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厚板钛合金窄间隙TIG焊接过程中温度场分析

发布于:2018-12-13 10:03 编辑:志峰钛业 浏览:

  摘 要 窄间隙条件下,TIG多层焊的方式焊接52 mm厚TC4钛合金板。以焊接层为周期,利用温度采集器和计算机对焊接试板背侧的温度进行采集。绘制焊接温度随焊接时间及焊接层数的变化曲线,分析厚板合金焊接温度场。总结厚板钛合金焊接温度场随焊缝厚度的变化规律,发现在焊接层厚度超过37 mm后,焊缝背侧不再需要焊接保护。

  关键词 厚板钛合金;窄间隙TIG;温度场

  钛及钛合金作为一种新型轻合金材料具有比强度高、无磁、耐腐蚀等优异特性,得到广泛的应用[1-2]。近些年来,钛合金以其高强抗蚀的特点在能源、化工、舰船领域的优势愈加明显,而且钛合金在上述领域的应用尤以20 mm以上的厚板材料居多,这样便对钛合金的焊接加工提出了更高的要求,对于厚板钛合金焊接方面的研究也显得较为迫切。

  焊接钛合金时要采取严格的保护措施[3]。钛合金属于活泼金属,300℃以上吸氢,600℃以上吸氧,700℃以上吸氮,这些气体都会导致焊接接头的脆化[4]。同时,厚板材料在焊接过程中不可避免的会产生很大的应力和变形。

  因此提出采用窄间隙TIG方法焊接厚板钛合金,TIG焊尤其适合有色金属的焊接,焊接过程中喷出的氩气可以对焊缝区域产生持续的保护,而且采用能够减小焊接应力和变形的窄间隙坡口[5],减小熔敷金属量,提高焊接接头质量。

  对钛合金窄间隙TIG焊接过程中温度场的研究,可以确定对钛合金的保护程度以及进一步完善焊接工艺,加深对焊接过程的理解,以及建立焊接过程中温度变化与组织转变间的关联。虽然现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实际的焊接过程,对焊接过程进行指导。

  1 试验材料及方法

  试验中使用的钛合金TC4(Al 6.06%,V 3.92%,Fe 0.3%,C 0.013%,O 0.15%,Ti余量),试板厚度52 mm。在试板上开U形窄间隙坡口,坡口尺寸如图1所示。采用TIG焊方法,填丝多层焊方式,焊接厚板钛合金,试验中所用焊丝Ti-4Al-3V(Al 4.5%,V 1.8%,Fe 0.2%,C 0.01%,O 0.08%,Ti余量)。焊接参数:焊接电流240A,焊接平均速度65cm/min,单层熔敷金属厚度3 mm。

  为了测定焊接过程中的温度场,在焊接开始前,将热电偶按照如图1所示的位置,用储能点焊的方式焊接在钛合金试板的背侧。将热电偶连接到温度采集器,接通计算机。焊接开始后,以每一焊接层为一个周期,对焊接温度进行采集,并利用计算机绘制成温度和时间的关系。

  钛合金焊接过程中需要严格的保护,本次试验中,试板的正面,使用通有氩气的拖罩跟随焊枪,保护焊缝高温区。同时在试板的背面同样通氩气,保护焊缝背侧高温区,如图2所示。

  2 试验结果及分析

  将最接近焊缝中心热电偶命名为热电偶1,由中心向外依次为热电偶2、3、4,对每层焊道的焊接过程进行温度测量,计算机绘制温度变化曲线。

  为焊接第2层时的焊接参数、热电偶位置及测得的温度场曲线。随着焊接过程的进行,试板背侧的温度快速上升,随后以相对小的速率下降。因为填充金属厚度较小,电弧热量集中,热电偶1测得的峰值温度超过了1000℃,所有热电偶测得温升速度都很快,最高达到了约62℃/s,而降温速度达到12℃/s。

  焊接第8层时焊接参数、焊接位置及测温曲线,温度曲线上升和下降的速率较焊接第2层时明显下降,最快的升温和降温速度约为2.7℃/s和0.2℃/s。热电偶1测得的最高峰值温度也因为焊接填充金属厚度的增加下降为350℃,同时可以看见4个热电偶测得曲线间的温差逐渐缩小。

  焊接第14层时测得的温度场,升温和降温速度更为缓和,最大温升速率0.2℃/s。各热电偶测得温度曲线间差距进一步减小,热电偶1测得峰值温度已经下降为160℃。

  距离焊缝不同位置的热电偶测得的温度变化曲线符合焊接热过程的变化规律[5],即焊接过程中,温度快速升高,达到峰值温度后,缓慢下降,温度变化率逐渐减小。而且最靠近焊缝的热电偶1峰值温度最高,随着焊接层数的增多,各热电偶测得的温度间差异逐渐变小,这与热量在工件中传导有关,焊接层数越多,热量传递到热电偶位置时越趋于均匀,温差越小。

  如图6所示,将热电偶1在第2、5、10、13层测得的温度曲线绘制在一张图中,对比发现随着焊接层数的增加,温度的变化趋于缓和,即升温和降温的速度在减小,这与热量的输入和散热条件有关;同时可以看出,焊接峰值温度出现的时间随焊接层数增加向右移动,这与热量传递需要时间有关,而且钛合金导热性差,这种热量传递时间的差异尤为显著;观察第10层和第13层的温度曲线,看到在曲线达到峰值温度的之前温升速率逐渐减小,这说明了此时的峰值温度是在电弧扫过热电偶所在截面后很长时间才出现的,即依靠热量长时间扩散积聚而达到的峰值温度,这也更说明了钛合金的导热性差。