发布日期：2026-2-5 22:58:31
TC4钛合金是典型的α+β型双相钛合金，在航 空工业中常用于重要部位的结构件[1-2] 。焊接是钛合 金结构件制造过程中不可避免的加工手段，目前 TC4钛合金的常用焊接方法主要有TIG焊、电子束 焊、微束等离子弧焊和激光焊等焊接方法[3-4] 。范霁 康等[5] 利用电子束完成了1.2mm厚TC4薄板焊接， 得到了无熔合缺陷的焊缝，焊接接头拉伸强度比母 材高。关锋等[6] 使用激光焊实现1mm厚TC4薄板焊 接，得到了成形均匀且质量良好的焊缝。相较于其 他高能束焊接方法，微束等离子弧焊具有电弧稳定 性好、焊接变形小等优点[7] ，常用于焊接超薄金属构 件。何建萍等[8]研究发现，脉冲微束等离子弧焊（pulsedmico-plasmaarcwelding，P-MPAW）因其平均 热输入低、熔池搅拌作用好、焊接裂纹倾向小等特点 更有利于超薄板焊接。
目前TC4钛合金薄板、中厚板以及管材的焊接 应用与焊接数值模拟均有不少研究报道，但在板厚 小于200μm的TC4超薄板焊接领域，却鲜有人研 究。因此本文运用P-MPAW技术研究100μm厚钛 合金超薄板的焊接工艺，探索基值电流和脉冲频率 对焊缝成形的影响。在此基础上，使用有限元分析软 件模拟不同脉冲参数下的焊接过程，对比不同基值 电流和频率情况下的试验焊缝成形和模拟焊缝成 形，揭示100μm厚钛合金超薄板脉冲微束等离子 弧焊焊接机理。
1、试验材料与方法
1.1试验材料
所用材料为 TC4(Ti-6Al-4V)钛合金,其主要化学成分见表 1,热物理参数见表 2。选取试样尺寸为 100 mm50mm0.1mm的 TC4钛合金超薄板为研究对象。
表 1 TC4钛合金的主要化学成分(质量分数,%)
Tab. 1 Main chemical composition of TC4 titanium alloy(wt%)
| Al | V | C | H | Fe | O | N | Ti |
| 6.75 | 4.5 | ≤0.08 | ≤0.015 | ≤0.30 | ≤0.20 | ≤0.05 | 余量 |
表 2 TC4钛合金的热物理参数
Tab. 2 Thermophysical parameters of TC4 titanium alloy
| 熔化 温度/K | 蒸发 温度/K | 密度 / (kg ⋅ m −3) | 热导率 / (W ⋅ m −1 ⋅ K −1) | 熔化潜热 / (J ⋅ kg −1) |
| 1878 | 3591 | 4500 | 5.8 | 390000 |
1.2焊接方法
本试验用脉冲微束等离子弧焊,所用焊机为PLASMAFIX51焊机,焊接示意图如图 1所示。焊接超薄板时采用对接的焊接接头形式,工件装配参数:压板边缘距对接线1mm。焊接时无焊丝填充，固定焊接参数:钨棒直径1.0mm、喷嘴孔径1.2mm、钨棒内缩量 2.0mm、离子气体和保护气体均采用高纯氩气,流量分别为 0.35和 2.5 L/min、焊枪高度 1.5 mm、焊接速度 4.5mm/s。
在保持平均电流恒定为 2A的情况下,本文设置了 24组脉冲参数,脉冲微束等离子弧焊焊接参数见表 3。脉冲电流的平均值计算 [8]:
式中: I为平均电流; I p 为峰值电流; I b 为基值电流; t p 为峰值持续时间; t b 为基值电流作用时间; t为脉冲周期。
表 3脉冲微束等离子弧焊焊接参数
Tab. 3 Welding parameters of pulsed microbeam plasma arc welding
| 占空比(%) | 频率/Hz | 基值电流/A | 峰值电流/A |
| 30 | 25、100、200 | 0.8 | 4.8 |
| 1.1 | 4.1 | ||
| 1.4 | 3.4 | ||
| 1.7 | 2.7 | ||
| 50 | 25、100、200 | 0.8 | 3.2 |
| 1.1 | 2.9 | ||
