鈦及鈦合金作為一種新型輕合金材料具有比強度高、無(wú)磁、耐腐蝕等優(yōu)異特性，得到廣泛的應用。近些年來(lái)，鈦合金以其高強抗蝕的特點(diǎn)在能源、化工、艦船領(lǐng)域的優(yōu)勢愈加明顯，而且鈦合金在上述領(lǐng)域的應用尤以20 mm以上的厚板材料居多，這樣便對鈦合金的焊接加工提出了更高的要求，對于厚板鈦合金焊接方面的研究也顯得較為迫切。

　　焊接鈦合金時(shí)要采取嚴格的保護措施。鈦合金屬于活潑金屬，300℃以上吸氫，600℃以上吸氧，700℃以上吸氮，這些氣體都會(huì )導致焊接接頭的脆化。同時(shí)，厚板材料在焊接過(guò)程中不可避免的會(huì )產(chǎn)生很大的應力和變形。

　　因此提出采用窄間隙TIG方法焊接厚板鈦合金，TIG焊尤其適合有色金屬的焊接，焊接過(guò)程中噴出的氬氣可以對焊縫區域產(chǎn)生持續的保護，而且采用能夠減小焊接應力和變形的窄間隙坡口，減小熔敷金屬量，提高焊接接頭質(zhì)量。

　　對鈦合金窄間隙TIG焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的研究，可以確定對鈦合金的保護程度以及進(jìn)一步完善焊接工藝，加深對焊接過(guò)程的理解，以及建立焊接過(guò)程中溫度變化與組織轉變間的關(guān)聯(lián)。雖然現在有限元分析方法取得了一些成果，但是仍然需要足尺模型和實(shí)際的焊接過(guò)程，對焊接過(guò)程進(jìn)行指導。

　　1 試驗材料及方法

　　試驗中使用的鈦合金TC4（Al 6.06%，V 3.92%，Fe 0.3%，C 0.013%，O 0.15%，Ti余量），試板厚度52 mm。在試板上開(kāi)U形窄間隙坡口，坡口尺寸如圖1所示。采用TIG焊方法，填絲多層焊方式，焊接厚板鈦合金，試驗中所用焊絲Ti-4Al-3V（Al 4.5%，V 1.8%，Fe 0.2%，C 0.01%，O 0.08%，Ti余量）。焊接參數：焊接電流240A，焊接平均速度65cm/min，單層熔敷金屬厚度3 mm。

　　為了測定焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)，在焊接開(kāi)始前，將熱電偶按照的位置，用儲能點(diǎn)焊的方式焊接在鈦合金試板的背側。將熱電偶連接到溫度采集器，接通計算機。焊接開(kāi)始后，以每一焊接層為一個(gè)周期，對焊接溫度進(jìn)行采集，并利用計算機繪制成溫度和時(shí)間的關(guān)系。

　　鈦合金焊接過(guò)程中需要嚴格的保護，本次試驗中，試板的正面，使用通有氬氣的拖罩跟隨焊槍?zhuān)Ｗo焊縫高溫區。同時(shí)在試板的背面同樣通氬氣，保護焊縫背側高溫區。

　　2 試驗結果及分析

　　將最接近焊縫中心熱電偶命名為熱電偶1，由中心向外依次為熱電偶2、3、4，對每層焊道的焊接過(guò)程進(jìn)行溫度測量，計算機繪制溫度變化曲線(xiàn)。

　　為焊接第2層時(shí)的焊接參數、熱電偶位置及測得的溫度場(chǎng)曲線(xiàn)。隨著(zhù)焊接過(guò)程的進(jìn)行，試板背側的溫度快速上升，隨后以相對小的速率下降。因為填充金屬厚度較小，電弧熱量集中，熱電偶1測得的峰值溫度超過(guò)了1000℃，所有熱電偶測得溫升速度都很快，最高達到了約62℃/s，而降溫速度達到12℃/s。

