TC4电弧超声TIG焊技术

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1、*TC4电弧超声TIG焊技术周荣林郭德伦李从卿高珩张雁军北京航空制造工程研究所北京100024清华大学摘要进行了TC4电弧超声TIG焊接与传统TIG焊利用X射线探伤检测接头质量金相显微镜和SEM观察接头组织和断口利用万能验机测试接头拉伸性能结果表明严格按照航空标准进行TC4常规TIG焊与电弧超声TIG焊所获得的接头均达到航空一级随着加入超声频率的增加激励电压的增大电弧超声TIG焊接头宽度逐渐减小焊缝组织细化等轴化枝晶破坏痕迹不明显接头拉伸强度屈服强度和延伸率均有所提高关键词电弧超声TIG焊0前言钛合金作为一种新型材料具有比强度高比刚度大具有优良的耐腐蚀性和断裂韧性等优点其TIG焊接结构在航空

2、航天航海石油化工等领域具有广阔的应用前景其中有效解决钛合金TIG焊接区组织的粗大问题的技术成为钛合金焊接结构可靠应用的关键所在目前改善接头组织有以下几种途径变质剂机械振动摆动或振动电弧电磁搅拌功率超声等由于钛合金活泼变质剂成分难以确定同时变质剂的加入工艺上不易实现在频率相对较高的机械振动焊接钢铁材料时其焊接区组织得到了一定程度的细化钛合金TIG焊对焊接区保护和工艺参数等的稳定要求高难以采用此种方法摆动或振动电弧和电磁搅拌法焊缝成形控制难度大同时用电磁搅拌时若参数不当晶粒反倒粗化在焊接过程中加入超声一直是学术和工程界研究和关注的热点超声波对控制金属结晶组织的主要效果是细化晶粒减少柱状晶促进等轴

3、晶形成促进溶质扩散使铸锭均质促进非金属物分散提高材料性能由于焊接过程的高温运动等区别于铸造等其他凝固过程的特点目前普遍采用的以压电晶体和磁致伸缩换能器作为功率超声源的发射方法都不能应用于焊接过程一方面超声频率调节困难另一方面超声变幅杆端部的高温腐蚀对焊接区的污染目前尚无便捷的方法和良好的高温耦合剂把超声能量导入实际的焊接过程针对传统超声波激发方式的局限以及焊接过程中超声波导入的困难考虑到焊接电弧的变阻性负载特性使自由电弧或等离子电弧受到外加高频调制从而激发电弧超声使作为加工热源的电弧同时又成为一种可控的超声发射源这项技术在钢铁材料焊接得到了应用并且取得一定的效果本文针对具有广阔应用前景的新材

4、料钛合金开展其中代表性的材料TC4电弧超声TIG焊接与传统TIG焊利用X射线探伤检测接头质量利用金相显微镜观察接头组织利用万能实验机测试接头拉伸性能利用SEM观察接头断口分析不同超声参数作用下TIG焊及常规TIG焊接头组织对于推动电弧超声焊接技术及钛合金焊接结构的应用具有非常重要的意义1试验材料方法及过程1.1试验材料焊接所用的材料为TC4Ti6Al4V规格为2mm50mm300mm平板所用的焊丝为1.2mm的TC3焊丝1.2试验方法及过程*国防总装备部十五预先研究项目41318.5.14航空基金资助项目01H25002在表1焊接规范下按HB/Z120-8进行常规TIG焊接和电弧超声TIG焊

5、改变超声参数即激励电压和频率确定较好的电弧超声TIG焊工艺表1焊接规范钨极直径焊接电流电弧电压焊速送丝速度保护气体L/min(mm)(A)(V)(m/h)(m/h)焊枪拖罩垫板3.21651012.52710108利用X射线探伤检测接头质量利用金相显微镜观察接头组织利用万能实验机测试接头拉伸性能并利用SEM观察接头断口对比分析不同超声参数作用下TIG焊及常规TIG焊接头组织与性能2试验结果与讨论2.1X射线探伤按照HB5386-87对TC4接头进行X射线探伤检测结果表明TC4常规ITG及电弧超声TIG焊接头质量符合航空一级标准2.2接头组织观察图1为不同工艺条件下TC4接头组织照片a普通TI

6、G焊接头bf=30kHz,U=35Vcf=80kHz,U=70V图1不同工艺条件下TC4接头组织照片300由图1可以看出在随着超声频率f的增加激励电压U的增大电弧超声TIG焊接头宽度逐渐减小焊缝组织细化等轴化在f=80kHz,U=70V时焊缝基本等轴化2.3接头拉伸性能测试按照航空标准进行试件加工和拉伸性能测试3组典型接头拉伸性能结果见表2可见随着超声频率增加激励电压升高接头拉伸性能有所提高表2不同工艺条件下TC4合金TIG焊接头拉伸性能b(MPa)SMPa%常规TIG接头956.6921.13.33超声TIG接头966.6947.13.50f=30kHzU=30V超声TIG接头985.79

7、69.33.67f=80kHzU=70V2.4接头断口观察图2图3分别为为常规TIG焊接及f=80kHzU=70V时电弧超声TIG焊接头断口形貌宏观35平坦区300起伏区300图2TC4常规TIG焊接头断口照片宏观35平坦区300起伏区300图3TC4电弧超声TIG焊接头断口照片f=80kHz,U=70V从图2图3可以看出TC4常规TIG焊宏观断口起伏较大且不均不同区域放大可见明显的枝晶破坏痕迹说明在其接头中