TC4鈦合金是典型的α+β型雙相鈦合金，在航 空工業(yè)中常用于重要部位的結(jié)構(gòu)件[1-2] 。焊接是鈦合 金結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中不可避免的加工手段，目前 TC4鈦合金的常用焊接方法主要有TIG焊、電子束 焊、微束等離子弧焊和激光焊等焊接方法[3-4] 。范霽 康等[5] 利用電子束完成了1.2mm厚TC4薄板焊接， 得到了無(wú)熔合缺陷的焊縫，焊接接頭拉伸強(qiáng)度比母 材高。關(guān)鋒等[6] 使用激光焊實(shí)現(xiàn)1mm厚TC4薄板焊 接，得到了成形均勻且質(zhì)量良好的焊縫。相較于其 他高能束焊接方法，微束等離子弧焊具有電弧穩(wěn)定 性好、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)[7] ，常用于焊接超薄金屬構(gòu) 件。何建萍等[8]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖微束等離子弧焊（pulsedmico-plasmaarcwelding，P-MPAW）因其平均 熱輸入低、熔池?cái)嚢枳饔煤谩⒑附恿鸭y傾向小等特點(diǎn) 更有利于超薄板焊接。

目前TC4鈦合金薄板、中厚板以及管材的焊接 應(yīng)用與焊接數(shù)值模擬均有不少研究報(bào)道，但在板厚 小于200μm的TC4超薄板焊接領(lǐng)域，卻鮮有人研 究。因此本文運(yùn)用P-MPAW技術(shù)研究100μm厚鈦 合金超薄板的焊接工藝，探索基值電流和脈沖頻率 對(duì)焊縫成形的影響。在此基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟 件模擬不同脈沖參數(shù)下的焊接過(guò)程，對(duì)比不同基值 電流和頻率情況下的試驗(yàn)焊縫成形和模擬焊縫成 形，揭示100μm厚鈦合金超薄板脈沖微束等離子 弧焊焊接機(jī)理。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

所用材料為 TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金,其主要化學(xué)成分見(jiàn)表 1,熱物理參數(shù)見(jiàn)表 2。選取試樣尺寸為 100 mm50mm0.1mm的 TC4鈦合金超薄板為研究對(duì)象。

表 1 TC4鈦合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

Tab. 1 Main chemical composition of TC4 titanium alloy(wt%)

Al	V	C	H	Fe	O	N	Ti
6.75	4.5	≤0.08	≤0.015	≤0.30	≤0.20	≤0.05	余量

表 2 TC4鈦合金的熱物理參數(shù)

Tab. 2 Thermophysical parameters of TC4 titanium alloy

熔化 溫度/K	蒸發(fā) 溫度/K	密度 / (kg ⋅ m −3)	熱導(dǎo)率 / (W ⋅ m −1 ⋅ K −1)	熔化潛熱 / (J ⋅ kg −1)
1878	3591	4500	5.8	390000

1.2焊接方法

本試驗(yàn)用脈沖微束等離子弧焊,所用焊機(jī)為PLASMAFIX51焊機(jī),焊接示意圖如圖 1所示。焊接超薄板時(shí)采用對(duì)接的焊接接頭形式,工件裝配參數(shù):壓板邊緣距對(duì)接線1mm。焊接時(shí)無(wú)焊絲填充，固定焊接參數(shù):鎢棒直徑1.0mm、噴嘴孔徑1.2mm、鎢棒內(nèi)縮量 2.0mm、離子氣體和保護(hù)氣體均采用高純氬氣,流量分別為 0.35和 2.5 L/min、焊槍高度 1.5 mm、焊接速度 4.5mm/s。

在保持平均電流恒定為 2A的情況下,本文設(shè)置了 24組脈沖參數(shù),脈沖微束等離子弧焊焊接參數(shù)見(jiàn)表 3。脈沖電流的平均值計(jì)算 [8]:

式中: I為平均電流; I p 為峰值電流; I b 為基值電流; t p 為峰值持續(xù)時(shí)間; t b 為基值電流作用時(shí)間; t為脈沖周期。

