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(jì)算機(jī)對(duì)焊接試板背側(cè)的溫度進(jìn)行采集。繪制焊接溫度隨焊接時(shí)間及焊接層數(shù)的變化曲線，分析厚板鈦合金焊接溫度場(chǎng)。總結(jié)厚板鈦合金焊接溫度場(chǎng)隨焊縫厚度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在焊接層厚度超過(guò)37 mm后，焊縫背側(cè)不再需要焊接保護(hù)。

　　關(guān)鍵詞 厚板鈦合金；窄間隙TIG；溫度場(chǎng)

　　鈦及鈦合金作為一種新型輕合金材料具有比強(qiáng)度高、無(wú)磁、耐腐蝕等優(yōu)異特性，得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。近些年來(lái)，鈦合金以其高強(qiáng)抗蝕的特點(diǎn)在能源、化工、艦船領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，而且鈦合金在上述領(lǐng)域的應(yīng)用尤以20 mm以上的厚板材料居多，這樣便對(duì)鈦合金的焊接加工提出了更高的要求，對(duì)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(shí)要采取嚴(yán)格的保護(hù)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(huì)導(dǎo)致焊接接頭的脆化[4]。同時(shí)，厚板材料在焊接過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)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(guò)程中噴出的氬氣可以對(duì)焊縫區(qū)域產(chǎn)生持續(xù)的保護(hù)，而且采用能夠減小焊接應(yīng)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(zhì)量。

　　對(duì)鈦合金窄間隙TIG焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的研究，可以確定對(duì)鈦合金的保護(hù)程度以及進(jìn)一步完善焊接工藝，加深對(duì)焊接過(guò)程的理解，以及建立焊接過(guò)程中溫度變化與組織轉(zhuǎn)變間的關(guān)聯(lián)。雖然現(xiàn)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(shí)際的焊接過(guò)程，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。

　　試驗(yàn)中使用的鈦合金TC4（Al 6.06%，V 3.92%，F(xiàn)e 0.3%，C 0.013%，O 0.15%，Ti余量），試板厚度52 mm。在試板上開(kāi)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(yàn)中所用焊絲Ti-4Al-3V（Al 4.5%，V 1.8%，F(xiàn)e 0.2%，C 0.01%，O 0.08%，Ti余量）。焊接參數(shù)：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(cè)定焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)，在焊接開(kāi)始前，將熱電偶按照如圖1所示的位置，用儲(chǔ)能點(diǎn)焊的方式焊接在鈦合金試板的背側(cè)。將熱電偶連接到溫度采集器，接通計(jì)算機(jī)。焊接開(kāi)始后，以每一焊接層為一個(gè)周期，對(duì)焊接溫度進(jìn)行采集，并利用計(jì)算機(jī)繪制成溫度和時(shí)間的關(guān)系。

　　鈦合金焊接過(guò)程中需要嚴(yán)格的保護(hù)，本次試驗(yàn)中，試板的正面，使用通有氬氣的拖罩跟隨焊槍，保護(hù)焊縫高溫區(qū)。同時(shí)在試板的背面同樣通氬氣，保護(hù)焊縫背側(cè)高溫區(qū)，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(duì)每層焊道的焊接過(guò)程進(jìn)行溫度測(cè)量，計(jì)算機(jī)繪制溫度變化曲線。

　　為焊接第2層時(shí)的焊接參數(shù)、熱電偶位置及測(cè)得的溫度場(chǎng)曲線。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，試板背側(cè)的溫度快速上升，隨后以相對(duì)小的速率下降。因?yàn)樘畛浣饘俸穸容^小，電弧熱量集中，熱電偶1測(cè)得的峰值溫度超過(guò)了1000℃，所有熱電偶測(cè)得溫升速度都很快，最高達(dá)到了約62℃/s，而降溫速度達(dá)到12℃/s。

　　焊接第8層時(shí)焊接參數(shù)、焊接位置及測(cè)溫曲線，溫度曲線上升和下降的速率較焊接第2層時(shí)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(cè)得的最高峰值溫度也因?yàn)楹附犹畛浣饘俸穸鹊脑黾酉陆禐?50℃，同時(shí)可以看見(jiàn)4個(gè)熱電偶測(cè)得曲線間的溫差逐漸縮小。

　　焊接第14層時(shí)測(cè)得的溫度場(chǎng)，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(cè)得溫度曲線間差距進(jìn)一步減小，熱電偶1測(cè)得峰值溫度已經(jīng)下降為160℃。

　　距離焊縫不同位置的熱電偶測(cè)得的溫度變化曲線符合焊接熱過(guò)程的變化規(guī)律[5]，即焊接過(guò)程中，溫度快速升高，達(dá)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(shù)的增多，各熱電偶測(cè)得的溫度間差異逐漸變小，這與熱量在工件中傳導(dǎo)有關(guān)，焊接層數(shù)越多，熱量傳遞到熱電偶位置時(shí)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(cè)得的溫度曲線繪制在一張圖中，對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著焊接層數(shù)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(guān)；同時(shí)可以看出，焊接峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間隨焊接層數(shù)增加向右移動(dòng)，這與熱量傳遞需要時(shí)間有關(guān)，而且鈦合金導(dǎo)熱性差，這種熱量傳遞時(shí)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(dá)到峰值溫度的之前溫升速率逐漸減小，這說(shuō)明了此時(shí)的峰值溫度是在電弧掃過(guò)熱電偶所在截面后很長(zhǎng)時(shí)間才出現(xiàn)的，即依靠熱量長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散積聚而達(dá)到的峰值溫度，這也更說(shuō)明了鈦合金的導(dǎo)熱性差。

　　同時(shí)根據(jù)鈦合金焊接時(shí)保護(hù)的原則，當(dāng)金屬溫度在200℃以上時(shí)都需要進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)上述溫度場(chǎng)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著焊接層數(shù)的增加，焊縫背側(cè)的溫度逐漸減小。熱電偶1的位置最接近焊縫中心，測(cè)得的曲線反應(yīng)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(shí)，峰值溫度已經(jīng)降至200℃以下，此時(shí)填充金屬的厚度達(dá)到37 mm，即在鈦合金的焊接中當(dāng)接觸空氣的金屬表面距集中熱源距離達(dá)到37 mm時(shí)，可以不附加焊縫背面的保護(hù)措施。

　　3 結(jié)論

　　1）通過(guò)對(duì)52 mm厚單邊U形窄間隙坡口鈦合金試板焊接，測(cè)得厚板窄間隙TIG焊接條件下溫度場(chǎng)。隨著焊縫厚度的增加，溫度場(chǎng)升溫和降溫速率逐漸減小，溫度場(chǎng)峰值溫度的出現(xiàn)時(shí)間因?yàn)殁伜辖饘?dǎo)熱性差的特點(diǎn)表現(xiàn)得尤為顯著。

　　2）溫度場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)確定了厚板鈦合金窄間隙TIG多層焊接過(guò)程中，當(dāng)填充金屬厚度達(dá)到37 mm厚時(shí)，可以撤去鈦合金試板背側(cè)保護(hù)措施。

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　　作者簡(jiǎn)介

　　崔慶龍（1988-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：材料加工，精密機(jī)械加工等。