厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究毕业论文(49页).doc

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1、-厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究毕业论文-第 39 页 年 月哈尔滨哈飞集团汽车博物馆设计本科毕业设计（论文）指导教师：王 五学 号：0123456789专 业：建筑学院 系：建筑学院张 三哈尔滨哈飞集团汽车博物馆设计敬小军厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究崔 庆 龙院 (系)： 材料科学与工程 专 业：焊接技术与工程学号： 1072910104 指导教师： 吕世雄 冯吉才2011年6月毕业设计（论文）题 目 厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究专 业 焊接技术与工程 学 号 1072910104 学 生 崔 庆 龙 指 导 教 师 吕世雄 冯吉才 答 辩 日 期 2011年6月29日 哈尔

2、滨工业大学毕业设计（论文）评语姓名： 崔 庆 龙 学号： 1072910104 专业： 焊接技术与工程 毕业设计（论文）题目：厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究 工作起止日期： 2010 年 10 月 8 日起 2010 年 6 月 29 日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：_ _指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见：_ _ _ _ _评阅教师签字：_ _ 评阅教师职称：_ _答辩委员会评语：_ _根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语：_ _答辩委员会主任（签字

3、）： 职称：_ _答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员（签字）：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 年 月 日哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓 名：崔庆龙 院 (系)：材料科学与工程专 业：焊接技术与工程 班 号：10729101任务起至日期： 2010 年 10月 8 日至 2011 年 6 月 29 日毕业设计（论文）题目： 厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究立题的目的和意义：解决4500mm级载人深海探测器制造过程中的焊接问题；同时推动厚板钛合金在石油、化工等工业部门的广泛应用，提出一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法。研究窄间隙条件下焊接

4、厚板钛合金的工艺及接头的组织性能，优化焊接参数，得到性能更为优良的接头。本课题的研究，对于工业实际生产中厚板钛合金的焊接提供了奠定了必要的理论基础和试验基础。技术要求与主要内容：利用窄间隙TIG焊接的方法，为得到性能优良的焊接接头，本课题主要通过以下几个方面进行研究：1) 通过对厚板钛合金焊接性的分析，设计并制造窄间隙TIG焊接条件下使用的焊枪和保护装置。2) 78mm厚钛合金试板的窄间隙TIG焊接工艺试验。3) 焊接后接头的组织分析与力学性能试验。4) 对焊接试板焊接过程中焊接变形与焊接温度场的测量和分析。通过上述的分析，确定厚板钛合金焊接工艺，分析在窄间隙条件下焊接，焊接结构呈现出的特殊性

5、能。进度安排：2010.9-2010.11 50mm厚钛合金板的试焊接，焊枪和保护装置的设计和制造。2010.12-2011.1 正式焊接78mm厚钛合金板，焊接工艺的初步确定。2011.1-2011.3 焊缝金相组织观察和力学性能实验，优化焊接参数。2011.3-2011.5 焊缝温度曲线测量及分析。2011.5-2011.6 整理数据，撰写论文，准备答辩。同组设计者及分工： 无指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_ 年 月 日摘 要解决4500mm级深海探测器制造过程中关于厚板钛合金焊接的问题，同时推动厚板钛合金在石油、化工等工业部门的广泛应用，提出窄间隙条件下TIG

6、焊，作为一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法。本文采用TIG电弧焊方法，窄间隙条件下多层焊的方式，以Ti-4Al-2V为填充焊丝，对厚板TC4钛合金进行了焊接。焊接试验中设置不同的坡口尺寸，一些列变化的焊接电流及气体保护流量参数，进行多组焊接试验，通过对焊接接头宏观及微观组织分析、对比不同参数下的力学性能测试，优化参数，确定最佳的厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺。工艺试验结果表明，电流在180A240A之间可以得到完整可靠的焊接接头，焊接过程中78mm厚钛合金试板的横向收缩为4.5mm，接头区域狭窄且无明显分区。通过微观金相分析，明晰了窄间隙焊接条件下晶粒生长规律与组织特征，发现电流

7、变化对于晶粒和组织影响甚微。力学性能测试表明，窄间隙接头因啮合强化而使得接头强度得到提高，而且随着电流的增大，焊缝熔合比的增大使得接头性能进一步提高。温度场测量结果符合焊接热循环变化规律，同时因为钛合金的物理性能特点而呈现出其特殊性。关键词：厚板钛合金；窄间隙TIG；显微组织；力学性能；温度场AbstractTo solve the welding problem in manufacturing 4500mm level bathyscaphe and propel the development of thick titanium alloys structures in industri