表 3脈沖微束等離子弧焊焊接參數(shù)

Tab. 3 Welding parameters of pulsed microbeam plasma arc welding

占空比(%)	頻率/Hz	基值電流/A	峰值電流/A
30	25、100、200	0.8	4.8
		1.1	4.1
		1.4	3.4
		1.7	2.7
50	25、100、200	0.8	3.2
		1.1	2.9
		1.4	2.6
		1.7	2.3

1.3表征方法

焊接完成后,在光學(xué)顯微鏡和激光共聚焦掃描顯微鏡下觀察焊縫形貌,然后剪刀切取試樣,并用冷鑲嵌制作金相試樣,金相試樣尺寸為 12mm5mm。采用 600 # ∼  2000 #的砂紙對(duì)金相試樣進(jìn)行打磨,分別用 2.5μm和 1.5μm拋光膏對(duì)金相試樣進(jìn)行拋光。使用 Keller試劑對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕,沖洗后吹干,然后在光學(xué)顯微鏡 VHX-5000下觀察焊接接頭組織形貌。

1.4有限元分析方法

利用 ANSYSFLUENT軟件建模模擬焊接過(guò)程,熱源為高斯熱源 [9],邊界條件設(shè)為自然對(duì)流。圖 2為同種材料超薄板焊接簡(jiǎn)化幾何模型與模型網(wǎng)格劃分。100μm厚TC4超薄板P-MPAW焊接時(shí)，如圖1所示的板材外部有工裝夾具，如果按照實(shí)際焊接條件建模將增加數(shù)值計(jì)算時(shí)間和影響結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此將三維幾何模型簡(jiǎn)化(圖2(a)),簡(jiǎn)化后的超薄板尺寸為50mmx10mmx0.1mm。模型網(wǎng)格劃分使用六面體網(wǎng)格劃分法(圖2(b)),采取焊縫中心附近2mm內(nèi)網(wǎng)格密集,板厚方向與焊接方向網(wǎng)格大小均為0.1 mm,遠(yuǎn)離焊縫中心區(qū)域網(wǎng)格大小均勻遞增的原則，最遠(yuǎn)端網(wǎng)格大小為0.8mm,總網(wǎng)格數(shù)量為17500。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1宏觀焊縫成形特征

100μm厚TC4鈦合金超薄板P-MPAW在占空比30%、基值電流0.8A時(shí),不同脈沖頻率的焊縫成形特征如圖3所示。結(jié)果表明，P-MPAW實(shí)現(xiàn)了不同脈沖參數(shù)下100μm厚TC4鈦合金超薄板的單面焊雙面成形工藝，而且焊縫成形一致性良好。當(dāng)脈沖頻率為25Hz時(shí)，焊縫呈現(xiàn)為魚(yú)鱗狀，且均勻連續(xù)未出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷;當(dāng)脈沖頻率分別為100、200Hz時(shí)，焊縫均呈現(xiàn)為光滑連續(xù)焊縫。當(dāng)脈沖頻率增大時(shí)在微束等離子弧的高頻壓縮特性的作用下,使得焊縫變窄,因此脈沖頻率為200Hz時(shí)焊縫正面與背面寬度相較于脈沖頻率為25、100Hz時(shí)的更窄，焊縫截面寬度也更小。

2.2脈沖參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響

圖4為占空比30%時(shí)不同脈沖參數(shù)的焊縫成形尺寸。結(jié)果表明，在平均電流固定為2A、占空比30%時(shí)，不同脈沖參數(shù)下，焊縫正面寬度大于焊縫背面寬度,焊縫成形系數(shù)趨近,焊縫成形穩(wěn)定;隨著基值電流的增大，焊縫寬度逐步變小，但變化趨勢(shì)有所減小;隨著脈沖頻率的增大，焊縫寬度逐步變小。其原因是當(dāng)平均電流、占空比和基值電流保持不變的情況下，當(dāng)脈沖頻率增大時(shí)，在微束離子弧焊的高頻壓縮特性作用下，等離子束變細(xì)從而使得焊縫寬度變窄。

