完整版厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究毕业设计.docx

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完整版厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究毕业设计

厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究

崔庆龙

院（系）：

材料科学与工程专业：

焊接技术与工程

2011年6月

毕业设计（论文）

题目厚板钛合金窄间隙TIG

焊接工艺研究

专业焊接技术与工程

学生崔庆龙

指导教师吕世雄冯吉才

答辩日期2011年6月29日

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）评语

毕业设计（论文）题目：

厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究

工作起止日期：

2010年10月8日起2010年6月29日止

指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：

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指导教师签字：

指导教师职称：

评阅人评阅意见：

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评阅教师签字：

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答辩委员会评语：

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根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：

学生毕业设计（论文）答辩成绩评定为：

对毕业设计（论文）的特殊评语：

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答辩委员会主任（签字）：

职称：

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答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员（签字）：

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年月日

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书

姓名：

崔庆龙院（系）：

材料科学与工程

任务起至日期：

2010年10月8日至2011年6月29日

毕业设计（论文）题目：

厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺研究

立题的目的和意义：

解决4500mm级载人深海探测器制造过程中的焊接问题；

同时推动厚板钛合金在石油、化工等工业部门的广泛应用，提出一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法。

研究窄间隙条件下焊接厚板钛合金的工艺及接头的组织性能，优化焊接参数，得到性能更为优良的接头。

本课题的研究，对于工业实际生产中厚板钛合金的焊接提供了奠定了必要的理论基础和试验基础。

技术要求与主要内容：

利用窄间隙TIG焊接的方法，为得到性能优良的焊接接头，本课题主要通过以下几个方面进行研究：

1）通过对厚板钛合金焊接性的分析，设计并制造窄间隙TIG焊接条件下使用的焊枪和保护装置。

2）78mm厚钛合金试板的窄间隙TIG焊接工艺试验。

3）焊接后接头的组织分析与力学性能试验。

4）对焊接试板焊接过程中焊接变形与焊接温度场的测量和分析。

通过上述的分析，确定厚板钛合金焊接工艺，分析在窄间隙条件下焊接，焊接结构呈现出的特殊性能。

进度安排：

2010.9-2010.1150mm厚钛合金板的试焊接，焊枪和保护装置的设计和制造。

2011.1-2011.3焊缝金相组织观察和力学性能实验，优化焊接参数。

2011.3-2011.5焊缝温度曲线测量及分析。

2011.5-2011.6整理数据，撰写论文，准备答辩。

同组设计者及分工：

无

指导教师签字___________________

年月日

教研室主任意见：

教研室主任签字___________________

年月日

摘要

解决4500mm级深海探测器制造过程中关于厚板钛合金焊接的问题，同时推动厚板钛合金在石油、化工等工业部门的广泛应用，提出窄间隙条件下TIG焊，作为一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法。

本文采用TIG电弧焊方法，窄间隙条件下多层焊的方式，以Ti-4Al-2V为填充焊丝，对厚板TC4钛合金进行了焊接。

焊接试验中设置不同的坡口尺寸，一些列变化的焊接电流及气体保护流量参数，进行多组焊接试验，通过对焊接接头宏观及微观组织分析、对比不同参数下的力学性能测试，优化参数，确定最佳的厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺。

工艺试验结果表明，电流在180A~240A之间可以得到完整可靠的焊接接头，焊接过程中78mm厚钛合金试板的横向收缩为4.5mm，接头区域狭窄且无明显分区。

通过微观金相分析，明晰了窄间隙焊接条件下晶粒生长规律与组织特征，发现电流变化对于晶粒和组织影响甚微。

力学性能测试表明，窄间隙接头因啮合强化而使得接头强度得到提高，而且随着电流的增大，焊缝熔合比的增大使得接头性能进一步提高。

温度场测量结果符合焊接热循环变化规律，同时因为钛合金的物理性能特点而呈现出其特殊性。

关键词：

厚板钛合金；窄间隙TIG；显微组织；力学性能；温度场

Abstract

Tosolvetheweldingprobleminmanufacturing4500mmlevelbathyscapheandpropelthedevelopmentofthicktitaniumalloysstructuresinindustrial,narrow-gapTIGweldingofthicktitaniumalloysisproposedasanefficientandeconomicalmethod.

