不同氟化物对钛合金焊接工艺性能的影响

杨庆来

(北京铁路局德州站房改造指挥部，山东 德州 253000)*

0 引言

根据钛合金的焊接特点，目前国内外多采用惰性气体保护焊方法，基本是钨极氩弧焊(GTAW)，但GTAW的焊接效率较低，而高效率的熔化极氩弧焊(GMAW)至今未有根本性的突破，提高钛合金的焊接效率的技术之一是A-TIG焊接技术(Activating Flux Welding)［1］.A-TIG 焊使得焊接熔深显著增加，焊接效率大大提高，成倍降低成本.表面活性剂的研制和应用及表面活性剂增加熔深机理的研究是A-TIG焊的研究热点.前人的研究结果指出电弧收缩理论和表面张力梯度改变理论是表面活性剂增加焊接熔深的主要机制［2-3］.而近些年来发展起来的药芯焊丝技术与A-TIG焊技术相比，利用钛药芯焊丝钨极氩弧焊是提高钛合金的焊接效率的新技术.钛药芯焊丝通过药芯设计，可以使焊接电弧的穿透能力大幅提高.如10年前，乌克兰巴顿焊接研究所与美军研究机构合作，利用PPT2药芯焊丝，在450 A的焊接电流下，可以实现不开坡口单道焊接熔深达13.5mm，大大超过A-TIG的焊接厚度.

本文研究涉及到钛药芯焊丝的焊接工艺性能.因焊接工艺性能事关所研发的药芯焊丝的工程应用与推广，在焊接材料研发中是极其重要的.

1 实验过程

1.1 药芯配方设计

设计三组钛药芯焊丝，三组配方都是基于CaF2而设计的，同时保持NaF和BaCl2的含量不变，质量分数分别为1%和14%.其中，A组中以冰晶石取代CaF2，并逐渐增加冰晶石的含量，分析复合金属氟化物含量增加后对焊接工艺性能的影响;B组以逐渐增加的Na2SiF6代替CaF2，分析增加的碱金属氟化物对焊接工艺性能的影响;C组以BaF2代替CaF2，分析过渡族金属氟化物对焊接工艺性能的影响.

1.2 焊接工艺试验

焊接设备采用全数字化交直流脉冲氩弧焊机WSME 630，被焊母材采用轧制态TA7材料，厚度大于30 mm，化学成分见表1.焊接工艺参数见表2.

表1 母材化学成分 %

表2 焊接参数

2 结果分析与讨论

2.1 焊丝TIG焊工艺性能与焊缝表面质量

在TIG焊接过程中，A组药芯焊丝表现为电弧不稳定，飞溅非常严重，且焊缝四周有较多药芯粉末.防护镜中看到电弧较为明亮，有大量的高亮熔滴飞射而出，同时伴有熔池的爆炸.焊接完成后，焊缝脱渣非常困难.而B组药芯焊丝的焊接虽电弧较为稳定，但飞溅也比较严重，焊缝四周同样有较多药芯粉末，脱渣效果也不好.C组药芯焊丝的焊接电弧最为稳定，飞溅情况比A、B两组要好，焊缝四周的药芯粉末也比较少，脱渣效果比较好.从焊缝成形来看，A组药芯焊丝焊缝表面成形很差，表面尖锐突起过多，留有熔池爆炸后形成的浅坑和飞溅的飞边，同时熔渣覆盖很不理想，裸露出金属部分呈现暗灰色金属光泽，氧化非常严重.B组药芯焊丝熔渣堆积于焊缝两侧，凸起部分渣十分薄，其保护效果比较差，裸露金属部分呈现黄色，氧化比较严重.C组药芯焊丝焊缝成形美观，熔渣保护效果非常好，表面呈现浅金黄色，只有微量氧化.

2.2 焊缝熔深与焊缝内容质量

与常规TIG焊相比，A、B、C三组药芯焊丝焊缝的熔深均有不同程度的增加，且呈现出一定的规律(如附图).其中A组随冰晶石逐步取代氟化钙量的增加，熔深不断减小;B组随氟硅酸钠逐步取代氟化钙量的增加，熔深先减小后增大;C组熔深随氟化钡逐步取代氟化钙量的增加呈现出波动性质.在增加熔深的同时，熔宽也出现了较大的波动.此外，X射线检测结果表明，焊缝中基本未出现气孔，但均有不同程度的夹杂.

