活性焊剂对气孔形成的影响及其机理_反应性气孔形成机理

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TC4钛合金的活性焊剂钨极氩弧焊工艺研究

（四）——活性焊剂对气孔形成的影响及其机理

王 纯 西安交通大学

[摘要] 本论文针对δ1.5和δ3.0的TC4钛板手工直流A-TIG焊，分析了活性焊剂对气孔形成的影响及其机理。

关键词：钛合金，活性焊剂，氩弧焊，气孔

钛在地壳中的含量约为0.64%，在金属元素中仅次于铝、铁和镁，居第四位[1]，为铜的60倍，钼的600倍。钛合金具有很多优良性能：钛的比重为4.5mg/m3，仅为普通结构钢的57%；钛合金的强度可与高强度钢媲美；具有很好的耐热和耐低温性能，能在550℃高温下和零下250℃低温下长期工作而保持性能不变；具有很好的抗腐蚀能力，把钛合金放在海水中泡上几年，仍能保持光亮。此外，钛的导热系数小、无磁性，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等。正是因为这些优点，钛金属被称为“太空”金属、“海洋”金属以及21世纪最有发展前景，继钢铁、铝之后的第三金属[2]。

TC4不仅具有良好的室温、高温、低温力学性能，且在多种介质中具有优异的耐蚀性，既可以焊接、冷热成型，也可以热处理强化，所以在钛合金中应用最广泛，在美国约占钛市场的56%，在中国和日本约占钛合金产量的一半。

钛合金作为一种广泛应用的结构材料，要解决的关键工艺技术问题就是连接问题，焊接无疑是首选的一种先进连接方法。钛合金的压制、轧制和模压品等零部件的制造都离不开焊接，铸件缺陷的修补也离不开焊接。

目前国内在钛产品焊接过程中使用最普遍的是TIG焊，包括手工、自动或半自动，国内钛设备制造过程中几乎95%以上的焊接工作是采用手工TIG焊完成的[3]。

为了提高TIG焊的焊接效率，降低成本，扩大TIG焊的应用范围，特别是在厚板焊接的应用，国内外的焊接工作者进行了大量关于增加TIG焊熔深方面的研究。近年来，一种新型高效的焊接方法——活性焊剂钨极氩弧焊(Activating Flux TIG，简称A-TIG)越来越引起世界范围内人们的关注。A-TIG焊就是预先在工件表面均匀地涂上一层很薄的细粒状的活性化焊剂，然后进行TIG焊的方法[4]。它能在保证焊缝质量的基础上，使焊接熔深显著增加，从而大大提高焊接生产效率，降低生产成本。

产品升级换代和结构调整方面潜力巨大，而焊接技术和工艺是钛合金材料进一步推广应用必须解决的关键问题之一。A-TIG焊技术操作简便，设备简单，价格便宜，适于大规模和常规应用，因此研究钛合金A-TIG焊技术对改变我国钛业的应用现状有着十分现实的实践意义。

本研究立足西飞公司的现状，使用A-TIG焊技术，解决飞机制造中经常使用的钛合金TC4薄板(δ1.5~4.0)的焊缝气孔问题，并对焊接气孔的形成机理、活性焊剂对气孔形成的影响及其机理等进行探讨，旨在为推进A-TIG焊工艺在钛合金结构件上的应用提供理论和实践依据。焊接试验

待焊材料为δ1.5和δ3.0的TC4钛板。TC4焊丝直径分别为1.6mm和2.0mm。本实验采用手工直流TIG焊和A-TIG焊进行对比试验，接头形式采用常规平板对接，不开坡口，δ1.5和δ3.0钛板的预留试样间隙分别为0.2mm和0.5mm，填加焊丝，单道焊。焊前，对两种焊接方法的待焊试样均进行相同的处理措施。在保证焊透的前提下，对焊接规范进行摸索，并最终确立两种焊接方法的焊接规范。