8、al, narrow-gap TIG welding of thick titanium alloys 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-f

9、lowrates, to determine the optimum welding parameters 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

10、 in 78mm titanium plate, and the joint is narrow 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 s

11、hows that the tensile strength of joint is higher 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 tempera

12、ture field measurement show that the titanium alloys 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 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1课题背景及研究的目的和意义1

13、1.2厚板钛合金焊接性分析21.3国内外研究现状及分析31.3.1 MIG多层多道焊31.3.2窄间隙TIG41.3.3电子束焊接41.4厚板钛合金窄间隙TIG焊接5第2章 焊接工艺试验72.1焊枪及保护装置的设计及制作72.1.1焊枪的设计及制作72.1.2保护装置的设计及制造82.2 试验材料和坡口102.3 试验设备及方法112.3.1 试验设备112.3.2 窄间隙TIG多层焊112.4 微观组织分析132.4.1金相组织观察132.4.2 SME成分分析132.5力学性能测试132.5.1硬度测试132.5.2强度测试13第3章 厚板钛合金窄间隙TIG焊接接头显微组织分析153.1钛

14、合金窄间隙TIG多层焊焊接接头宏观163.2钛合金窄间隙TIG多层焊接头晶粒生长规律173.3钛合金窄间隙TIG焊接接头微观组织分析193.3.1 钛及钛合金同素异构转变193.3.2 TC4钛合金在不同温度条件下的相变特点193.3.3 钛合金窄间隙TIG焊接接头微观组织分析203.4焊缝区域成分分析223.5本章小结24第4章 厚板钛合金窄间隙TIG焊接接头力学性能测试254.1 厚板钛合金窄间隙TIG焊接接头的显微硬度分布254.2 厚板钛合金窄间隙TIG焊接接头强度264.3厚板钛合金窄间隙TIG焊焊缝断口分析284.4本章小结28第5章 焊接变形与焊接温度场的测定305.1 78mm

15、厚钛合金窄间隙TIG焊接变形测量305.1.1窄间隙TIG焊接坡口尺寸的确定305.1.2 78mm厚钛合金窄间隙TIG焊接变形的测量315.2厚板钛合金窄间隙TIG焊接温度场的测定335.2.1焊接温度场测定试验335.2.2温度场曲线分析345.3本章小结37结 论38参考文献39致 谢41第1章 绪 论1.1课题背景及研究的目的和意义巨大的勘测难度使深海勘测一直居于地球科学的前沿。这种勘探要求大额投入和尖端技术，这是中国发展深海探测一个绕不过去的坎儿。国际在线报道：中国国际广播电台环球资讯午间话题关注“蛟龙”号深海探测器突破3700米事件。中国科技部、国家海洋局联合发布：我国自行设计、自

16、主集成研制的国家863计划重大专项“蛟龙”号（如图1-1）载人潜水器在中国南海3000米级海上试验取得成功，最大下潜深度达到3759米，创造了水下和海底作业9小时03分的纪录，验证了“蛟龙”号载人潜水器在3000米级水深的各项性能和功能指标。这标志着我国深海载人探测已取得相当大的成就。图1-1 蛟龙号图1-2 国外一深海探测器取得成绩的同时我们也要看到差距，美国1964年建造的“阿尔文”号载人潜水器即可下潜到4500m的深海；法国1985年研制成的“鹦鹉螺”号潜水器最大下潜深度可达6000m；我们的邻居俄罗斯和日本已经完成了深海6000m级水深的探测数千次。中国载人深海探测这条路任重而道远。依

17、据全国第11个五年计划，国家高技术研究发展计划（863专项）中海洋技术领域的战略目标是：“深化近浅海、开拓深远海”。该部分内容旨在开发强大的实用型潜水设备，建设和维护深海海底观测网络，以及勘探和海底取样。项目计划开发在水下4500米的作业的深海潜水设备。如图1-3所示，该潜水器是一个直径约为2m，壁厚90mm的球形容器，由12块弧瓣形钛合金板拼焊而成。图1-3 深海潜水器效果图钛合金具有密度小、比刚度、比强度高，耐蚀性、耐热性好等一系列优点，在航空航天、海洋工程、汽车和医疗等领域得到了越来越广泛的应用1，钛合金在海洋工况下使用极具优势，世界各工业发达国家都十分重视钛材在舰船领域中的开发应用，特

