薄壁TC4钛合金TIG焊接头成形质量与力学性能优化，探究焊接电流对焊缝宏观形貌氧化程度及缺陷的影响规律，设计正面拖罩+背面通气保护装置，获得最优工艺窗口并实现优异拉伸与弯曲性能

引言

钛合金因其具有强度高、耐腐蚀、耐高温等优异的综合性能，广泛应用于航空、航天、航海、化工等领域。随着我国航空航天装备的快速发展，大型化、复杂化的钛合金结构件的应用逐渐增多，相比于传统的结构钢、铝合金、不锈钢，钛合金结构件能够在更加恶劣的工作环境中使用，能够承担更大的工作压力，满足航空航天领域对可靠性和持久性的要求  [1−3]。

薄壁钛合金在航空航天中主要应用于蒙皮和压力容器等产品，目前薄壁钛合金的生产制造主要通过焊接完成，常用的焊接方法有激光焊、钨极氩弧焊(TIG)、真空电子束焊，而钨极氩弧焊由于工艺灵活性强，焊接过程稳定，适应全位置焊接，应用最为广泛[4-5]。

本文以3mm厚TC4-M钛合金为材料，采用手工TIG焊进行焊接试验，研究薄壁钛合金TIG焊焊接工艺和力学性能，为钛合金TIG焊的应用提供指导与参考。

1、试验方法

试验材料采用3mm厚的TC4-M钛合金板，其化学成分及力学性能分别见表1和表2。焊接试样尺寸为360 mmx300 mmx3 mm，焊接试验采用手工TIG焊。

表1 TC4-M化学成分(质量分数)(%)

表2 TC4-M力学性能

采用X射线按NB/T47013.2-2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》对焊接试板进行探伤，要求满足QJ1666A-2011《钛及钛合金熔焊技术要求》中I级要求。

试板焊接完成后根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》的规定要求，采取垂直焊缝截面切割拉伸试样，尺寸如图1所示。截取3件拉伸试件，试件焊缝处于拉伸试样中间，去除焊缝余高，采用万能电子试验机进行常温拉伸性能试验。

2、焊接工艺

2.1焊接材料

钛及钛合金焊接时，填充焊丝的成分一般应与母材的成分相同，为提高焊接接头的塑韧性，可选用强度比母材稍低的焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量比母材低，仅为一半左右。焊丝要求以真空退火状态供货，表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、非金属夹杂等缺陷存在。针对TC4-M材料，选用Φ3mm的TC4-M(GB/T3623-2007)焊丝进行焊接试验，其化学成分见表3。要求焊接前严格筛选焊丝，若有夹渣、氧化物等杂质，应将这些部分剪去。

表3 TC4-M焊丝化学成分(质量分数)(%)

2.2坡口选择

为减少焊缝的累积吸气量，选择坡口形式和尺寸时，尽量减少焊接层数和金属填充量，以防止接头塑性下降。因此针对3mm试板，选择60°对接坡口焊，钝边高度为0.5mm，如图2所示。

2.3试件清理

钛合金表面附着的油污、杂质等可能引起焊接气孔、裂纹等缺陷，严重影响焊缝质量，故焊前需在室温条件下采用  φ(HF)3% +  φ (HNO₃ ) 35% +  H₂O的溶液清洗20 min，用清水清洗干净并烘干。焊接时，采用合金钢打磨头清理焊接坡口及周围30mm范围，然后用丙酮清洗打磨部位，并采用干燥压缩空气吹干，打磨清理后的试板在4h内完成焊接。

焊丝使用前两端剪去2~3mm，对焊丝进行干燥处理后采用600目金钢砂纸整体打磨焊丝，保证表面光滑，为银白色，并采用丙酮清洗干净，及时用干燥空气吹干。清洗完的焊丝存放时间为24h，超过24h的焊丝应重新清理。

2.4焊接保护

由于钛合金对H,O,N具有极强的亲和力,焊接过程中容易吸收空气，导致焊缝气孔和析出相增多，焊接接头变脆，力学性能下降，因此需要严格保护焊接区域，使焊接熔池及300℃以上的热影响区(包括焊件的正反面)与空气隔绝。

焊接时，焊缝正面采用口径为30mm的滤网磁嘴保护，如图3所示。焊缝正面采用焊接拖罩保护，拖罩长140mm，宽50mm，如图4所示。

为了加强保护焊缝背面，研制了焊缝背面保护装置，背面带有通气孔的铜垫板，氩气从焊件背面的铜垫板出气孔流出，并短暂储存在垫板的小槽内，保护焊缝背面不受有害气体侵害，如图5所示。