Narrow-gapTIGweldingofTC4byusingTi-4Al-2Vfillermetalwithmultilayerweldingway,experimentshavebeendoneunderthedifferentsizesofgrooveandserialsofcurrentsandprotectinggas-flowrates,todeterminetheoptimumweldingparametersafterthemetallographicanalysisandmechanicalpropertiestestingofweldingjoint.

Resultsofweldingtechnologyexperimentshowsthatthereliablejointcanbeobtainedunderthecurrentof180A-240A,weldinglateralcontractionisabout4.5mmin78mmtitaniumplate,andthejointisnarrowwithnomarkeddivision.Metallographicanalysisofnarrow-gapTIGweldingjointshowstherulesofgraingrowthandmicrostructurecharacteristics,thechangingofcurrentshaslittleeffectonthesizeofgrainandmicrostructure.Thetensiletestshowsthatthetensilestrengthofjointishigherthantheseammetalbasedonthetheoryofmeshingstrengtheninginnarrow-gapweldingoftitaniumalloys,theincreaseofcurrentleadstotherisingofpenetrationratio,thatalsocancontributetoincreasingofstrength.ResultsofWeldingtemperaturefieldmeasurementshowthatthetitaniumalloysweldingtemperaturefieldhasitscharacteristicsintheconditionofnarrow-gapTIGwelding.

Keywords:

thicktitaniumalloys;narrow-gapTIG;microstructure;mechanicalproperty;weldingtemperaturefield

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

 巨大的勘测难度使深海勘测一直居于地球科学的前沿。

这种勘探要求大额投入和尖端技术，这是中国发展深海探测一个绕不过去的坎儿。

国际在线报道：

中国国际广播电台环球资讯午间话题关注“蛟龙”号深海探测器突破3700米事件。

中国科技部、国家海洋局联合发布：

我国自行设计、自主集成研制的国家863计划重大专项“蛟龙”号（如图1-1）载人潜水器在中国南海3000米级海上试验取得成功，最大下潜深度达到3759米，创造了水下和海底作业9小时03分的纪录，验证了“蛟龙”号载人潜水器在3000米级水深的各项性能和功能指标。

这标志着我国深海载人探测已取得相当大的成就。

图1-1蛟龙号

图1-2国外一深海探测器

取得成绩的同时我们也要看到差距，美国1964年建造的“阿尔文”号载人潜水器即可下潜到4500m的深海；法国1985年研制成的“鹦鹉螺”号潜水器最大下潜深度可达6000m；我们的邻居俄罗斯和日本已经完成了深海6000m级水深的探测数千次。

中国载人深海探测这条路任重而道远。

依据全国第11个五年计划，国家高技术研究发展计划（863专项）中海洋技术领域的战略目标是：

“深化近浅海、开拓深远海”。

该部分内容旨在开发强大的实用型潜水设备，建设和维护深海海底观测网络，以及勘探和海底取样。

项目计划开发在水下4500米的作业的深海潜水设备。

如图1-3所示，该潜水器是一个直径约为2m，壁厚90mm的球形容器，由12块弧瓣形钛合金板拼焊而成。

图1-3深海潜水器效果图

钛合金具有密度小、比刚度、比强度高，耐蚀性、耐热性好等一系列优点，在航空航天、海洋工程、汽车和医疗等领域得到了越来越广泛的应用[1]，钛合金在海洋工况下使用极具优势，世界各工业发达国家都十分重视钛材在舰船领域中的开发应用，特别是原苏联全钛耐压壳核潜艇的成功制造，标志着钛材在舰船中应用的重大突破[2]。

钛合金能以更轻的重量抵抗更强的水压，而且又极耐海水腐蚀，是制造深海探测器的首选材料。

深海探测器的设计厚度是90mm，因此如何完成厚板钛合金的焊接，成为深海探测器制造的关键问题。

本课题的研究，正是致力于深海探测器制造过程中钛合金焊接技术的开发。

从更深远的角度来看，近年来厚板钛合金结构在石油、化工、能源等工业领域的应用越来越多，而且上述工业领域对于钛合金的应用由以厚板焊接结构居多，因此一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法对于推动厚板钛合金结构的应用有着重要意义。

本论文主要是针对4500m级深海探测器项目中厚板钛合金焊接工艺进行研究，分析焊接接头组织和性能的基础上确定最佳的焊接过程参数，同时更深入的探究厚板钛合金焊接结构温度场的变化规律及应力、变形的控制等问题，为钛合金深海探测器制造及厚板钛合金焊接结构在工业领域的应用提供理论和技术支持。

