钛合金机器人焊接中A-TIG的工艺研究

王　军,崔雪松，苑玉玲

(1.睿能热泵(沈阳)能源技术有限公司，沈阳 110041；2.沈阳理工大学，沈阳 110159)



钛合金机器人焊接中A-TIG的工艺研究

王军1,崔雪松2，苑玉玲1

(1.睿能热泵(沈阳)能源技术有限公司，沈阳 110041；2.沈阳理工大学，沈阳 110159)

摘要：利用机器人平台对活性剂氩弧焊(A-TIG)在钛合金焊接技术中的应用进行研究。通过正交实验测试CaF2、CrCl3、KF、MgCl2等四种材料在多组元复合活性剂中含量不同时对熔深的影响。实验表明：复合活性剂的使用有助于加深熔深；最佳配比CaF2、CrCl3、KF、MgCl2的含量分别为25%、15%、10%、50%；力学性能测试表明使用活性剂得到的焊接件性能优于传统方法。

关键词：机器人焊接；活性剂氩弧焊；复合活性剂；钛合金

钨极氩弧焊(TIG)[1]是在钛及钛合金的焊接中应用最广泛的工艺，特别是活性焊接法应用于传统TIG焊[2-3]以后，焊接接头性能和焊接结构寿命得到了改善，这种焊接方法通称为活性剂氩弧焊(A-TIG)。A-TIG是在焊前将很薄的一层表面活性剂涂于待焊焊道表面，然后进行正常TIG焊接，使得焊接熔深显著增加，大大提高焊接效率和焊接质量[4-5]。

机器人焊接也是提高焊接质量和生产率的有效办法。机器人焊接中，试件不需开坡口，6毫米以下直接焊透，焊后力学性能合格，由此减少了焊件坡口加工工序，降低生产成本，提高了焊接生产率。本研究将机器人焊接和A-TIG焊结合起来，在实现高效优质的钛及钛合金焊接的同时，消除手动焊接造成的人工误差，能更好的分析活性剂配比等焊接工艺对焊接质量的影响。

1实验方法

本研究采用SR10C六关节型机器人实现焊接，主要设备包括垂直六关节型机器人10kg Robot SR10C、控制柜、315A机器人焊接电源、焊枪、防撞装置、送丝机、变位机等，如图1所示。

图1　机器人焊接工作站示意图

试验过程如下：(1)磨电极：将钨极尖端磨成45°锥角；(2)测电弧长及钨极伸出长度；(3)调焊接速度、电流及保护气流量；(4)磨试样、划线、清洗：将试样表面用钢刷打磨干净，以刷开粘附其上的杂质；在试样长度方向上划中心线，作为焊接轨迹；用丙酮清洗试件表面，以除去残留的油污等，晾干待焊；(5)涂敷活性剂：焊前通过真空箱根据各活性剂的物理性质进行活性剂干燥，干燥后对其充分研磨，然后放入烧杯中，倒入酒精将其调成糊状，用扁平毛刷将其均匀的涂敷在焊缝表面，以遮盖原有金属光泽为宜，焊缝宽度约为15～20 mm，晾干待焊；(6)焊前准备妥当后，采用直流正接法进行活性焊试验；(7)焊接完毕后，关闭气阀及电源；(8)待试样冷却后，分别用布砂、240#、600#砂纸，将焊缝表面打磨光滑，然后用配好的酸进行腐蚀，待腐出焊缝熔合线，拍下焊缝截面形态，测量涂敷活性剂时焊缝熔深D和熔宽W。

1.1活性剂配比研究

用CaF2、CrCl3、KF、MgCl2四种材料作为多组元复合活性剂的组成成分。实验材料为6mm厚TA2板材，电流180A，焊接速度120mm/min，气体流量12L/min，钨极直径为3.2mm，钨极尖端角度为45°，弧长2.5mm。

为获得最佳配比的活性剂，设计了四因素三水平正交实验，具体配比见表1。根据正交表与各因素的水平配制活性剂，一共有九种配方，见表2所示。

表1　活性剂配比试验正交表　%

表2　活性剂配比试验表　%

1.2力学性能测试

根据压力容器焊接工艺评定标准JB/T4745-2002，对焊接后的钛合金板材(4mm TA2)焊接接头进行拉伸、面弯和背弯力学性能实验。对焊缝横截面进行显微镜观测以获得其金相形貌，并对焊缝处淬断面显微形貌进行扫描电镜观测。

