TC4钛合金超音频直流脉冲TIG焊

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HB5386 87 进行 X 射线探伤检测。观察所有的 X 射线探伤底片, 发现采用常规直流 T I G 焊的试样有 2 条焊缝中出现气孔, 采用 40kH z的超音频直流脉 冲 T IG 焊工艺的试样也有 1件出现气孔。焊缝中气 孔缺陷出现的位置及数量如表 1 所示。
表 1 不同工艺参数 TC4 接头中气孔缺陷出现位置及数量 T ab le 1 P ara m eters o f fast transfor m ultra -son ic pu lse T I G po w er source W e ld ing techno logy DC T I G 165A 40kH z ; Ip = 40A 60kH z ; Ip = 40A 80kH z ; Ip = 20A / B low ho le lo ca tion Bead co re A rc collec tion lo ca tion N umber / piece 3 1 Di m ension / mm 0. 01 0. 02
脉冲幅比: F p = ( I p + I b ) /I b ( 4) 根据公式 ( 3) 可知 , 当保持其它工艺参数不变 时 , 调节占空比将会改变焊接平均电流大小; 调节基 值电流或峰值电流同样可以改变平均电流。 公式 ( 4) 所示的脉冲幅比不仅表征了脉冲焊特 征的强弱, 而且还能体现基值电流、 峰值电流期间电 弧轴向等离子流力作用的强弱。 一般认为常规直流 T IG 焊电弧的等离子流力与 焊接电流的平方成正比 , 即: 2 P = KI ( 5) 式中 K = 0 / 8 , 0 与 分别为真空磁导率和电弧 气氛的导磁系数 , 根据经验 , K 值一般在 ( 1. 2~ 1. 4) 10 N /A 之间 。 超音频直流脉冲 T I G 焊过程中, 在维持弧长不 变的前提下 , 当脉冲峰值电流到来时 , 由于受电弧热 惯性的影响 , 弧柱增加是渐变的 , 则电弧的电流密度 增大, 电弧的轴向等离子流力也相应会增大。 由公式 ( 5) 可推导出 , 超音频直流脉冲 T I G焊 过程中 , 电弧的轴向等离子流力可表示为 : F = K Ib K ( Ib + Ip )
收稿日期 : 2010 -06-25; 修订日期 : 2010 -11-25 作者 简 介 : 许 海 鹰 ( 1973 xhyxhy @ 126. com。 ), 男 , 博 士 , 工 程 师 , ( Em a il)
1 超音频直流脉冲 T IG 焊的特点
超音频直流脉冲 T I G 焊 工艺可调的规 范参数 多, 如: 基值电流、 峰值电流、 脉冲频率、 占空比、 焊接 速率、 氩气流量、 电极直径和喷嘴直径等 , 其中基值 电流、 峰值电流、 脉冲频率、 占空比等不仅是影响焊 接质量的重 要参数 , 而且 反映 了超 音频 直流脉 冲 TI G 焊电源输出脉冲电流波形的基本特征。为了便 于研究分析, 设定超音频直流脉冲 T IG 焊的电流波 形为理想的矩形波 , 如图 1所示。 在图中: T 为脉冲周期; tp 为脉冲峰值电流作用
。国内钛合金零 部件的焊接通常采用 T I G焊
工艺, 然而常规直流 T I G 焊工艺焊接 TC4 钛合金 , [ 2] 容易出现粗大组织以及气孔等缺陷 ; 真空电子束 焊工艺虽然能避免气孔及接头组织粗大
[ 3]
等问题 ,
但工件尺寸容易受到真空室体积限制, 而且所要求 的装配精度高, 焊接费用昂贵。 对于脉冲电流频率 20kH z的超音频直流脉冲 T IG 焊工艺, 国内外已有少量的研究报道。文献 [ 4] 的研究表明 : 与同等功率常规 T IG 工艺相比, 超音频 直流脉冲 T IG 焊的电弧压力、 所获得的焊缝熔深、 焊 接速率均提高了 2~ 3 倍。这也说明了对于同等厚 度的材料, 采用超音频直流脉冲 T I G 焊工艺, 所需要 的平均电流较小 , 输入电流小, 则热输入降低 , 会降 低焊缝晶粒长大倾向。文献 [ 5] 对奥氏体不锈钢超 音频直流脉冲 T IG 焊接头的微观组织和性能进行了 研究, 结果表明: 选择合适工艺参数, 可以使奥氏体 不锈钢焊缝中心晶粒细化 , 接头质量得到提高。 超音频直流脉冲 T I G 焊过程中产生的一些特殊 效应可用于改善 TC4 钛合金熔池的凝固结晶过程 ,
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V o l 31, N o 1 February 2011
2011 年 2 月
ห้องสมุดไป่ตู้
JOURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS
TC4钛合金超音频直流脉冲 TI G 焊
许海鹰 ,