在同一焊接工艺参数下，对不涂活性焊剂和涂有活性焊剂的对接试件施焊。试验用焊接工艺参数见表1。

表1 钛合金TC4的 TIG、A-TIG焊焊接工艺参数

母材厚度δ /mm 1.5 3.0 焊接速度v 焊接电流I /mm·min-1 100~210 110~500

/A 50~90 120~200

焊接电压U

/V 7~10 10~14

氩气流量Q/L·min-1 Q正 10~12 12~15

Q反 3~4 4~6

Q拖 6~12 13~18 2 试验结果与讨论 2.1 试验结果

气孔是钛合金焊接中最常见的缺陷，似乎是不可避免的。气孔能使疲劳强度降低一半甚至四分之三，非常小的气孔对疲劳强度都会产生明显的不利影响。常规TIG焊很难消除气孔。

分别对TIG焊接和A-TIG焊接试样进行X射线探伤检验，以对比焊接接头气孔位置的变化和数量的差别。检验结果见表2(焊缝长度L=300mm)。

表2

X射线探伤检验结果

焊接方法 TIG A-TIG 气孔位置 普遍沿焊缝融合线附近 个别焊缝起弧、收弧处

气孔数量 6-35个 1-2个

气孔尺寸 0.5 0.3

符合标准等级 HB5376-87的III级焊缝 HB5376-87的I级焊缝

试验结果表明，对两类待焊试样均进行相同的严格而细致的焊前处理措施和焊接工艺，TIG焊沿焊缝融合线附近出现了大小各异的气孔；而A-TIG焊只在焊缝起、收弧处存在个别气孔。因此，钛合金TC4的A-TIG焊在消除气孔方面具有明显的作用，可明显改善钛合金接头的疲劳性能。2.2 对气孔缺陷的分析讨论

2.2.1 气孔的形成机理

形成气孔的因素很多且很复杂。直接因素有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存在氧化物等，产生的气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属中形成的。气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或氮化钛；当钛焊缝中的碳大于0.1%、氧大于0.133%时，由氧与碳反应生成的CO气体也可产生气孔；间接因素包括氩弧焊时焊接电流过大、焊接速度过快以及坡口角度太小等。但一般认为，氢气是引起气孔的主要原因。氢在钛中的溶解度随温度升高而降低，在凝固温度有跃变。熔池中部比熔池边缘温度高，熔池中部的氢易向熔池边缘扩散，熔池边缘容易为氢过饱和而生成气孔，故焊缝气孔往往分布在熔合线附近[5]。

母材表面未被去除的氧化膜、保护气中的水分、弧柱气氛中的水分、焊丝和工件表面氧化膜吸附的水分都是焊缝气孔中氢的主要来源。弧柱气氛中水在高温下分解出来的氢，溶入过热的熔融金属中，成为形成焊缝气孔的重要原因。

2.2.2 气孔的防止

从以上的分析可知，在钛合金TIG焊中，焊缝中易出现气孔，影响焊接质量。气孔的存在大大降低了焊件的有效工作面积，会产生应力集中，会使整个焊接接头塑性、疲劳及寿命降低。从焊接冶金原理出发，对于一般的熔焊方法，为防止焊缝气孔，可以从两方面着手：第一，减少氢的来源，或者控制氢溶入焊接熔池，或者减少氢同熔池的作用时间(减少熔池吸氢时间)；第二，尽量促使氢从熔池中析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡的形式及时排出。这就要改善冷却条件以增加氢的逸出时间(增加熔池析氢时间)。对于钛合金TIG焊焊接气孔的具体防止措施有以下几个方面：

