薄壁构件自动TIG焊接参数的应用研究

王平

摘 要 钛合金由于其具有较高的强度和良好的焊接性能等特点，其应用的范围不断扩大，特别是在航空产品的生产制造过程中，钛合金在飞机产品材料比例逐步增加，针对钛合金材料的焊接特性研究对飞机产品实现有非常重要的意义。本文采用自动TIG焊设备进行薄壁TC1钛合金的焊接试验，基于方差的试验分析研究，得到了熔宽与焊接电流、焊接速度和气体流量之间的多元线性回归方程，这些科学问题的研究对于了解薄壁TC1材料的自动TIG焊接具有重要的工程意义。

关键词 TIG焊接;TC1钛合金;薄壁构件

引言

在飞机的设计与生产环节，焊接技术已经成为其关键核心技术，通过焊接的方式一方面可以减轻飞机零件的重量，另一方面可以为零件结构设计中新的设计思路提供技术支持，并促进飞机性能的提升。本文采用钛合金材料，厚度0.8mm薄壁板材进行自动TIG焊接工艺研究，分析出不同焊接参数对焊接质量的影响程度，基于方差试验的分析和研究，得到了焊接熔宽与焊接电流、焊接速度和气体流量之间的多元线性回归方程[1]。

1焊接工艺参数选择

TIG焊的参数包括：焊接功率的类型和极性，钨的直径，焊接电流，电弧电压，氩气流量，焊接速度，喷嘴直径，喷嘴与焊接部分之间的距离以及焊接长度。这些参数必须具有合理的设置才能获得令人满意的焊接质量。

焊接电流的类型与大小通常取决于基于工件材料的电流选择的类型。主要根据材料、厚度、接头形式、焊接位置，有时选择还需考虑焊工技术水平（钨氩弧）。焊接过程中焊点之间应存在一定的重叠率，这样才能够获得连续并且排列密集的焊缝[2]。

焊接速度应与氩气流量相配合，当着焊接速度的增加，氩气流量也应相应的增加，否则会因为焊接速度过快，来不及在熔池附近形成惰性气体保护层，空气中的其他元素会对焊接质量产生破坏。同时，焊接速度对焊缝成形也有显著影响。因此，选择合适的焊接速度是非常重要的。

2正交试验方案

通过对0.8mm薄壁TC1鈦合金试片的自动TIG焊接工艺试验，利用正交试验摸索出影响焊接质量的关键参数，对焊缝内部质量及焊接变形进行分析，设计合适的焊接气体保护装置，正交试验设计。

2.1 不同工艺参数对熔宽的影响

对于薄壁构件的焊接来说，熔宽是一个重要的指标。熔宽的尺寸决定了薄壁构件的尺寸大小，并且熔宽的尺寸对于焊接变形尺寸有一定的影响。所以非常有必要研究不同焊接工艺参数对熔宽的影响规律。

在实验过程中，通过对实验序列号的随机排列来保证正交实验的准确性，且整个焊接试验安排在专用的焊接间，这样能够保证试验环境的一致性。在对试验板材经过切割、打磨后，利用显微镜进行观察，并对试片的熔宽尺寸进行了标定。试验得出16组的正方面熔宽值结果。

从实验结结果分析，通过观察焊缝表面质量及焊接变形情况，确定了0.8mm薄壁TC1钛合金焊接工艺规范参数：焊接电流：45A-50A;焊接速度：500mm/min;焊枪保护气体流量：10L/min-15L/min，电弧电压：9V。

2.2 正交试验结果的方差分析

由于试验的目的是为了明确各列对试验指标影响是否显著，在哪一个水平上是显著的，因此对正交试验结果进行方差分析。

表2分别给出了焊缝正面熔宽方差分析结果和焊缝背面熔宽方差分析结果。表2中F值大小反映了各个因素对正面熔宽影响的显著性。如果某个因素的F值越大，则该因素对熔宽的影响越大。

因此从表中可以看出，B因素的F值最大，其次是 A因素，C 因素的F值最小，这表示焊接速度是影响熔宽大小的最重要的因素，可以通过调节焊接速度大小来实现熔宽的快速改变。在三种工艺参数中气流流量对熔宽的影响最小，即在一定范围内气流的变化不会引起熔宽的显著变化，即在焊接成型的过程中实时地对气体流量进行调节不会对熔宽造成显著的影响，这一结论对后续试验具有重要的意义。

而之所以焊接速度对熔宽影响最为显著，这是因为随着焊接速度的增加，焊接线能量降低，所以会导致焊缝熔宽变小。当焊接速度高于600mm/min时，背面熔宽明显减小。焊速过低，焊接线能量会很大，从而形成飞溅;当焊速增加，虽可以减少飞溅，但焊缝重叠率也会减小，影响焊接接头性能。因此，选择合适的焊接速度，有利于获得优良的焊接接头，同时提高焊接效率。

（1）线性回归模型的建立

在完成试验后，利用Design Expert 软件对试验数据进行了基于方差分析的研究，来确定试验结果的准确性。同时利用软件将试验的数据进行了多元线性回归拟合，得到了两个三元线性回归方程，

即：正面熔宽=4.3599375+0.9415875*A-1.7285625*B+0.1105125*C

背面熔宽=3.6176875+1.1229375*A-1.9180125*B+0.1151625*C

A为焊接电流，单位为A：B为焊接速度，单位为MM/min：C为气体流量L/min。 通过预测值与实验值的比较，可以对拟合的精度进行一定程度的评估。从拟合结果看出线性回归模型较为显著，可信度较高。

3结束语

在薄壁TC1钛合金材料的自动TIG焊接过程中得出以下结论：通过正交试验对焊接参数与熔宽的影响可以得出随着焊接速度增大或电流的减少，焊缝熔宽会减小。反之则会因为焊接线能量的增大而导致焊缝宽度增大。在保证焊透的前提下，选择适当的焊接电流、焊接速度，有助于获得成形良好的焊缝。利用 Design Expert 软件对试验数据进行了基于方差分析的研究，得到了熔宽与焊接电流、焊接速度、气体流量之间的多元线性回归方程，对后续焊接工程应用起到指导的意义。

参考文献

[1] 凌堃.焊接热输入对钛材焊接接头性能的影响[J].焊接技术， 2011（4）：29-31.

[2] 杨文甲.薄壁焊接钛管工艺及性能[J].中国有色金属学报， 1994（4）：91-94.