1.2厚板钛合金焊接性分析

常温下钛合金因表面氧化膜的作用而保持高的稳定性和耐蚀性能，在焊接高温下，钛合金表面氧化膜变得疏松，使钛与氢、氧、氮的反应速度加快，降低了焊接接头的塑韧性。

如果钛合金在无保护或者保护不良的情况下进行焊接，焊接接头会因为间隙元素的污染而导致接头的脆化。

因为钛的熔点高，比热容小，导热性能差，所以在焊接时冷却速度慢，焊接热影响区高温下停留时间长，β晶粒在高温下极易过热粗化，导致接头的塑韧性下降。

但对于TC4这样的双相钛合金，由于合金化程度高，晶粒长大倾向相对较小，所以，在焊接TC4时宜采用较大的焊接热输入。

气孔是钛及钛合金在焊接时最常见的焊接缺陷[3]。

钛合金焊接接头中的气孔主要分为两类，在焊接热输入较大时熔合线附近形成气孔，在焊接热输入较小时焊缝中部产生气孔。

气孔的存在会降低接头的抗拉强度和疲劳强度。

气孔敏感性与焊接方法、工艺等因素都有关，冷却速度的快慢对气孔的影响主要由周围气体扩散使气泡长大和气泡上浮时间两个相互矛盾的因素决定。

一般来说，电子束焊接气孔最多，等离子最少，氩弧焊趋于中间。

本项目所设计深潜器的壁厚为90mm，厚板材料在焊接时必然会引起较大的焊接应力和变形，而且厚板材料焊接时常加工成U形或V形坡口，以多层多道焊的方式进行焊接，填充金属量过大是这种焊接方法一个很大的不足[4]，不仅浪费了焊接材料，而且因为热输入量过大而使得接头性能变差。

1.3国内外研究现状及分析

国内外对于钛合金板焊接工艺的研究较多，但是多数限于薄板研究，对于这种厚板钛合金焊接的研究很少。

用于焊接厚板钛合金主要有以下几种方法：

1.3.1MIG多层多道焊

法国的E.Budillon和J.P.Peyronnet做过海底实验室用钛合金厚板的焊接及评价。

实验用板厚为20mm，用TIG打底，MIG填充的方法对钛合金厚板进行焊接。

采用MIG焊时，开坡口如图1-4。

因其需要繁琐的保护措施，而且效率较低，所以他们得出的结论是MIG焊接方法并不适合于焊接钛合金厚板[5]。

图1-4MIG方法焊接坡口及焊接层数示意图

1.3.2窄间隙TIG

国内船舶重工工业集团的张伟明等人利用窄间隙TIG自动焊的方法，焊接了40mm厚的TA2（工业纯钛）试板（如图1-5），并对焊接后接头的组织和性能进行了分析。

试验发现利用窄间隙TIG的方法可以得到无缺陷的焊缝，焊接接头性能良好，同时发现焊接接头因为窄间隙条件焊接，使得接头的强度较常规坡口焊接条件下下强度高[6]。

图1-540mm厚TA2窄间隙焊接接头

1.3.3电子束焊接

电子束焊接以其能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大等特点，特别适合于厚板的焊接。

国内大连交通大学的宫平，罗宇等人使用电子束焊接的方法，焊接了20mm的TC4板，并研究了不同聚焦电流对焊缝成形的影响。

发现聚焦电流对焊缝形状的影响作用很大，聚焦电流不同，焊缝形状各异。

当控制聚焦电流使电子束焦点落在工件表面附近一定区域内时，焊接熔深、熔宽和焊缝宽度比值随着焦点位置的不同表现出不同值，而后随着焦点位置的上移或下移，焊接熔深和深宽比H/B不断减小，熔宽和焊缝宽度不断增加[7]。