圖5為占空比50%時(shí)不同脈沖參數(shù)的焊縫成形尺寸。結(jié)果表明，在平均電流固定不變?yōu)?A、占空比50%時(shí)，不同脈沖參數(shù)下，焊縫正面寬度大于焊縫背面寬度,焊縫成形系數(shù)趨近,焊縫成形穩(wěn)定;隨著基值電流的增大，焊縫寬度逐步變小;隨著脈沖頻率的增大，焊縫寬度逐步變小。在平均電流相同、占空比不變的情況下，占空比為30%時(shí)的焊縫寬度大于占空比為50%時(shí)的焊縫寬度，其原因是當(dāng)平均電流、占空比、基值電流、脈沖頻率不變的情況下，占空比30%時(shí)的峰值電流大于占空比50%時(shí)的峰值電流，峰值電流越大，電弧能量集中，電弧力越大，熔深和熔寬增加，因此焊縫寬度增大。

2.3焊接溫度場(chǎng)分析

圖6為占空比30%時(shí)不同脈沖參數(shù)的模擬焊接溫度場(chǎng)。圖6(a)~(c)分別為占空比30%、基值電流0.8A不變時(shí)，脈沖頻率分別為25、100、200Hz時(shí)的模擬焊接溫度場(chǎng),圖6(a)、(d)、(g)、(j)分別為占空比30%、脈沖頻率25Hz不變時(shí)，基值電流對(duì)應(yīng)為0.8、1.1、1.4和1.7A時(shí)的模擬焊接溫度場(chǎng)。結(jié)果表明,當(dāng)占空比和基值電流保持不變的情況下,隨著脈沖頻率的增大，高于TC4鈦合金熔點(diǎn)(1878K)的溫度場(chǎng)面積有所減小;當(dāng)占空比和脈沖頻率保持不變的情況下，隨著基值電流的增大，高于TC4鈦合金熔點(diǎn)的溫度場(chǎng)面積亦有所減小。在模擬整個(gè)焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，焊接溫度場(chǎng)從穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)再過(guò)渡到穩(wěn)態(tài),模擬焊接溫度場(chǎng)熱源附近溫度最高,遠(yuǎn)離熱源,溫度逐漸降低，熱源正前方等溫線密集。說(shuō)明該區(qū)域溫度梯度較大，熱源后方形成有彗尾狀溫度場(chǎng)，溫度梯度較小,因此等溫線較為分散。

2.4試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖7為占空比30%、基值電流0.8A時(shí)的不同脈沖頻率試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比。。其中圖7(a)、(c)、(e)分別為脈沖頻率為25、100、200Hz時(shí)數(shù)值模擬焊接熔池流場(chǎng);圖7(b)、(d)、(f)分別為脈沖頻率為25、100、200Hz時(shí)，共聚焦顯微鏡觀察到的焊縫形貌。結(jié)果表明,熔池流場(chǎng)整體呈橢圓形,在基值電流和脈沖電流的交替作用下，對(duì)熔池形成了一定攪拌作用,使焊縫液態(tài)金屬順時(shí)針流動(dòng)。其中,熱源中心位置流速最大，結(jié)合溫度場(chǎng)分析，熔池前方溫度梯度大，金屬未熔化，熔池較窄，液態(tài)金屬流動(dòng)受阻使得流速較大。熔池后方溫度梯度小，液態(tài)金屬處于冷卻凝固過(guò)程,熔池較寬,液態(tài)金屬堆積導(dǎo)致流速較慢,因此流場(chǎng)整體呈橢圓形。對(duì)比圖7(a)、(c)、(e)可以明顯看出,模擬熔池輪廓與試驗(yàn)所得到的焊縫形貌基本吻合。隨著脈沖頻率的增大，模擬熔池流場(chǎng)范圍變小，焊縫寬度也隨之減小，與工藝試驗(yàn)結(jié)果一致。隨著脈沖頻率的增大，液體金屬流速變小，逐漸趨于平穩(wěn),有利于焊縫成形,焊縫從魚(yú)鱗焊縫逐漸過(guò)渡至連續(xù)焊縫。