18、别是原苏联全钛耐压壳核潜艇的成功制造，标志着钛材在舰船中应用的重大突破2。钛合金能以更轻的重量抵抗更强的水压，而且又极耐海水腐蚀，是制造深海探测器的首选材料。深海探测器的设计厚度是90mm，因此如何完成厚板钛合金的焊接，成为深海探测器制造的关键问题。本课题的研究，正是致力于深海探测器制造过程中钛合金焊接技术的开发。从更深远的角度来看，近年来厚板钛合金结构在石油、化工、能源等工业领域的应用越来越多，而且上述工业领域对于钛合金的应用由以厚板焊接结构居多，因此一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法对于推动厚板钛合金结构的应用有着重要意义。本论文主要是针对4500m级深海探测器项目中厚板钛合

19、金焊接工艺进行研究，分析焊接接头组织和性能的基础上确定最佳的焊接过程参数，同时更深入的探究厚板钛合金焊接结构温度场的变化规律及应力、变形的控制等问题，为钛合金深海探测器制造及厚板钛合金焊接结构在工业领域的应用提供理论和技术支持。1.2厚板钛合金焊接性分析常温下钛合金因表面氧化膜的作用而保持高的稳定性和耐蚀性能，在焊接高温下，钛合金表面氧化膜变得疏松，使钛与氢、氧、氮的反应速度加快，降低了焊接接头的塑韧性。如果钛合金在无保护或者保护不良的情况下进行焊接，焊接接头会因为间隙元素的污染而导致接头的脆化。因为钛的熔点高，比热容小，导热性能差，所以在焊接时冷却速度慢，焊接热影响区高温下停留时间长，晶粒在

20、高温下极易过热粗化，导致接头的塑韧性下降。但对于TC4这样的双相钛合金，由于合金化程度高，晶粒长大倾向相对较小，所以，在焊接TC4时宜采用较大的焊接热输入。气孔是钛及钛合金在焊接时最常见的焊接缺陷3。钛合金焊接接头中的气孔主要分为两类，在焊接热输入较大时熔合线附近形成气孔，在焊接热输入较小时焊缝中部产生气孔。气孔的存在会降低接头的抗拉强度和疲劳强度。气孔敏感性与焊接方法、工艺等因素都有关，冷却速度的快慢对气孔的影响主要由周围气体扩散使气泡长大和气泡上浮时间两个相互矛盾的因素决定。一般来说，电子束焊接气孔最多，等离子最少，氩弧焊趋于中间。本项目所设计深潜器的壁厚为90mm，厚板材料在焊接时必然会

21、引起较大的焊接应力和变形，而且厚板材料焊接时常加工成U形或V形坡口，以多层多道焊的方式进行焊接，填充金属量过大是这种焊接方法一个很大的不足4，不仅浪费了焊接材料，而且因为热输入量过大而使得接头性能变差。1.3国内外研究现状及分析国内外对于钛合金板焊接工艺的研究较多，但是多数限于薄板研究，对于这种厚板钛合金焊接的研究很少。用于焊接厚板钛合金主要有以下几种方法：1.3.1 MIG多层多道焊法国的E.Budillon和J.P.Peyronnet做过海底实验室用钛合金厚板的焊接及评价。实验用板厚为20mm，用TIG打底，MIG填充的方法对钛合金厚板进行焊接。采用MIG焊时，开坡口如图1-4。因其需要繁

22、琐的保护措施，而且效率较低，所以他们得出的结论是MIG焊接方法并不适合于焊接钛合金厚板5。图1-4 MIG方法焊接坡口及焊接层数示意图1.3.2窄间隙TIG国内船舶重工工业集团的张伟明等人利用窄间隙TIG自动焊的方法，焊接了40mm厚的TA2（工业纯钛）试板（如图1-5），并对焊接后接头的组织和性能进行了分析。试验发现利用窄间隙TIG的方法可以得到无缺陷的焊缝，焊接接头性能良好，同时发现焊接接头因为窄间隙条件焊接，使得接头的强度较常规坡口焊接条件下下强度高6。图1-5 40mm厚TA2窄间隙焊接接头1.3.3电子束焊接电子束焊接以其能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大等特点，特别适合于厚板的焊