2.5焊接操作

焊前准备3瓶氩气，纯度为  φ(Ar)99.999%，分别用于保护拖罩、背面保护装置和焊枪，采用丙酮清洗与焊件接触部位，校正钨极，使其处于喷嘴中心位置，点固焊试板，设置3°~5°反变形量，焊接前预先通气20~30s，焊后滞后停气20~30s，焊接时钨极和焊丝之间的夹角为15°~30°，其摆动不能过大，只允许轻微摆动，试件焊接如图6所示。

3、试验结果及分析

采用Φ2.5mm的铈钨极进行焊接，焊接电弧作用到金属表面，焊接电流不同，焊接热输入也不同。本文通过调整焊接电流大小，研究不同焊接热输入下焊缝表面的宏观形貌。焊接参数见表4。

表4焊接参数

3.1焊缝宏观形貌

图7为不同焊接电流下的焊缝宏观形貌。

由图7中可见，焊接电流不同，焊缝正面存在较大差异,而焊缝背面基本一致,表面呈现银白色,无氧化现象产生。不同焊接参数，焊缝表面的颜色反应了焊接质量差异。焊接电流为70A的焊缝表面呈现银白色，焊接热影响区出现蓝色，热影响区氧化严重,认为这是由于焊接电流过小,需要降低焊接速度以满足焊缝的熔深,焊接速度过低导致局部热输入过高，焊接热影响区高温停留时间过长，超出拖罩保护时间，热影响区吸收空气中的氧气，生成了氧化钛等氧化物。焊接电流为110A和120A的焊缝颜色呈现黄色，热影响区出现蓝色，氧化现象严重，这是由于焊接时焊接电流过大，焊接热输入增大，焊缝及热影响区高温停留时间过长，焊接热影响区扩大，焊接保护拖罩外侧仍然处于300℃以上，高温焊缝长时间暴露在空气中，导致焊缝氧化。焊接电流为80，90，100A的焊缝及热影响区基本呈现银白色，说明焊接参数匹配较好，焊缝保护良好，均无氧化层生成。因此，采用80~100A的焊接电流，并配合合适的焊接速度，可保证薄壁钛合金焊接质量良好。

3.2焊缝探伤

采用X射线按NB/T47013.2-2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》对焊缝进行探伤，焊缝不存在咬边、未熔合、未焊透、裂纹、气孔等缺陷，满足QJ1666A-2011《钛及钛合金熔焊技术要求》中I级要求，如图8所示。

3.3焊缝力学性能

图9为3mm厚的TC4-M钛合金拉伸试样，表5为拉伸试验结果。原材料室温抗拉强度  R_m  =1045 MPa，屈服强度R_p0.2=1025 MPa。GB/T 3621-2022《钛及钛合金板材》规定退火状态TC4-M钛合金板材抗拉强度  R_m要求大于895 MPa，屈服强度  Rp0.2要求大于830 MPa。

由表5结果可知，3mm厚TC4-M钛合金焊接接头平均抗拉强度Rm=978 MPa，平均屈服强度Rp0.2=928 MPa，分别为母材强度的93.6%和90.5%，大于母材标准规定的强度值，满足QJ 1666A-2011《钛及钛合金熔焊技术要求》中I级焊缝对力学性能的要求。

表5试样试验结果

3.4焊接接头弯曲性能

根据GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》从焊件上截取弯曲试样，在弯曲试验机上进行面弯试验，弯心直径为50mm，支撑辊间距58mm。弯曲结果如图10所示，试件经过180°弯曲，弯曲表面未产生断裂及褶皱缺陷，各棱角处也未产生任何开口缺陷。

4、结论

(1)通过焊接材料选择、坡口设计、焊接工艺参数、焊接保护措施、试件清理、焊缝质量检测方面开展研究，获得薄壁钛合金焊接关键工艺参数，掌握了钛合金焊接保护工艺措施，实现了薄壁钛合金手工TIG焊接工艺方法。

(2)通过X射线检测及力学性能试验，确定采用手工TIG焊焊接薄壁钛合金，焊接质量能够满足QJ 1666A-2011《钛及钛合金熔焊技术要求》中I级焊缝要求。

参考文献:

[1]吴巍，程广福，高洪明，等.TC4合金TIG焊接头组织转变与力学性能分析[J].焊接学报，2009，30(7):81-84，117.

[2]黄炜，王少刚，李立泽，等.钛合金激光焊及其接头的显微组织与力学性能[J].材料开发与应用，2019，34(2):20-27.

[3]方静，祁文军，胡国玉.8mm中厚板TC4钛合金TIG焊数值模拟及试验[J].材料导报，2023，37(22):151-156.

[4]候继军，余军，董军慧.TC4钛合金TIG焊接头组织及力学性能[J].焊接技术，2011，40(4):15-17.

[5]闫泰起，郑涛，陈冰清，等.Ti-6321钛合金钨极惰性气体保护焊接头的微观组织与力学性能[J].材料工程，2024，52(6):159-166.

（注，原文标题：薄壁TC4钛合金TIG焊工艺方法和力学性能研究_张晓波）

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