附图 试样宏观照片

2.3 有害元素检测

根据美国ASTM B265，Gr.2:N的质量分数小于等于0.03%即为合格［4］.实验结果表明，三组配方下，焊缝含N量均未超标，说明焊接过程保护与脱氮效果良好.

表3 焊缝含N量

2.4 讨论

A、B两组中分别会产生大量AlF3和SiF4气体，增大熔滴的爆炸力，使电弧稳定性下降.C组BaF2热稳定性好，不会分解产生气体，故电弧稳定性好.对于A组药芯焊丝，药芯中的冰晶石受热分解，生成AlF3气体，但冰晶石的分解温度较高，在熔池中将继续分解，生成的AlF3气体从熔池中逸出时，形成气泡放出型飞溅.对于B组药芯焊丝，由于Na2SiF6的分解温度较低，为300℃.在药芯焊丝预热时即发生分解，在焊接高温作用下近乎完全分解，产生大量的气体，从而增大飞溅.而氟化物使电弧稳定性变差，也能导致飞溅增大.产生的气体同时也将药芯粉末吹出.C组药芯焊丝BaF2高温下性能稳定［4］，所以由于气体引起飞溅的几率比较小.

A组药芯焊丝由于药芯中的Na3AlF6分解温度较高，给其在渣中残留留下了机会;而B组药芯焊丝的焊接熔渣为NaF、BaCl2和CaF2等等组成.C组药芯焊丝的焊接熔渣则为 NaF、BaCl2、BaF2和CaF2等组成.

从渣的凝固行为来看，熔渣中组分结合键越强，熔化温度就越高.经查，各组分的熔点是:CaF2:1423℃、BaF2:1355℃、Na3AlF6:1 025℃、NaF:993℃、BaCl2:925℃.因此，有理由预期，A 组和B组药芯焊丝的焊接熔渣的凝固温度较低，这将增加同温度下熔渣的流动性大.

对于A组药芯焊丝而言，残留于渣中的冰晶石将导致熔渣粘度增大，从而降低熔渣流动性，因此，焊接熔渣没有形成中间薄而两边厚的情况.

而B组药芯焊丝焊接熔渣由NaF、BaCl2和CaF2等组成.其中由氟硅酸钠分解生成的NaF能够降低熔渣的粘度，增加了熔渣流动性，导致焊缝中间熔渣薄，而边缘较厚的情况.

C组药芯焊丝熔渣中由于BaF2的存在，使得熔渣凝固温度升高，降低了熔渣的流动性，使焊缝表面得到比较均匀的覆盖保护.

由于三种药芯焊丝的熔渣覆盖能力不同，其脱渣性也不同.熔渣覆盖能力最好的C组药芯焊丝脱渣性也就最好.至于焊接熔渣的热膨胀系数的作用，由于缺乏相应的数据而需要深入研究.

3 结论

通过分析，得出如下结论:

(1)用其它氟化物取代钛药芯焊丝药芯中的氟化钙，用复合氟化物取代会产生大量气体，增大熔滴的爆炸力，使电弧稳定性下降.而用BaF2取代，则电弧稳定性较好;

(2)用氟硅酸钠取代钛药芯焊丝药芯中的氟化钙，由于氟硅酸钠的分解温度较低，在药芯焊丝预热时即发生分解，产生大量的气体，增大飞溅;

(3)钛药芯焊丝的熔渣覆盖能力不同，其脱渣性也不同;

(4)对钛药芯焊丝而言，稳定的电弧、极小的飞溅(特别是不能有自熔池的飞溅)及均匀的熔渣覆盖，是获得良好焊缝表面成形的必要条件.

［1］黄勇，樊丁，张涵.表面活性剂对钛合金 A-TIG焊熔深的影响［J］.稀有金属材料与工程，2006，35(10):1586-1588.

［2］HORI K，Watanabe H，Myoga T，et al.Development of hot wire TIG welding methods using pulsed current to heat filler wire-research on pulse heated hot wire TIG welding processes［J］.Welding International，2004，18(6):456-468.

［3］WELLS M E.Evaluation of PPT-2 Flux-Cored Titanium Weldment［R］.NSWCCD-TR-61-00/07，2000.

［4］潘川，俞萍，薛振奎，等.自保护药芯焊丝飞溅的形成机理及其影响因素［J］.焊接学报，2007(8):108-112.