23、接。国内大连交通大学的宫平，罗宇等人使用电子束焊接的方法，焊接了20mm的TC4板，并研究了不同聚焦电流对焊缝成形的影响。发现聚焦电流对焊缝形状的影响作用很大，聚焦电流不同，焊缝形状各异。当控制聚焦电流使电子束焦点落在工件表面附近一定区域内时，焊接熔深、熔宽和焊缝宽度比值随着焦点位置的不同表现出不同值，而后随着焦点位置的上移或下移，焊接熔深和深宽比H/B不断减小，熔宽和焊缝宽度不断增加7。图1-6 不同聚焦电流下焊缝成形情况图1-7 聚焦电流对焊缝成形参数的影响美国机械学会N.Saresh等人尝试在正确的参数下焊接17.5mm厚的法兰盘环焊缝结构(如图1-8所示)。焊接结果显示，采用单面电子束

24、焊接一次无法熔透17.5mm厚的钛合金板，因为焊接过程中缺乏可重复性的焊接参数。如果采用如图1-9所示双面焊接的方式，可以达到优良的焊接接头，接头的性能也得到的提升8。图1-8 结构上方的环焊缝图1-9 双侧焊接的建立分析上述国内外的研究现状，发现在焊接厚板钛合金方面电子束焊接是比较有优势的焊接方法，电子束焊接具有焊接速度高，焊接变形小，热效率高等一系列优点9，特别适合于厚板活泼金属的焊接，但焊接生产成本高，且试件尺寸受真空室限制10-11；相比之下，采用氩弧焊的方法，工艺简单，操作灵活，可以有效解决大多数焊接结构问题12-13，如果是以开V形坡口，多层多道方式焊接厚板钛合金，焊接效果并不理想

25、，以窄间隙TIG的方式焊接厚板钛合金板有一定的借鉴意义，但是必须在良好的保护下进行焊接。1.4厚板钛合金窄间隙TIG焊接鉴于此，提出一种利用手工氩弧焊，窄间隙条件下焊接厚板钛合金的方法，并配以良好的惰性气体保护措施。TIG焊是所有焊接方法中应用面最广的，对有色金属及其合金如钛合金的焊接最具优势14。窄间隙焊接不仅可大幅度的减少坡口截面积、大大减少焊缝金属的填敷量，而且在相对少的焊接热输入下，解决了开坡口困难、焊接速度缓慢，焊后板材应力变形大等问题15。本课题采用钨极氩弧焊，焊接窄间隙钛合金（TC4）厚板，对厚板钛合金的焊接工艺进行深入研究，探究最优的焊接参数和提高焊接接头强度的有效途径，得到质

26、量优良的接头的同时，对接头性能进行测试，进一步分析影响接头性能的主要因素。针对厚板钛合金窄间隙TIG焊接，研究内容主要围绕以下几个方面研究：1. 焊枪及保护装置的设计及制造2. 厚板钛合金焊接工艺的确定及参数的优化3. 焊接接头金相组织的观察和力学性能的测试4. 焊接温度场的测量及焊接变形控制的分析第2章 焊接工艺试验2.1焊枪及保护装置的设计及制作2.1.1焊枪的设计及制作作为氩弧焊机重要组成部分之一的氩弧焊枪，其作用是夹持钨极、传导焊接电流和输送保护气。焊枪的设计要根据所焊材料的种类和结构状况而决定，具体来说焊枪的设计要考虑焊接电流的大小、焊接结构所处的具体工况、焊接工人的可操作性等，一把

27、合适的氩弧焊枪的设计要考虑多方面的因素。试验方案提出焊接厚板钛合金的方法为窄间隙TIG多层焊。首先，钛合金焊接时晶粒长大倾向并不明显，同时为保证窄间隙多层焊时侧壁熔合良好，宜采用较大的热输入。焊接前估计所使用焊接电流值100A300A，因此，所设计焊枪应承受较大的焊接电流，这要求焊枪必须有良好的冷却系统；窄间隙坡口是窄而深的间隙，采用TIG焊的方法在窄间隙坡口条件下焊接，焊枪的气体保护喷嘴必须深入到窄间隙坡口中，对焊接区充分的保护。这要求所设计的焊枪喷嘴能深入到所开窄间隙坡口中；本项目旨在制造直径两米的球形容器，整个球体共有6条经线焊缝和1条赤道环焊缝，全部由焊工手工操作完成，劳动强度大，对焊