　　焊接第8層時(shí)焊接參數、焊接位置及測溫曲線(xiàn)，溫度曲線(xiàn)上升和下降的速率較焊接第2層時(shí)明顯下降，最快的升溫和降溫速度約為2.7℃/s和0.2℃/s。熱電偶1測得的最高峰值溫度也因為焊接填充金屬厚度的增加下降為350℃，同時(shí)可以看見(jiàn)4個(gè)熱電偶測得曲線(xiàn)間的溫差逐漸縮小。

　　焊接第14層時(shí)測得的溫度場(chǎng)，升溫和降溫速度更為緩和，最大溫升速率0.2℃/s。各熱電偶測得溫度曲線(xiàn)間差距進(jìn)一步減小，熱電偶1測得峰值溫度已經(jīng)下降為160℃。

　　距離焊縫不同位置的熱電偶測得的溫度變化曲線(xiàn)符合焊接熱過(guò)程的變化規律，即焊接過(guò)程中，溫度快速升高，達到峰值溫度后，緩慢下降，溫度變化率逐漸減小。而且最靠近焊縫的熱電偶1峰值溫度最高，隨著(zhù)焊接層數的增多，各熱電偶測得的溫度間差異逐漸變小，這與熱量在工件中傳導有關(guān)，焊接層數越多，熱量傳遞到熱電偶位置時(shí)越趨于均勻，溫差越小。

　　將熱電偶1在第2、5、10、13層測得的溫度曲線(xiàn)繪制在一張圖中，對比發(fā)現隨著(zhù)焊接層數的增加，溫度的變化趨于緩和，即升溫和降溫的速度在減小，這與熱量的輸入和散熱條件有關(guān)；同時(shí)可以看出，焊接峰值溫度出現的時(shí)間隨焊接層數增加向右移動(dòng)，這與熱量傳遞需要時(shí)間有關(guān)，而且鈦合金導熱性差，這種熱量傳遞時(shí)間的差異尤為顯著(zhù)；觀(guān)察第10層和第13層的溫度曲線(xiàn)，看到在曲線(xiàn)達到峰值溫度的之前溫升速率逐漸減小，這說(shuō)明了此時(shí)的峰值溫度是在電弧掃過(guò)熱電偶所在截面后很長(cháng)時(shí)間才出現的，即依靠熱量長(cháng)時(shí)間擴散積聚而達到的峰值溫度，這也更說(shuō)明了鈦合金的導熱性差。

　　同時(shí)根據鈦合金焊接時(shí)保護的原則，當金屬溫度在200℃以上時(shí)都需要進(jìn)行保護。通過(guò)上述溫度場(chǎng)的分析，發(fā)現隨著(zhù)焊接層數的增加，焊縫背側的溫度逐漸減小。熱電偶1的位置最接近焊縫中心，測得的曲線(xiàn)反應的是焊縫的最高溫度。熱電偶1在焊接到第10層時(shí)，峰值溫度已經(jīng)降至200℃以下，此時(shí)填充金屬的厚度達到37 mm，即在鈦合金的焊接中當接觸空氣的金屬表面距集中熱源距離達到37 mm時(shí)，可以不附加焊縫背面的保護措施。

　　3 結論

　　1）通過(guò)對52 mm厚單邊U形窄間隙坡口鈦合金試板焊接，測得厚板窄間隙TIG焊接條件下溫度場(chǎng)。隨著(zhù)焊縫厚度的增加，溫度場(chǎng)升溫和降溫速率逐漸減小，溫度場(chǎng)峰值溫度的出現時(shí)間因為鈦合金導熱性差的特點(diǎn)表現得尤為顯著(zhù)。

　　2）溫度場(chǎng)測定試驗確定了厚板鈦合金窄間隙TIG多層焊接過(guò)程中，當填充金屬厚度達到37 mm厚時(shí)，可以撤去鈦合金試板背側保護措施。