| 1.4 | 2.6 | ||
| 1.7 | 2.3 |
1.3表征方法
焊接完成后,在光学显微镜和激光共聚焦扫描显微镜下观察焊缝形貌,然后剪刀切取试样,并用冷镶嵌制作金相试样,金相试样尺寸为 12mm5mm。采用 600 # ∼ 2000 #的砂纸对金相试样进行打磨,分别用 2.5μm和 1.5μm抛光膏对金相试样进行抛光。使用 Keller试剂对金相试样进行腐蚀,冲洗后吹干,然后在光学显微镜 VHX-5000下观察焊接接头组织形貌。
1.4有限元分析方法
利用 ANSYSFLUENT软件建模模拟焊接过程,热源为高斯热源 [9],边界条件设为自然对流。图 2为同种材料超薄板焊接简化几何模型与模型网格划分。100μm厚TC4超薄板P-MPAW焊接时，如图1所示的板材外部有工装夹具，如果按照实际焊接条件建模将增加数值计算时间和影响结果的准确性,因此将三维几何模型简化(图2(a)),简化后的超薄板尺寸为50mmx10mmx0.1mm。模型网格划分使用六面体网格划分法(图2(b)),采取焊缝中心附近2mm内网格密集,板厚方向与焊接方向网格大小均为0.1 mm,远离焊缝中心区域网格大小均匀递增的原则，最远端网格大小为0.8mm,总网格数量为17500。
2、试验结果及讨论
2.1宏观焊缝成形特征
100μm厚TC4钛合金超薄板P-MPAW在占空比30%、基值电流0.8A时,不同脉冲频率的焊缝成形特征如图3所示。结果表明，P-MPAW实现了不同脉冲参数下100μm厚TC4钛合金超薄板的单面焊双面成形工艺，而且焊缝成形一致性良好。当脉冲频率为25Hz时，焊缝呈现为鱼鳞状，且均匀连续未出现气孔、裂纹等焊接缺陷;当脉冲频率分别为100、200Hz时，焊缝均呈现为光滑连续焊缝。当脉冲频率增大时在微束等离子弧的高频压缩特性的作用下,使得焊缝变窄,因此脉冲频率为200Hz时焊缝正面与背面宽度相较于脉冲频率为25、100Hz时的更窄，焊缝截面宽度也更小。
2.2脉冲参数对焊缝成形的影响
图4为占空比30%时不同脉冲参数的焊缝成形尺寸。结果表明，在平均电流固定为2A、占空比30%时，不同脉冲参数下，焊缝正面宽度大于焊缝背面宽度,焊缝成形系数趋近,焊缝成形稳定;随着基值电流的增大，焊缝宽度逐步变小，但变化趋势有所减小;随着脉冲频率的增大，焊缝宽度逐步变小。其原因是当平均电流、占空比和基值电流保持不变的情况下，当脉冲频率增大时，在微束离子弧焊的高频压缩特性作用下，等离子束变细从而使得焊缝宽度变窄。
图5为占空比50%时不同脉冲参数的焊缝成形尺寸。结果表明，在平均电流固定不变为2A、占空比50%时，不同脉冲参数下，焊缝正面宽度大于焊缝背面宽度,焊缝成形系数趋近,焊缝成形稳定;随着基值电流的增大，焊缝宽度逐步变小;随着脉冲频率的增大，焊缝宽度逐步变小。在平均电流相同、占空比不变的情况下，占空比为30%时的焊缝宽度大于占空比为50%时的焊缝宽度，其原因是当平均电流、占空比、基值电流、脉冲频率不变的情况下，占空比30%时的峰值电流大于占空比50%时的峰值电流，峰值电流越大，电弧能量集中，电弧力越大，熔深和熔宽增加，因此焊缝宽度增大。
2.3焊接温度场分析
图6为占空比30%时不同脉冲参数的模拟焊接温度场。图6(a)~(c)分别为占空比30%、基值电流0.8A不变时，脉冲频率分别为25、100、200Hz时的模拟焊接温度场,图6(a)、(d)、(g)、(j)分别为占空比30%、脉冲频率25Hz不变时，基值电流对应为0.8、1.1、1.4和1.7A时的模拟焊接温度场。结果表明,当占空比和基值电流保持不变的情况下,随着脉冲频率的增大，高于TC4钛合金熔点(1878K)的温度场面积有所减小;当占空比和脉冲频率保持不变的情况下，随着基值电流的增大，高于TC4钛合金熔点的温度场面积亦有所减小。在模拟整个焊接过程中发现，焊接温度场从稳态到非稳态再过渡到稳态,模拟焊接温度场热源附近温度最高,远离热源,温度逐渐降低，热源正前方等温线密集。说明该区域温度梯度较大，热源后方形成有彗尾状温度场，温度梯度较小,因此等温线较为分散。