京 100191 ) 摘要 : 首 先对超音频直流脉冲 T I G 焊的特点进行了介绍 , 重点分析了的 峰值电流、 脉冲频率等关键工艺参数对超音 频直流脉冲 T I G 焊电弧轴向等离子流力的影响规律。采用 频率不同 的几组 超音频 直流脉 冲 T I G 焊 工艺及 常规直 流 TI G 焊工艺分别焊接了 2 . 5mm 厚的 TC4钛合 金。用 X射线探伤检测焊缝中的气孔缺陷 , 根据检测结果 , 分析了 超音频直流脉冲 T I G 焊过程中 , 能够加速气泡逸出熔池的几种作用 机制 ; 对于无缺陷 的接头 , 检测了接 头的拉伸力 学性能 , 观察了拉伸断口 SEM 照片。结果表明 : 在脉冲频率 60kH z , 80kH z 时 , 超音频直流脉冲 T I G 焊工艺能 使 TC4 钛合金焊缝中的气孔缺 陷出现的几率减少 ; 随着脉冲电流频率提高 , 焊接接头的断后延伸率得到了显著提高。 关键词 : 超音频直流脉冲 ; T I G 焊 ; 钛合金 ; 气孔 ; 焊接接头 DO I : 10 3969 / j issn 1005-5053 2011 1 007 中图分类号 : TG444+ . 74 文献标 识码 : A 文章编号 : 1005 -5053( 2011) 01-0036-05
第 1期
TC4 钛合金超音频直流脉冲 T IG 焊 电流期间电弧轴向等离子流力的大小。
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脉冲电流频率的调节会影响到单位时间内峰值 电流引起的较大电弧轴向等离子流力对熔池的作用 次数 , 因此 , 脉冲电流频率是超音频直流脉冲 T I G焊 影响焊接质量较重要的工艺参数之一。 通过以上分析可知, 超音频直流脉冲 T I G 焊工 艺参数的调整 , 可以在平均电流保持不变时 , 通过合 理调节脉冲幅比、 占空比、 脉冲电流频率 , 使单位时
制备出三个试样, 根据 GB /T 228 2002 在 23 室温 时以 2mm /m in 的拉伸速率分别对试样进行板拉试 验。拉伸断口均出现在熔合区附近 , 每组参数试样 拉伸试验结果的平均值如表 2 所示。
表 2 TC4 钛合金焊接接头拉伸力学 性能 T ab le 2 T ensile P roperties o f TC4 we lded jo ints T ensile P ara m arter DC T I G 165A 40kH z ; Ip = 40A 60kH z ; Ip = 40A 80kH z ; Ip = 20A streng th
[ 1]
将成为改善 TC4 钛合金焊接质量的有效途径之一。 超音频直流脉冲 T I G 焊具有操作简便、 焊接费 用低廉、 不受零件空间尺寸限制的特点。因此, 研究 TC4 钛合金的超音频直流脉冲 T I G 焊工艺将有助于 进一步拓展 TC4 钛合金的应用领域。 本文介绍了超音频直流脉冲 T I G 焊的特点, 重 点分析了超音频直流脉冲 T IG 焊焊接过程中, 关键 工艺参数对电弧轴向压力的影响规律。采用不同频 率的超音频直流脉冲 T IG 焊工艺以及常规直流 T IG 焊工艺焊接了 TC4 钛合金 , 对焊缝中的气孔缺陷、 接头拉伸力学性能、 接头断口形貌等进行了对比分 析, 发现选择合适超音频直流脉冲 T I G 焊工艺焊接 TC4 钛合金, 可以减少焊缝中的气孔缺陷, 提高接头 的拉伸力学性能。
1
齐铂金 ,
2
张
伟,
2
赵海涛
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( 1. 北京 航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室 , 北京 100024; 2. 北京航空 航天大学 机械工程及 自动化学 院 , 北
目前, TC4( T i 6A l 4V ) 是在航空航天工业领域 得到大量应用的一种钛合金材料, 而且也将在舰船 制造、 化工、 汽车制造 等民用工业领 域得到广泛应 用
时间; tb 为基值电流维弧时间; I b 为基值电流 ; I p 为 脉冲峰值电流; 脉冲电流最大幅值为 I b + I p。 能够表示超音频直流脉冲 T I G 焊特点的一些典 型工艺参数可通过下述公式 ( 1) ~ ( 4) 获得。 脉冲电流频率: f = 1 /T = 1 / ( tb + tp ) ( 1) 脉冲电流脉宽比 ( 占空比 )可由式 ( 2)获得: D = tp /T = tp / ( tp + tb ) 平均电流: Iav = Ib + I pD ( 2) ( 3)
图 1 理想的超音频脉冲 T I G 焊电流波形 F ig . 1 perfect current w ave o f ultra -son ic pu lse T I G w e ld ing
间内电弧轴向等离子流力对熔池的作用增强, 加速 熔池液态金属的流动性, 改善焊接的物理化学冶金 过程 , 提高焊接质量。
2 2 -6 2 [ 7] [ 6, 7, 8]
nT nT + tb
t < nT + tb t < ( n + 1 )T ( 6)
式中 n 是常数, n = 0 , 1 , 2 , 3 。 根据公式 ( 6) 可知 , 其它工艺参数不变, 改变基 值电流或峰值电流的大小可以改变基值电流、 峰值