28、工的要求较高。考虑到上述因素，所设计焊枪的体积越小越好，尽可能的轻质，以减轻焊工的劳动强度，保证焊接质量。综合考虑上述因素，抓住所设计焊枪冷却好、质量轻及细长陶瓷喷嘴三个主要特点，设计制造了适合于窄间隙、大电流下焊接的焊枪。焊枪黄铜制主体如图2-1所示，总长度40mm，保证了枪体轻质的特点，减轻了焊接工人负担；特制的陶瓷喷嘴（图2-2所示）外径D只有10mm，长度L却达到了63mm，可以深入窄间隙坡口中进行焊接；焊枪具有良好的水冷系统，试验证明即使在较大的焊接电流下长时间焊接，焊枪也不会过热。图2-1 焊枪主体结构图2-2 陶瓷喷嘴尺寸最终完整的枪体设计图如图2-3所示。图2-3 整体焊枪设计

29、图2.1.2保护装置的设计及制造常温下钛表面钝化层（氧化膜）的致密性极强，使得钛非常稳定。但在温度升高过程中，钛对氢、氧和氮的吸收能力不断加强16。焊接过程中，随着温度的升高，钛从250开始吸氢，400开始吸氧，600开始吸氮。采用常规的氩弧焊填丝焊接时，从焊枪喷出的气体形成的保护层只能很好的保护熔池，对已凝固而尚处于高温状态的焊缝及热影响区则无保护作用。此时焊缝及热影响区会因吸收空气中的氮和氧而导致塑性下降。因此，在钛及钛合金的焊接中，必须使用氩气进行大范围保护或置于真空环境中，以防止大气污染16。因此钛合金的焊接衍生出两种方式：箱内焊接和敞开式焊接。本课题所焊球体不适于在充有惰性气体的箱内

30、焊接，而敞开式焊接时必须施以保护措施。钛合金敞开式焊接依靠焊炬喷嘴、拖罩（图2-4所示）和背面保护装置进行保护3。拖罩是敞开式钛合金焊接时最常用，也是最有效的保护措施，但是拖罩并不是适用于窄间隙坡口下的焊接。如图2-5所示为本课题设计的双U形窄间隙坡口，坡口坡角小，窄而深，普通的拖罩根本无法深入其中，而拖罩浮于试板表面时会造成坡口中气体的紊流，使保护效果变差。焊接盖面过程中，相当于薄板的焊接，拖罩还是可以起到保护作用的。图2-4 焊枪与拖罩图2-5 双U形窄间隙坡口针对于本课题双U形窄间隙坡口，设计了一种能够深入坡口中的“拖罩”（图2-6所示）。图2-6 保护方案示意图实际上这种“拖罩”是一只

31、通有氩气的铜管，深入坡口中，跟随焊枪对焊接高温区进行保护。由于窄间隙坡口窄而深的特征，接近于垂直的坡口侧壁形成两侧天然的气槽，加之氩气的密度大于空气，氩气会聚集于坡口之中，实现对焊接高温区长时间的保护，保护铜管实物图如2-7a所示。焊接试板的背面同样需要保护，设计利用单侧带胶的铝箔贴于试板背侧（如图2-6所示），将坡口封闭成密闭空腔，也同样通氩气保护。盖面时所使用拖罩的设计也具有突出的特点，拖罩前部的弧形结构，可以更好的贴合焊枪喷嘴，给予焊接区最充分的保护；整个拖罩分为两部分，两部分有独立的供气系统（如图2-7b所示），前部分气室较小（如图2-7c所示），可以使气流更集中，这对于焊接试板边缘特

32、别有意义，可以更好的保护试板边缘，即在没有引弧板的情况下也可以达到良好的焊接效果；拖罩内的铜网使气体更均匀的喷出。a）保护铜管b）拖罩c）拖罩内部图2-7 保护装置2.2 试验材料和坡口本实研究过程中所用的母材为TC4（Ti-6Al-4V）钛合金，厚度78mm。TC4（Ti-6Al-4V）钛合金属于+钛合金。Ti-6Al-4V含有6%的稳定元素Al和4%的稳定元素V，其主要化学成分如表2-1所示，热处理状态为650保温3小时，随炉冷却。其退火后平衡组织以相为主，相含量通常9-30%。本试验所用填充材料可以选择与母材同质的TC4钛合金焊丝，考虑到厚板结构焊接后接头应力水平较高，接头可能会因为塑性

