TA1丝网脉冲微束等离子弧焊工艺

2022-10-18武琪昌何建萍

理化检验(物理分册) 2022年9期

武琪昌, 何建萍, 王龙, 马元

(上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620)

金属丝网具有良好的通透性，在石油化工、纺织印刷等领域用于过滤和分离过程[1-3]。此外，因其质量轻、稳定性高，所以常被用于月球车车轮的设计[4-5]。TA1工业纯钛具有比强度高、密度小、抗腐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天领域[6]。由此可见，TA1丝网制品有着推动航空航天发展的潜力。

通常情况下，丝网的焊接是在不同的热输入下进行的，在有丝位置(需要焊接)和无丝位置(不需要焊接)交替进行。因此，传统焊接金属丝网的方法是在不连续分布的金属丝上进行逐个点焊,其中自动焊接丝网采用的是电阻点焊，具有焊接效率低，接头强度低等缺点。为了解决不连续点焊金属丝网存在的问题，可以选择一种连续焊接的方法来代替点焊，如激光焊、电子束焊和等离子弧焊。丁黎光等[7]采用激光焊接了用于汽油机排气管的直径为0.02 mm的金属丝网，取得了较好的焊接效果。曹建玲等[8]以电子束焊的方式研究了航天用滤网材料的焊接，发现当加速电压为40 kV，聚焦电流为1.92 A，焊接速率为200 mm/min，电子束电流为4 mA时，滤网焊件的形貌最佳，焊件质量较为可靠。采用激光焊和电子束焊的方式虽然可以提高焊接质量和生产效率，但相应设备价格昂贵，加工成本高，一般只用于特殊要求的工件(如航空航天、医疗器械等)加工，不适合大规模生产使用，因此，在一般的工业应用中，需要采用一种既能保证高效率又兼顾低成本的焊接方法。微束等离子弧焊(MPAW)是一种焊接电流小于30 A的等离子弧焊技术。微束等离子弧焊中的电弧受到高度约束，因此在低焊接电流下，其稳定性也很高，且微束等离子弧焊具有焊接质量好、成本低的优点。

采用微束等离子弧焊对丝网进行焊接的过程中，能量高度集中的电弧以及TA1丝网自身的传热特性是影响焊接效果的主要因素，为此，笔者主要从热输入变化入手，以脉冲电流为变量，研究了TA1丝网脉冲微束等离子弧焊工艺，将不同焊接参数下焊接接头的宏观形貌、显微组织和力学性能进行对比分析，为材料工程应用提供了理论依据。

1 试验材料与方法

将目数为25×25目，直径为0.25 mm，丝与丝的间隙距离为1 mm的TA1工业纯钛丝网，采用脉冲微束等离子弧焊的方式进行焊接试验，焊前用酒精除去试样表面油污。因为丝网裁剪后存在上翘毛边(经线边缘上翘)和下凹毛边(经线边缘下凹)，所以将两块尺寸为70 mm×20 mm(长×宽)的试样采用对齐(上翘毛边对上翘毛边、下凹毛边对下凹毛边)、错位、插入、紧贴的对接方式进行组装(见图1)，插入距离DS为0.6 mm。试验采用Plasmafix51型焊机作为焊接电源。焊接过程中离子气和保护气均采用工业纯氩气，其中离子气流量为0.5 L/min，保护气流量为3.5 L/min。试验中采用直径为2 mm的圆锥形尖端铈钨极，且钨极尖端内缩于孔径为2 mm的压缩紫铜喷嘴内2 mm。焊接时焊枪经传动装置在试样正上方平行水平移动，焊枪头部距试样表面高度为2 mm。

图1 丝网焊接接头的装配示意

在微束等离子弧焊中，脉冲频率fz与丝网两条相邻平行丝线之间的距离Lp和焊接速率Vw的关系如式(1)～(3)所示。当一个脉冲要经过多对焊接接头时有

(1)

当一个脉冲要经过一对接头时有

fz=Vw/Lp

(2)

当多个脉冲要经过一对接头时有

fz>Vw/Lp

(3)

采用多个脉冲经过一对接头的匹配模式，在峰值电流(Ip)与基值电流(Ib)以极高频率的交替作用下，焊点会经历快速加热与快速冷却的过程(见图2)。

图2 高频脉冲作用丝网焊点的示意

试验采用的焊接参数如表1所示，每组参数重复焊接3个试样。

表1 试验采用的焊接参数

丝网的特殊结构导致完整的焊点通常不会处于同一高度，所以焊后抽取单根丝，将其修剪、冷镶嵌、打磨和抛光后，使用2%(体积分数，下同)氢氟酸+3%硝酸+95%水溶液对其侵蚀100 s，并在VHX-600K型显微镜下观察焊点的显微组织。使用DHV-1000型数字式维氏显微硬度计对焊点进行显微硬度测试，施加载荷为0.98 N，作用时间为15 s。拉伸试验采用IBTC-300型原位双向拉压疲劳试验机进行，同样采用单根丝来进行测试。最后采用扫描电镜(SEM)观察试样的拉伸断口形貌。

