● 摘要
随着新型飞机整体性能不断提高，新型飞机结构材料中钛合金、不锈钢及其焊接结构的应用比例越来越大。直流氩弧焊是国内钛合金、不锈钢常用的焊接工艺之一，但焊接接头中容易出现粗大组织、气孔等焊接缺陷。为此，本文开展了一种适用于钛合金、不锈钢焊接的全新TIG焊工艺——超音频直流脉冲TIG焊工艺的研究工作。超音频直流脉冲TIG焊技术的关键在于如何提高脉冲电流的变化率。本文提出一种能提高电流变化率的新型 IGBT拓扑电路，结合DSP数字控制技术、专用PWM控制芯片、功率模块驱动保护技术等，研制出一台超音频直流脉冲TIG焊电源，该电源工艺参数调节方便，基值电流、峰值电流均可达到250A，最大脉冲电流频率达到80kHz，脉冲电流的变化率达到 以上。针对钛合金与奥氏体不锈钢，进行了一系列焊接工艺试验。首先，检测了工艺参数调节对钛合金、奥氏体不锈钢焊缝宏观形貌影响，试验结果表明：在30kHz~80kHz的频率范围内，随着频率提高，TC1焊缝正/反面熔宽逐渐增大。在20kHz~30kHz的频率范围内，随着频率提高，奥氏体不锈钢焊缝熔深、熔宽逐渐增大。观察钛合金焊缝微观组织，X-射线探伤检测接头缺陷，检测接头拉伸力学性能及拉伸断口SEM照片，结果表明：在30kHz~80kHz范围内，随着频率提高，TC1、TA15、TC4焊缝中的α相或α′相逐渐被细化；TA15、TC4接头中气孔缺陷明显减少。在60kHz、80kHz 时，TC4钛合金焊缝晶粒细化，接头的屈服强度和断后延伸率明显提高。对奥氏体不锈钢焊缝微观组织、接头拉伸力学性能进行研究，结果表明：在20kHz~30kHz范围内，随着频率提高，焊缝粗晶区逐渐变窄，细小等轴晶所占区域逐渐扩大，接头抗拉强度和断后延伸率逐渐提高。通过焊缝维氏硬度检测、焊缝熔合区EDS能谱分析、拉伸断口形貌特征观察，发现：脉冲电流频率为30kHz时，能有效降低接头维氏硬度，焊缝熔合区附近的微量元素分布更均匀，焊缝晶粒细化效果明显。上述研究工作表明：超音频直流脉冲TIG焊技术是一种能够适用于钛合金、奥氏体不锈钢焊接的新型、优质、廉价的电弧焊工艺。超音频直流脉冲TIG焊工艺可以使焊缝晶粒细化、气孔缺陷减少，焊接质量得到提高。