摘 要 窄間隙條件下，TIG多層焊的方式焊接52 mm厚TC4鈦合金板。以焊接層為周期，利用溫度采集器和計算機對焊接試板背側的溫度進行采集。繪制焊接溫度隨焊接時間及焊接層數的變化曲線，分析厚板鈦合金焊接溫度場。總結厚板鈦合金焊接溫度場隨焊縫厚度的變化規律，發現在焊接層厚度超過37 mm后，焊縫背側不再需要焊接保護。

　　關鍵詞 厚板鈦合金；窄間隙TIG；溫度場

　　鈦及鈦合金作為一種新型輕合金材料具有比強度高、無磁、耐腐蝕等優異特性，得到廣泛的應用[1-2]。近些年來，鈦合金以其高強抗蝕的特點在能源、化工、艦船領域的優勢愈加明顯，而且鈦合金在上述領域的應用尤以20 mm以上的厚板材料居多，這樣便對鈦合金的焊接加工提出了更高的要求，對于厚板鈦合金焊接方面的研究也顯得較為迫切。

　　焊接鈦合金時要采取嚴格的保護措施[3]。鈦合金屬于活潑金屬，300℃以上吸氫，600℃以上吸氧，700℃以上吸氮，這些氣體都會導致焊接接頭的脆化[4]。同時，厚板材料在焊接過程中不可避免的會產生很大的應力和變形。

　　因此提出采用窄間隙TIG方法焊接厚板鈦合金，TIG焊尤其適合有色金屬的焊接，焊接過程中噴出的氬氣可以對焊縫區域產生持續的保護，而且采用能夠減小焊接應力和變形的窄間隙坡口[5]，減小熔敷金屬量，提高焊接接頭質量。

　　對鈦合金窄間隙TIG焊接過程中溫度場的研究，可以確定對鈦合金的保護程度以及進一步完善焊接工藝，加深對焊接過程的理解，以及建立焊接過程中溫度變化與組織轉變間的關聯。雖然現在有限元分析方法取得了一些成果[6]，但是仍然需要足尺模型和實際的焊接過程，對焊接過程進行指導。

　　試驗中使用的鈦合金TC4（Al 6.06%，V 3.92%，Fe 0.3%，C 0.013%，O 0.15%，Ti余量），試板厚度52 mm。在試板上開U形窄間隙坡口，坡口尺寸如圖1所示。采用TIG焊方法，填絲多層焊方式，焊接厚板鈦合金，試驗中所用焊絲Ti-4Al-3V（Al 4.5%，V 1.8%，Fe 0.2%，C 0.01%，O 0.08%，Ti余量）。焊接參數：焊接電流240A，焊接平均速度65cm/min，單層熔敷金屬厚度3 mm。

　　為了測定焊接過程中的溫度場，在焊接開始前，將熱電偶按照如圖1所示的位置，用儲能點焊的方式焊接在鈦合金試板的背側。將熱電偶連接到溫度采集器，接通計算機。焊接開始后，以每一焊接層為一個周期，對焊接溫度進行采集，并利用計算機繪制成溫度和時間的關系。

　　鈦合金焊接過程中需要嚴格的保護，本次試驗中，試板的正面，使用通有氬氣的拖罩跟隨焊槍，保護焊縫高溫區。同時在試板的背面同樣通氬氣，保護焊縫背側高溫區，如圖2所示。

　　將最接近焊縫中心熱電偶命名為熱電偶1，由中心向外依次為熱電偶2、3、4，對每層焊道的焊接過程進行溫度測量，計算機繪制溫度變化曲線。

　　為焊接第2層時的焊接參數、熱電偶位置及測得的溫度場曲線。隨著焊接過程的進行，試板背側的溫度快速上升，隨后以相對小的速率下降。因為填充金屬厚度較小，電弧熱量集中，熱電偶1測得的峰值溫度超過了1000℃，所有熱電偶測得溫升速度都很快，最高達到了約62℃/s，而降溫速度達到12℃/s。