2.4试验与模拟结果对比分析
图7为占空比30%、基值电流0.8A时的不同脉冲频率试验与模拟结果对比。。其中图7(a)、(c)、(e)分别为脉冲频率为25、100、200Hz时数值模拟焊接熔池流场;图7(b)、(d)、(f)分别为脉冲频率为25、100、200Hz时，共聚焦显微镜观察到的焊缝形貌。结果表明,熔池流场整体呈椭圆形,在基值电流和脉冲电流的交替作用下，对熔池形成了一定搅拌作用,使焊缝液态金属顺时针流动。其中,热源中心位置流速最大，结合温度场分析，熔池前方温度梯度大，金属未熔化，熔池较窄，液态金属流动受阻使得流速较大。熔池后方温度梯度小，液态金属处于冷却凝固过程,熔池较宽,液态金属堆积导致流速较慢,因此流场整体呈椭圆形。对比图7(a)、(c)、(e)可以明显看出,模拟熔池轮廓与试验所得到的焊缝形貌基本吻合。随着脉冲频率的增大，模拟熔池流场范围变小，焊缝宽度也随之减小，与工艺试验结果一致。随着脉冲频率的增大，液体金属流速变小，逐渐趋于平稳,有利于焊缝成形,焊缝从鱼鳞焊缝逐渐过渡至连续焊缝。
图8为占空比30%、脉冲频率25Hz时的不同基值电流试验与模拟结果对比。图8(a)、(c)、(e)分别为基值电流1.1、1.4、1.7A时数值模拟焊接熔池流场;图8(b)、(d)、(f)分别为基值电流1.1、1.4、1.7A时，共聚焦显微镜观察到的焊缝形貌。对比图8(b)、(d)、(f)可以明显看出，模拟熔池轮廓与试验所得到的焊缝形貌基本吻合，随着基值电流的增大，模拟熔池流场范围变小，焊缝宽度也随之减小，与工艺试验结果一致。随着基值电流的增大，峰值电流与基值电流差值变小，液体金属流速变小，逐渐趋于平稳。
2.5焊接接头热循环与显微组织
占空比30%、基值电流0.8A、脉冲频率分别为25Hz时,焊接接头焊接热循环曲线与显微组织如图9所示。其中，图9(h)为典型的100μm厚TC4钛合金超薄板P-MPAW的焊接接头显微组织。由图9(d)可见,TC4钛合金为等轴的α相和β相双相钛合金。由图9(g)可见,焊缝区的微观组织主要表现为网篮组织，这是由于焊接过程中在脉冲电流的作用下，焊缝金属迅速达到相变温度，原生 α相和β相向高温β相转变,高温β相通过晶格重构转变为 α ′马氏体相 [10],生成的大量 α ′马氏体相互相交织在一起形成网篮组织。由图9(e)、(f)可知,热影响区的微观组织主要表现为等轴 α相和β相以及针状 α ′相马氏体多相共存现象。在图9(b)、(f)中,热影响区由于靠近焊缝，在焊缝高温影响下原生 α相和β相向高温β相转变,但由于冷却速度快,冷却后部分α相和高温β相转变为α'马氏体，因此在图9(f)中可以明显看出热影响区内存在部分针状α'马氏体,在图9(a)、(e)中热影响区由于靠近母材,焊缝温度相较于焊缝侧热影响区有所降低，从而显微组织亦有所不同,显微组织表现为部分α相、高温β相以及针状马氏体多相共存。
3、结论
(1)使用P-MPAW焊接100μm厚TC4钛合金超薄板,脉冲频率为25Hz时,不同基值电流的情况下焊缝均呈现为鱼鳞状，脉冲频率分别为100、200Hz时焊缝均呈现为光滑连续焊缝。
(2)P-MPAW焊接100μm厚TC4钛合金超薄板的焊缝正面宽度大于背面宽度,在平均电流2A、占空比30%和50%时,随着基值电流和脉冲频率的增大，焊缝宽度逐步变小。
(3)有限单元法模拟P-MPAW焊接TC4钛合金超薄板的焊接过程,温度场呈彗尾状,流场呈椭圆状，脉冲电流和脉冲频率影响熔池大小以及熔池液态金属流速。
(4)100μm厚TC4钛合金超薄板P-MPAW焊接接头,焊缝区显微组织主要为网篮组织,热影响区组织主要为等轴α相和β相以及针状α'相马氏体，TC4母材组织为等轴α相和β相。
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（注，原文标题：100μm厚钛合金超薄板脉冲微束等离子弧焊焊接工艺与数值模拟_柴鹏）