钨极振荡TIG焊接TC4ELI钛合金的机理与性能研究

作者及发表信息

该研究由Zhenyu Liu（江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室）、Xuetian Ding（中国船舶科学研究中心）、Deyang Zhang（中国船舶科学研究中心）、Jun Wang（中国船舶科学研究中心）、Yong Zhao（江苏科技大学）、Feiyun Wang（江苏科技大学）和Juan Fu（江苏科技大学）共同完成，发表于Journal of Materials Science (2025)，卷60，页码23852–23869。

研究背景

TC4ELI钛合金因其高强度、良好的韧性和优异的耐腐蚀性，广泛应用于海洋工程、造船等领域。然而，传统非振荡自动TIG（钨极惰性气体保护焊）焊接过程中，电弧热量集中，易导致焊接变形大、残余应力高及粗大微观组织等问题。因此，本研究提出采用钨极振荡技术优化窄间隙焊接过程，通过机械装置驱动钨极周期性摆动，改善电弧作用轨迹和热输入分布，从而提升焊接接头性能。

研究流程

1. 实验材料与方法

• 材料：采用13.5 mm厚的TC4ELI钛合金板材，焊丝为φ1.2 mm的TC3焊丝。
  
• 焊接设备：德国EWM TIG焊机、三轴机械龙门架及松下水冷单元，焊接参数通过集成设备控制（电流150–180 A，焊速80–90 mm/min，钨极摆动频率10 r/min，振幅30°）。
  
• 高速摄像系统：德国Optronics公司CP80-3-M-540高速摄像机（帧率4000 fps），配合滤光片捕捉电弧形态及熔滴过渡行为。
  

2. 电弧与熔滴行为分析

• 非振荡电弧：呈“钟形”分布，热量集中于焊缝中心，熔滴过渡模式为大熔滴转移（large-droplet transfer），周期约140 ms。
  
• 振荡电弧：电弧被压缩为扁平“钟形”，摆动周期280 ms，推动熔池向侧壁流动。熔滴转移分为两阶段：中心区为大熔滴转移，侧壁区为短路过渡（short-circuit transfer）（周期20 ms）。伪彩色分析显示，振荡电弧的热分布更均匀，侧壁熔合显著改善。
  

3. 残余应力测试

采用盲孔法（blind hole method）测量残余应力。结果表明：
- 振荡焊接的纵向残余应力（拉应力）和横向残余应力（压应力）均低于非振荡焊接，等效Mises应力降低约12%。
- 原因：振荡电弧均匀化热输入，减少局部过热，降低温度梯度及约束应力。

4. 微观组织表征

• 非振荡焊缝：针状α′马氏体（acicular α′ martensite）分布不均，存在粗大α相和β相。
  
• 振荡焊缝：α′马氏体细化且分布均匀，β相转化更完全。热影响区（HAZ）晶粒尺寸减小，梯度更平缓。
  

5. 力学性能测试

• 显微硬度：振荡焊接接头硬度呈“M”形分布，整体高于非振荡焊接（尤其焊缝区）。
  
• 拉伸性能：振荡接头的抗拉强度从995.14 MPa提升至1022.99 MPa（+2.8%），断口分析显示韧性断裂特征（韧窝更多）。
  
• 冲击韧性：振荡接头的冲击功从59 J/cm²提升至73 J/cm²（+22%）。
  

研究结论

1. 电弧行为优化：振荡电弧促进窄间隙内均匀熔合，熔滴转移机制从单一的大熔滴转变为复合模式（中心大熔滴+侧壁短路过渡）。
   
2. 残余应力降低：热输入均匀化使等效Mises应力降低12%，减少焊接变形风险。
   
3. 组织细化：振荡电弧细化α′马氏体，消除微观缺陷，提升HAZ均匀性。
   
4. 力学性能协同提升：抗拉强度、冲击韧性和硬度均显著提高，实现“强度-韧性”平衡。
   

研究亮点

• 创新方法：首次将机械钨极振荡技术应用于TC4ELI钛合金窄间隙TIG焊接，提出电弧-熔滴-熔池耦合作用机理。
  
• 工程价值：为厚板钛合金焊接提供了低变形、高强度的工艺方案，适用于船舶与海洋工程领域。
  
• 多尺度验证：结合高速摄像、残余应力测试、显微组织与力学性能分析，全面阐明了振荡焊接的优化机制。
  

其他价值

• 研究得到国家船舶结构安全重点实验室和江苏省自然科学基金（BK20241010）支持，数据可向通讯作者索取。
  
• 参考文献中引用了磁控TIG焊接（magnetically controlled TIG welding）和激光振荡焊接（laser oscillation welding）等对比研究，凸显了本研究的工艺独特性。
  

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程及核心发现，符合学术报告要求。）