1)采取各种措施减少氢的来源。(1)严格控制基体金属、焊丝、氩气中氧、氮、氢等杂质气体的含量；(2)焊前彻底清洗板材、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物。母材及焊丝可以采用化学方法和机械方法清除；(3)焊件、焊丝在焊前进行真空处理；(4)焊接中加强对熔池的保护。2)选择合理的焊接工艺参数。氢气泡是在熔池结晶过程中开始形成的，气泡的大小、数量及分布情况，很大程度上取决于熔池的存在时间。熔池在高温下存在时间长，有利于氢的逸出，也有利于氢的溶入；反之可以减少氢的溶入，但也不利于氢的逸出。因此焊接工艺参数并不是一个简单的关系。(1)在保证焊缝熔透和熔合良好的情况下，应尽可能采用大的焊接电流和提高焊接速度，可以降低焊缝中的气孔率。这是因为TIG焊是一个快速加热和冷却的过程，母材的热输入很少，熔池的存在时间极短。即使在焊接速度较低时，也没有足够的时间让已形成的气泡上浮逸出。但随着焊接速度的降低，高温熔池存在时间延长，吸氢量增加，反而形成更多的气泡，从而导致焊缝中的气孔率增加。而且增大焊接电流不仅能保证根部熔合，还能增加电弧对熔池的搅拌作用，有利根部氧化膜中气泡的浮出，从而减少气孔的产生。(2)选用合适的氩气流量，可以减少焊缝气孔的产生。氩气的流量是影响熔池保护效果的一个重要参数。流量过小，氩气挺度不够，排除周围空气能力弱，保护效果差。但是流量过大，不仅浪费氩气，而且会引起喷出气流的层流区缩短，紊流区扩大，将空气卷入保护区，反而降低了保护效果，使焊缝易产生气孔。(3)焊前预热也可以适当减少焊缝中出现的气孔。这是因为焊前预热可降低温度梯度，从而可以降低气孔率。

2.2.3 活性焊剂对气孔形成的影响

氢在钛中的溶解度随温度升高而降低。在A-TIG焊中，活性焊剂使电弧收缩，从而使电弧温度升高，氢在钛中的溶解度降低，有利于氢的逸出，从而减少甚至消除气孔。

焊接时，熔池中心的温度高，而边缘温度低。一般的纯金属和许多合金在无活性焊剂焊接熔化时，表面张力梯度为负，液态金属由中心向周边流动，其流动方向与氢的扩散方向和氢在钛中的溶解度升高方向相同，则液态金属的流动过程是个先逸出氢后吸氢的过程；而活性焊剂使熔池中的液态金属的表面张力数值降低并使表面张力梯度由负变为正，使得熔池内的金属由周边向中心进而向下部流动，其流动方向与氢的扩散方向和氢在钛中的溶解度升高方向相反，则其流动的过程是个氢逸出的过程，从而大大减少甚至消除气孔。

所以，活性焊剂在消除气孔方面具有显著作用。结 论

通过对δ1.5和δ3.0的TC4钛板手工直流TIG焊和A-TIG焊气孔的变化的研究、TIG焊接头气孔的形成原因和防止措施及活性焊剂对气孔形成的影响进行了分析和讨论，得出如下结论：

1)钛合金TIG焊接头气孔产生的主要原因是：氢在钛中的溶解度随温度升高而降低，在凝固温度有跃变。焊前彻底清除母材表面与焊丝表面的油污和氧化膜，尽可能采用大的焊接电流和高的焊接速度，选用合适的氩气流量，焊前预热等措施能有效减少焊缝中气孔的产生。2)活性焊剂使电弧收缩，提高电弧温度，有利于氢的逸出；使熔池内的金属由周边向中心进而向下部流动，此过程是氢逸出过程，可以减少甚至消除气孔，从而提高焊接强度。

参考文献

[1] 周廉．美国、日本和中国钛工业发展评述［Ｊ］．稀有金属材料与工程，2003，32(8)：577． [2] 黄晓艳，刘波，李雪．钛合金在军事上的应用［Ｊ］．轻金属，2005，(9)：51-52． [3] 康浩方．国内外钛设备的焊接技术［Ｊ］．钛工业进展，2003，(4-5)：70-73．

[4] 李志远，钱乙余，张九海等．先进连接方法［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2000：288-294． [5] 周振丰．焊接冶金学(金属焊接性)［Ｍ］．北京：机械工业出版社，1995：154-160．