图1-6不同聚焦电流下焊缝成形情况

图1-7聚焦电流对焊缝成形参数的影响

美国机械学会N.Saresh等人尝试在正确的参数下焊接17.5mm厚的法兰盘环焊缝结构（如图1-8所示）。

焊接结果显示，采用单面电子束焊接一次无法熔透17.5mm厚的钛合金板，因为焊接过程中缺乏可重复性的焊接参数。

如果采用如图1-9所示双面焊接的方式，可以达到优良的焊接接头，接头的性能也得到的提升[8]。

图1-8结构上方的环焊缝

图1-9双侧焊接的建立

分析上述国内外的研究现状，发现在焊接厚板钛合金方面电子束焊接是比较有优势的焊接方法，电子束焊接具有焊接速度高，焊接变形小，热效率高等一系列优点[9]，特别适合于厚板活泼金属的焊接，但焊接生产成本高，且试件尺寸受真空室限制[10-11]；相比之下，采用氩弧焊的方法，工艺简单，操作灵活，可以有效解决大多数焊接结构问题[12-13]，如果是以开V形坡口，多层多道方式焊接厚板钛合金，焊接效果并不理想，以窄间隙TIG的方式焊接厚板钛合金板有一定的借鉴意义，但是必须在良好的保护下进行焊接。

1.4厚板钛合金窄间隙TIG焊接

鉴于此，提出一种利用手工氩弧焊，窄间隙条件下焊接厚板钛合金的方法，并配以良好的惰性气体保护措施。

TIG焊是所有焊接方法中应用面最广的，对有色金属及其合金如钛合金的焊接最具优势[14]。

窄间隙焊接不仅可大幅度的减少坡口截面积、大大减少焊缝金属的填敷量，而且在相对少的焊接热输入下，解决了开坡口困难、焊接速度缓慢，焊后板材应力变形大等问题[15]。

本课题采用钨极氩弧焊，焊接窄间隙钛合金（TC4）厚板，对厚板钛合金的焊接工艺进行深入研究，探究最优的焊接参数和提高焊接接头强度的有效途径，得到质量优良的接头的同时，对接头性能进行测试，进一步分析影响接头性能的主要因素。

针对厚板钛合金窄间隙TIG焊接，研究内容主要围绕以下几个方面研究：

1.焊枪及保护装置的设计及制造

2.厚板钛合金焊接工艺的确定及参数的优化

3.焊接接头金相组织的观察和力学性能的测试

4.焊接温度场的测量及焊接变形控制的分析

第2章焊接工艺试验

2.1焊枪及保护装置的设计及制作

2.1.1焊枪的设计及制作

作为氩弧焊机重要组成部分之一的氩弧焊枪，其作用是夹持钨极、传导焊接电流和输送保护气。

焊枪的设计要根据所焊材料的种类和结构状况而决定，具体来说焊枪的设计要考虑焊接电流的大小、焊接结构所处的具体工况、焊接工人的可操作性等，一把合适的氩弧焊枪的设计要考虑多方面的因素。

试验方案提出焊接厚板钛合金的方法为窄间隙TIG多层焊。

首先，钛合金焊接时晶粒长大倾向并不明显，同时为保证窄间隙多层焊时侧壁熔合良好，宜采用较大的热输入。

焊接前估计所使用焊接电流值100A~300A，因此，所设计焊枪应承受较大的焊接电流，这要求焊枪必须有良好的冷却系统；窄间隙坡口是窄而深的间隙，采用TIG焊的方法在窄间隙坡口条件下焊接，焊枪的气体保护喷嘴必须深入到窄间隙坡口中，对焊接区充分的保护。

这要求所设计的焊枪喷嘴能深入到所开窄间隙坡口中；本项目旨在制造直径两米的球形容器，整个球体共有6条经线焊缝和1条赤道环焊缝，全部由焊工手工操作完成，劳动强度大，对焊工的要求较高。

考虑到上述因素，所设计焊枪的体积越小越好，尽可能的轻质，以减轻焊工的劳动强度，保证焊接质量。

综合考虑上述因素，抓住所设计焊枪冷却好、质量轻及细长陶瓷喷嘴三个主要特点，设计制造了适合于窄间隙、大电流下焊接的焊枪。

焊枪黄铜制主体如图2-1所示，总长度40mm，保证了枪体轻质的特点，减轻了焊接工人负担；特制的陶瓷喷嘴（图2-2所示）外径D只有10mm，长度L却达到了63mm，可以深入窄间隙坡口中进行焊接；焊枪具有良好的水冷系统，试验证明即使在较大的焊接电流下长时间焊接，焊枪也不会过热。

图2-1焊枪主体结构

图2-2陶瓷喷嘴尺寸

最终完整的枪体设计图如图2-3所示。

图2-3整体焊枪设计图

2.1.2保护装置的设计及制造

常温下钛表面钝化层（氧化膜）的致