　　焊接第8層時焊接參數、焊接位置及測溫曲線，溫度曲線上升和下降的速率較焊接第2層時明顯下降，最快的升溫和降溫速度約為2.7℃/s和0.2℃/s。熱電偶1測得的最高峰值溫度也因為焊接填充金屬厚度的增加下降為350℃，同時可以看見4個熱電偶測得曲線間的溫差逐漸縮小。

　　焊接第14層時測得的溫度場，升溫和降溫速度更為緩和，最大溫升速率0.2℃/s。各熱電偶測得溫度曲線間差距進一步減小，熱電偶1測得峰值溫度已經下降為160℃。

　　距離焊縫不同位置的熱電偶測得的溫度變化曲線符合焊接熱過程的變化規律[5]，即焊接過程中，溫度快速升高，達到峰值溫度后，緩慢下降，溫度變化率逐漸減小。而且最靠近焊縫的熱電偶1峰值溫度最高，隨著焊接層數的增多，各熱電偶測得的溫度間差異逐漸變小，這與熱量在工件中傳導有關，焊接層數越多，熱量傳遞到熱電偶位置時越趨于均勻，溫差越小。

　　如圖6所示，將熱電偶1在第2、5、10、13層測得的溫度曲線繪制在一張圖中，對比發現隨著焊接層數的增加，溫度的變化趨于緩和，即升溫和降溫的速度在減小，這與熱量的輸入和散熱條件有關；同時可以看出，焊接峰值溫度出現的時間隨焊接層數增加向右移動，這與熱量傳遞需要時間有關，而且鈦合金導熱性差，這種熱量傳遞時間的差異尤為顯著；觀察第10層和第13層的溫度曲線，看到在曲線達到峰值溫度的之前溫升速率逐漸減小，這說明了此時的峰值溫度是在電弧掃過熱電偶所在截面后很長時間才出現的，即依靠熱量長時間擴散積聚而達到的峰值溫度，這也更說明了鈦合金的導熱性差。

　　同時根據鈦合金焊接時保護的原則，當金屬溫度在200℃以上時都需要進行保護。通過上述溫度場的分析，發現隨著焊接層數的增加，焊縫背側的溫度逐漸減小。熱電偶1的位置最接近焊縫中心，測得的曲線反應的是焊縫的最高溫度。從圖6中可以看出，熱電偶1在焊接到第10層時，峰值溫度已經降至200℃以下，此時填充金屬的厚度達到37 mm，即在鈦合金的焊接中當接觸空氣的金屬表面距集中熱源距離達到37 mm時，可以不附加焊縫背面的保護措施。

　　3 結論

　　1）通過對52 mm厚單邊U形窄間隙坡口鈦合金試板焊接，測得厚板窄間隙TIG焊接條件下溫度場。隨著焊縫厚度的增加，溫度場升溫和降溫速率逐漸減小，溫度場峰值溫度的出現時間因為鈦合金導熱性差的特點表現得尤為顯著。

　　2）溫度場測定試驗確定了厚板鈦合金窄間隙TIG多層焊接過程中，當填充金屬厚度達到37 mm厚時，可以撤去鈦合金試板背側保護措施。

　　參考文獻

　　[1]王煥琴.鈦及鈦合金焊接接頭的組織、性能和斷裂特性[J].焊接，2001（11）：27-29.

　　[2]Poondlaa N， Srivatsanb T S and Patnaika A. A Study of the Microstructure and Hardness of Two Titanium Alloys： Commercially Pure and Ti-6Al-4V[J].Journal of Alloys and Compounds，2009，486（1-2）：162-167.

　　[3]侯繼軍，董俊慧.TC4鈦合金 TIG焊接性研究[J].內蒙古科技大學學報，2010（29）：180-183.

　　[4]李亞江，王娟，劉強.有色金屬焊接及應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

　　[5]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業出版社，2008.

　　[6]王新彥，趙強.鈦合金與鈮合金電子束焊溫度場數值模擬[J].焊接，2007：27-29.

　　作者簡介

　　崔慶龍（1988-），男，碩士，研究實習員，研究方向：材料加工，精密機械加工等。