2结果与讨论

2.1活性剂最佳配比的确定

添加不同组分的复合活性剂对熔深的影响结果如表3所示，可以发现，添加复合活性剂获得的熔深更深。

表3　复合活性剂实验结果　%

分析正交实验的结果，某组分固定配比时的三组结果取平均值，得到D(w)/D0，该平均值抵消了其它组分的影响，可以定性表征在该成分含量为w时对D/D0变化的贡献程度，如表3所示。按照实验结果，CaF2、CrCl3、KF的含量分别为25%、15%、10%时D(w)/D0最大，因此选取这一组分为复合活性剂的配比，此时MgCl2的含量确定为50%。表4～表6中的R为不同组分D(w)/D0的最大值与最小值之差，代表复合活性剂性能指标对该组分变化的敏感程度。从表4的结果可以看出，复合活性剂性能指标对KF组分变化较为敏感。

表4　复合活性剂中各组分(CaF2)对D/D0变化的贡献程度

表5　复合活性剂中各组分(CrCl3)对D/D0变化的贡献程度

表6　复合活性剂中各组分(KF)对D/D0变化的贡献程度

2.2力学性能

根据压力容器焊接工艺评定标准JB/T4745-2002，对焊接后的钛合金板材(4mm TA2)焊接接头进行拉伸、面弯和背弯力学性能实验。标准规定拉伸强度大于等于400MPa即为合格，采用A-TIG方法焊接得到的试样拉伸强度为450MPa，断裂在母材上；面弯和背弯试件在弯曲180°后均无裂纹。A-TIG焊后试件力学性能测试结果符合标准要求。

为进一步了解采用A-TIG方法得到的试样的结构信息，通过对截面抛光，再在显微镜下观察，得到焊接截面的金相形貌，如图2所示。发现采用A-TIG焊得到的焊缝晶粒更加细小，这可能是其拉伸强度得到提高的原因。对焊缝处进行淬断处理后，对其断面进行电镜观察(如图3)，可以发现，传统TIG焊焊接试样主要是韧窝断裂，主要断裂在基体金属，基材的塑性较好；而A-TIG焊试样断裂发生在熔合线附近，属于韧窝和混合模式断裂。

图2　焊缝截面形貌

图3　焊缝断面SEM形貌

3结论

(1)正交试验的结果表明，由CaF225%、CrCl315%、KF 10%、MgCl250%组成的复合活性剂能够提高钛合金焊接效率。

(2)采用A-TIG方法焊接得到的试样拉伸强度为450MPa,大于JB/T4745-2002标准规定的400MPa，A-TIG焊后试件力学性能测试结果符合标准要求。

参考文献：

[1]戚运莲,洪权，刘向，等.钛及钛合金的焊接技术[J].钛工业进展，2004，21(6)：25-29.

[2]袁玉兰，王惜宝，吴顺生，等.活性剂在焊接中的应用及展望[J].材料导报，2005,19(8)：66-68,75.

[3]J NIAGAJ.Use of A-TIG method for welding of titanium,nickel,their alloys and austenitic steels[J].Welding International,2006,20(7):516-520.

[4]杨春利，牛尾诚夫，田中学.TIG电弧活性化焊接现象和机理研究[J].焊接，2000(5)：15-18.

[5]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.

(责任编辑：赵丽琴)

Research on the Process of A-TIG in the Titanium Alloy Robot Welding

WANG Jun1,CUI Xuesong2,YUAN Yuling1

(1.SmarHeat Inc.(Shenyang) Heat Pump Limited company,Shenyang 110041，China；2.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The application of argon arc welding (A-TIG) of active agent in titanium alloy welding technology is studied by using robot platform.Through the orthogonal experiment of influence of material content CaF2,CrCl3,KF,MgCl2 on the penetration depth in a multi component compound active agent is tested.Experiments show that the use of the composite active agent can help deepen the penetration.The optimum ratio of CrCl3,KF,CaF2 and MgCl2 were 25%,15%,10%,50%,respectively.And the mechanical property tests showed that the performance of the welded parts using the active agent was better than that of the traditional method.

Key words：robot welding;active agent argon arc welding;composite active agent;titanium alloy

中图分类号：TG457.19

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)02-0104-04

作者简介：王军(1967—),男，高级工程师，研究方向：供热、制冷、空气调节、通风。

收稿日期：2015-04-29