為氣體未完全溢出焊縫就凝固從而形成孔洞氣孔可能是由于焊件表面雜質(zhì)未清理干凈、焊接過(a)(b)(c)(d)中可以看出，熔寬和熔深的寬度隨著熱輸入的減小而大體呈現(xiàn)遞減趨勢，并且熔寬的增加(b)(d)圖3.2四組參數(shù)下TC4鈦合金TIG熔深和熔寬表3-1不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫深寬比1234圖3.3焊接熱輸入對熔深、熔寬和深寬比的影響不同的材料會有不一樣的物理性能，其主要原因是由材料的顯微結(jié)構(gòu)決定的，例如TC4鈦合金在焊接過程中經(jīng)歷不同的組織形態(tài)轉(zhuǎn)變，焊接狀態(tài)下的不同組織對TC4鈦合金圖3.4TC4鈦合金TIG焊接接頭三維形貌由于焊接加熱時的峰值溫度較低，相鄰于母材的熱影響區(qū)的組織具有較低的冷卻速度，并構(gòu)成熱影響區(qū)（圖3.6）的組織主要是α+α'+β,構(gòu)成焊縫區(qū)（圖3.7）的組織主要是α'馬且熱影響區(qū)中的晶粒為粗大的柱狀晶。焊縫區(qū)時基本上都是網(wǎng)籃狀組織，越接近母材，網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)的比