2 试验结果与分析

2.1 宏观观察

从焊接接头处取样，选择形貌接近且连续的8个焊点进行宏观观察。不同焊接参数下焊点的宏观形貌如图3所示。由图3可知：当Ib=0.6 A，Ip=0.74 A时，焊点形貌主要以椭球状为主，存在部分接近圆球状的焊点，因为Ip与Ib相距较小，故Ib起到的冷却作用比较有限，金属熔化过程持续较久，使焊点的长轴扩展更顺利；当Ib=0.5 A，Ip=0.78 A时，焊点形貌以圆球状为主，此时Ip的加热作用与Ib的冷却作用开始明显，Ib的冷却作用抑制了金属熔化，使焊点的长轴扩展被削弱；当Ib=0.4 A，Ip=0.83 A时，焊点形貌并没有彻底呈圆球状，其原因可能是Ip与Ib相差过大，虽然Ib可以起到冷却的作用，但冷却的作用有限，焊点存在部分烧穿的情况，这可能与丝网的不平整性和TA1材料刚性差有关。TA1材料刚性差，容易在装配时发生变形，使装配时紧贴不完全，接头间存在缝隙，因此金属熔化时未能实现有效连接，最终导致焊点产生一侧的毛边烧断，一侧的毛边结球的情况。

图3 不同焊接参数下焊点的宏观形貌

2.2 金相检验

2.2.1 母材

TA1丝网母材的显微组织如图4所示，可见母材由单一的等轴α相构成。

图4 TA1丝网母材的显微组织

2.2.2 焊缝中心和热影响区

不同焊接参数下焊点焊缝中心和热影响区的显微组织如图5所示。由图5a)～5c)可知：当Ib=0.6 A，Ip=0.74 A时，焊缝中心的晶粒呈网篮状分布，产生这一情况的原因主要是丝的直径较小，冷却速率快，使得形核位置及晶核数量增多，进而引起原始晶界发生破碎，α相与α+β晶粒呈针状交错分布；当Ib=0.5 A，Ip=0.78 A时，焊缝中心的晶粒呈网篮状分布，并且伴随着晶粒的部分长大；当Ib=0.4 A，Ip=0.83 A时，焊缝中心的α相有针状和片状两种形式，一般是因丝网在具有较高β相的温度区间加热，并以中等的冷却速率冷却而形成的，此时的晶粒可以看到明显变得粗大，此外，在图5a),5c)中可见焊缝区存在明显的气孔，产生这一现象的原因可能与保护气流量和装配有关，保护气流量不够时容易混入空气，从而产生气孔，若装配时紧贴不严，也容易在金属熔化过程中混入气体，从而产生气孔。

由图5d)～5f)可知：焊点热影响区的晶粒明显更加粗大，以片状α相为主，晶界交错重叠。

图5 不同焊接参数下焊缝中心和热影响区的显微组织

2.3 力学性能测试

2.3.1 显微硬度测试

不同焊接参数下焊点的显微硬度测试结果如图6所示。由图6可知：不同焊接参数下，焊点硬度最高的部位均为焊缝区，硬度最低的部位均为热影响区靠近母材一侧，母材区硬度均约为150 HV。当Ib=0.6 A，Ip=0.74 A时，焊点热影响区的最低硬度为134.6 HV；当Ib=0.5 A，Ip=0.78 A时，焊点热影响区的最低硬度为128.7 HV；当Ib=0.4 A，Ip=0.83 A时，焊点热影响区的最低硬度为128.9 HV。焊点热影响区有着明显粗大的晶粒，所以其硬度比母材区低。从热影响区到焊缝区焊点的硬度逐渐增大，因为在焊接过程中，焊缝区发生了α相向β相的同素异形转变，在焊接接头快速加热和快速冷却的过程中，β相向α相转化，产生了针状α相，针状α相的形成可以提高焊缝区的显微硬度[9]，所以焊缝区硬度最高。当Ib=0.5 A，Ip=0.78 A时焊点焊缝区的显微硬度达到了312.1 HV；当Ib=0.4 A，Ip=0.83 A时，热输入过大，Ib的冷却作用有限，使得焊缝区晶粒粗大，从而导致此时焊点的显微硬度较低。

图6 不同焊接参数下焊点的显微硬度测试结果

2.3.2 拉伸性能测试

焊接接头的拉伸性能测试均采用单根丝来完成。母材和不同焊接参数下,焊接接头的拉伸性能测试结果如表2所示。由表2可知：相较于母材来说，焊缝区与热影响区的抗拉强度更高，因为母材由等轴α相组成，焊缝区主要由片状和针状α相组成，焊接热影响区存在部分片状α相，片状显微组织有利于提高丝网的抗拉强度；此外，不同焊接参数下焊接接头的抗拉强度均能达到母材的90%，故采用脉冲微束等离子弧焊可以得到接头质量较好的丝网焊件。

表2 母材和不同焊接参数下焊接接头的拉伸性能测试结果

2.3.3 SEM分析

不同焊接参数下焊接接头拉伸断口的SEM形貌如图7所示。由图7可知：当Ib=0.6 A，Ip=0.74 A时，断口处出现部分蛇形滑移现象，当韧窝表面与主应力方向垂直时，较大的应力会导致韧窝的自由表面产生新的滑移，初生的滑移痕迹很尖锐，继续滑移使之平滑发展为蛇形花样，进而成为涟波、无特征区[10]；当Ib=0.5 A，Ip=0.78 A时，韧窝的大小和分布都比较均匀，此时焊接接头的力学性能较好；当Ib=0.4 A，Ip=0.83 A时，多个不同高度的解理面相交形成了解离台阶，表明存在部分解理断裂的情况，此时接头拉伸断裂属于混合断裂。