圖8為占空比30%、脈沖頻率25Hz時(shí)的不同基值電流試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比。圖8(a)、(c)、(e)分別為基值電流1.1、1.4、1.7A時(shí)數(shù)值模擬焊接熔池流場(chǎng);圖8(b)、(d)、(f)分別為基值電流1.1、1.4、1.7A時(shí)，共聚焦顯微鏡觀察到的焊縫形貌。對(duì)比圖8(b)、(d)、(f)可以明顯看出，模擬熔池輪廓與試驗(yàn)所得到的焊縫形貌基本吻合，隨著基值電流的增大，模擬熔池流場(chǎng)范圍變小，焊縫寬度也隨之減小，與工藝試驗(yàn)結(jié)果一致。隨著基值電流的增大，峰值電流與基值電流差值變小，液體金屬流速變小，逐漸趨于平穩(wěn)。

2.5焊接接頭熱循環(huán)與顯微組織

占空比30%、基值電流0.8A、脈沖頻率分別為25Hz時(shí),焊接接頭焊接熱循環(huán)曲線與顯微組織如圖9所示。其中，圖9(h)為典型的100μm厚TC4鈦合金超薄板P-MPAW的焊接接頭顯微組織。由圖9(d)可見(jiàn),TC4鈦合金為等軸的α相和β相雙相鈦合金。由圖9(g)可見(jiàn),焊縫區(qū)的微觀組織主要表現(xiàn)為網(wǎng)籃組織，這是由于焊接過(guò)程中在脈沖電流的作用下，焊縫金屬迅速達(dá)到相變溫度，原生 α相和β相向高溫β相轉(zhuǎn)變,高溫β相通過(guò)晶格重構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?α ′馬氏體相 [10],生成的大量 α ′馬氏體相互相交織在一起形成網(wǎng)籃組織。由圖9(e)、(f)可知,熱影響區(qū)的微觀組織主要表現(xiàn)為等軸 α相和β相以及針狀 α ′相馬氏體多相共存現(xiàn)象。在圖9(b)、(f)中,熱影響區(qū)由于靠近焊縫，在焊縫高溫影響下原生 α相和β相向高溫β相轉(zhuǎn)變,但由于冷卻速度快,冷卻后部分α相和高溫β相轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;'馬氏體，因此在圖9(f)中可以明顯看出熱影響區(qū)內(nèi)存在部分針狀α'馬氏體,在圖9(a)、(e)中熱影響區(qū)由于靠近母材,焊縫溫度相較于焊縫側(cè)熱影響區(qū)有所降低，從而顯微組織亦有所不同,顯微組織表現(xiàn)為部分α相、高溫β相以及針狀馬氏體多相共存。

3、結(jié)論

(1)使用P-MPAW焊接100μm厚TC4鈦合金超薄板,脈沖頻率為25Hz時(shí),不同基值電流的情況下焊縫均呈現(xiàn)為魚(yú)鱗狀，脈沖頻率分別為100、200Hz時(shí)焊縫均呈現(xiàn)為光滑連續(xù)焊縫。

(2)P-MPAW焊接100μm厚TC4鈦合金超薄板的焊縫正面寬度大于背面寬度,在平均電流2A、占空比30%和50%時(shí),隨著基值電流和脈沖頻率的增大，焊縫寬度逐步變小。

(3)有限單元法模擬P-MPAW焊接TC4鈦合金超薄板的焊接過(guò)程,溫度場(chǎng)呈彗尾狀,流場(chǎng)呈橢圓狀，脈沖電流和脈沖頻率影響熔池大小以及熔池液態(tài)金屬流速。

(4)100μm厚TC4鈦合金超薄板P-MPAW焊接接頭,焊縫區(qū)顯微組織主要為網(wǎng)籃組織,熱影響區(qū)組織主要為等軸α相和β相以及針狀α'相馬氏體，TC4母材組織為等軸α相和β相。

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（注，原文標(biāo)題：100μm厚鈦合金超薄板脈沖微束等離子弧焊焊接工藝與數(shù)值模擬_柴鵬）

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tag標(biāo)簽:TC4鈦合金,航空精密構(gòu)件,100μm超薄板

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