33、不足而导致开裂。因此选用塑韧性较好的近钛合金Ti-4Al-2V。近钛合金是固溶体和少量相（2%-8%）组成，保留了合金与+双相合金的许多优点17。因此近钛合金具有较好的强度和塑韧性，其塑韧性要好于TC4，其成分见表2-1。 表2-1 TC4钛合金与Ti-4Al-2V焊丝化学成分表 (wt.%)材料TiAlVFeCNHOTC4基6.063.920.300.0130.0140.00140.15Ti-4Al-2V基4.501.800.200.010.010.0010.08试验所用板材和焊丝由陕西省宝鸡钛业股份有限公司提供，试板尺寸为377mm98mm78mm的TC4钛合金板（多对）。钛合金窄间隙焊接

34、工艺的研究较少，并不确定双U形坡口的具体尺寸，因此本次焊接工艺试验选用了两种尺寸的双U形窄间隙坡口，坡口尺寸如图2-8a、b所示，通过焊接过程中变形情况的测量和分析进而确定最佳的坡口尺寸。a）小尺寸坡口b）大尺寸坡口图2-8 双U形窄间隙坡口焊前对坡口及两侧各25mm以内的表面进行清理，清除表面的污染物，而后进行清洗和干燥，并尽快焊接。2.3 试验设备及方法2.3.1 试验设备根据厚板钛合金窄间隙焊接特点，设计和制造了具有质量轻、冷却好、可深入窄间隙坡口内焊接等特点的焊枪以及窄间隙下特殊的保护装置，如图2-9a、b、c所示。a）焊枪b）保护铜管c）背侧保护图2-9 试验中的保护装置本实验中采用

35、普通直流TIG焊机，在室温条件下，采用直流电流进行焊接。焊接过程中，工件置于铜质工作台上，采用手工操作的方式进行焊接。2.3.2 窄间隙TIG多层焊实验前，在一对钛板上加工双U形窄间隙坡口，并用细砂纸打磨坡口附近和焊丝表面氧化膜，再用丙酮清洗，清除母材和焊丝表面油污。将试件置于工作台上，背面用铝箔封好后通氩气保护。整个焊接系统的示意图如图2-10所示。图2-10 试验系统原理图焊接过程中，深入窄间隙坡口的通氩铜管中氩气流量很重要，焊接过程中氩气流量过大，造成气体在坡口间隙中的紊流，混入空气而使保护效果变差；氩气流量过小，同样起不到良好的保护效果。因此选择在铜管中氩气流量从10L/min至20L

36、/min条件下焊接，观察焊缝颜色变化，确定最佳的焊接气流量。为了确定窄间隙钛合金焊接的最佳电流参数，同时研究不同电流参数对于焊接接头组织和性能的影响，根据已有文献和经验，确定电流的大致范围在100A300A，本试验中分别在120A、180A、240A和300A条件下进行钛合金窄间隙TIG焊接试验，焊接工艺试验的相关参数如表2-2所示。采用多层焊的方式，层间温度控制在100以下，焊接平均速度10cm/min，单层填充金属厚度约为3mm。表2-2 焊接工艺试验参数焊接电流I（A）焊枪气体流量q（Lmin-1）铜管气体流量q（Lmin-1）背侧气体流量q（Lmin-1）120-300810-2010

37、厚板结构焊接时拘束度大，焊接残余应力较高，应力集中较大。本试验中所用78mm厚钛合金板，即使在窄间隙下焊接，接头中还是会存在较大的残余应力。过大的残余应力对接头的拉伸、刚度、疲劳等性能早成较大的影响。本试验中对焊接后的试板进行真空退火处理，热处理规范：真空条件下650保温2h，随炉冷却。在此温度下退火的目的是消除应力，并不能改变接头组织，但接头的性能会有一定的提升。焊接过程中，工件上的温度随着瞬时热源的移动作用而发生周期性的变化，称之为焊接热循环，焊接热循环研究了焊接过程中工件上某点的温度随时间的变化，对于焊接热循环的研究有助于加深对焊接过程的理解。本论文对钛合金窄间隙条件下焊接的焊接温度场进行测量，利用热电偶对工件上某些点温度进行采集，计算机绘制测温曲线，测温系统原理图如图2-11所示。图2-11 测温原理图2.4 微观组织分析2.4.1金相组织观察为了观察接头各区域的金相组织，通过电火花线切割机对不同条件下焊接形成的试件接头取样，制作金相试件，宏观金相试件经过精铣