周洋　孔諒　王敏　華學(xué)明

摘要：鈦及鈦合金憑借其比強(qiáng)度高、密度小和良好的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于汽車、生物醫(yī)療、航空航天、石油化工、海洋工程等領(lǐng)域。雙鎢極氬弧焊相比較傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊可以抑制焊接缺陷，提高焊接速度。本文研究了工業(yè)純鈦TA2雙鎢極氬弧焊焊接接頭的耐腐蝕性能，研究表明，雙鎢極氬弧焊焊縫中心細(xì)小的枝晶幾乎占據(jù)了整個焊縫界面的50%，靠近焊縫的熱影響區(qū)為均勻分布的等軸晶，雙鎢極氬弧焊提高了工業(yè)純鈦的耐腐蝕性能，擴(kuò)大了其在惡劣環(huán)境下的使用范圍。

關(guān)鍵詞：工業(yè)純鈦;雙鎢極氬弧焊;腐蝕性能

中圖分類號：TG457.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0047-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.07

0 前言

鈦及鈦合金導(dǎo)熱率低、比強(qiáng)高、耐腐蝕，是非常優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、石油化工和海水淡化等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用[1-2]。

鈦及鈦合金常用的焊接方法是鎢極氬弧焊（TIG焊），其他焊接方法如激光焊、電子束焊、爆炸焊等也有應(yīng)用。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)鈦及鈦合金在焊接后，其焊接接頭的耐腐蝕性能與母材相當(dāng)或有一定的提高[3]。

M. Balasubramanian等人[4]研究脈沖TIG焊焊接工藝參數(shù)對鈦合金Ti-6Al-4V耐腐蝕性能的影響，通過動電位極化曲線發(fā)現(xiàn)，峰值電流和脈沖頻率對耐腐蝕性能有較大的影響，并且細(xì)化晶粒能夠提高腐蝕電阻，從而提高其耐腐蝕性能。

Z. Sun等人[5]通過動電位極化曲線和電化學(xué)極抗譜圖發(fā)現(xiàn)，工業(yè)純鈦在激光重熔（Nd：YAG激光焊接機(jī)）后，在3%NaCl溶液中腐蝕電流下降，極化阻抗增加，耐腐蝕性能得到提高。通過金相顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，使用小熱輸入?yún)?shù)的激光重熔后，高冷卻速度使得重熔區(qū)顯微組織發(fā)生改變，由α相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧畹鸟R氏體組織，這可能是提高耐腐蝕性能的因素。

關(guān)于工業(yè)純鈦焊接接頭耐腐蝕性能研究文獻(xiàn)較少，尤其是雙鎢極氬弧焊焊接接頭，本文將著重研究雙鎢極氬弧焊焊接接頭的耐腐蝕性能。

1 材料和方法

試驗(yàn)材料為1.24 mm×60 mm×400 mm工業(yè)純鈦TA2薄板，其化學(xué)成分如表1所示。焊前需清理鈦板表面氧化膜，并用丙酮擦洗。

采用雙槍TIG焊焊接純鈦TA2薄板，焊槍L和焊槍T呈大致對稱傾斜分布，主電極電流IL=240 A，輔電極電流IT=175 A，焊接速度3 m/min。通過電極間距和焊槍角度進(jìn)行雙鎢極氬弧堆焊，研究電極間距和焊槍角度對焊接接頭耐腐蝕性能的影響。焊接示意如圖1所示，焊接參數(shù)如表2所示。

分別選取母材和表2中不同焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)作為工作電極，在試樣背面固定銅絲導(dǎo)線，保持工作電極的表面積為0.5 cm2，除工作電極外的部分采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行固態(tài)封樣。然后打磨工作表面至800目，并用無水乙醇進(jìn)行清洗。使用ZENNIUM電化學(xué)綜合測試儀對試樣進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測試，并且采用三電極電解池測試的實(shí)驗(yàn)方法，輔助電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為3.5%NaCl溶液，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。首先測量電化學(xué)阻抗譜（EIS），測試前先測量5 h的開路電位，使得整個體系穩(wěn)定，然后施加交流正弦激勵信號，幅值10 mV，頻率掃描范圍為105～10-2 Hz，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對測定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到反映阻抗信息的Nyquist圖 和Bode圖。然后進(jìn)行動電位極化曲線的測試，同樣的測試前先測量5 h的開路電位，使得整個體系穩(wěn)定。然后從-0.3 V（相比于開路電位）測試到2 V（相比于開路電位），測試掃描速率為 0. 001 V/s。

2 結(jié)果與分析

雙鎢極氬弧焊金相組織如圖2所示，靠近母材的熱影響區(qū)包含細(xì)條狀的柱狀晶組織，可清晰看到一條幾乎垂直的線將母材和熱影響區(qū)組織分開，靠近焊縫的熱影響區(qū)組織較粗大，為分布均勻的等軸晶，焊縫中心主要是粗大等軸晶和大量細(xì)小的枝晶。放大倍數(shù)觀察，焊縫中心細(xì)小的枝晶幾乎占據(jù)了整個焊縫界面的50%，靠近焊縫的熱影響區(qū)為均勻分布的等軸晶。進(jìn)一步放大倍數(shù)觀察，靠近母材的熱影響區(qū)組織的柱狀晶晶界處分布著較多的細(xì)小α相，還有少量的條狀晶和鋸齒狀晶。

分析認(rèn)為，在兩個電弧作用下的共熔池區(qū)域，后淌熔池受抑制，熔池內(nèi)部液態(tài)金屬相互碰撞，攪碎枝晶，由于焊接速度快，晶粒來不及長大，最終形成細(xì)小的枝晶，而未被攪拌的那部分熔池凝固時晶粒繼續(xù)長大，形成了較為粗大的等軸晶，以熔合線處的組織較為明顯。

雙槍TIG焊焊接接頭電化學(xué)阻抗譜圖如圖3所示，擬合成相對應(yīng)的等效電路如圖4所示，其中Rs是溶液的阻抗，Rp是試樣的極化阻抗，CPE是常相位角元件。實(shí)驗(yàn)曲線和擬合的等效電路曲線誤差很小，如圖5所示。Rs、Rp和CPE的值如表3所示。

由圖3可知，母材和雙槍TIG焊接頭的焊縫和熱影響區(qū)的容抗弧大小有一定差別，其中焊縫和熱影響區(qū)的容抗弧直徑較大，而母材的容抗弧直徑相對較小，說明焊縫和熱影響區(qū)表面的鈍化膜比母材穩(wěn)定。

從表3中也發(fā)現(xiàn)了同樣結(jié)果，焊縫和熱影響區(qū)的極化阻抗高于母材，說明焊縫和熱影響區(qū)的耐腐蝕性能略好于母材。考慮到不同焊接工藝參數(shù)的焊縫和熱影響區(qū)的極化阻抗值的分散性較高，認(rèn)為這些試樣的耐腐性能相當(dāng)，即不同焊接工藝參數(shù)下，焊縫和熱影響區(qū)耐腐蝕性能相當(dāng)。

母材和不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫、熱影響區(qū)的動電位極化曲線如圖6所示，可以看出，這些曲線的陽極極化曲線均有明顯的鈍化區(qū)，表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。表4則是從曲線中所獲得三個電化學(xué)參數(shù)：自腐蝕電位Ecorr、維鈍電流密度Ipass和擊破電位Eb。自腐蝕電位體現(xiàn)的是熱力學(xué)概念，可以表征腐蝕發(fā)生的難易程度。由表4可知，母材的自腐蝕電位最負(fù)，相比于焊縫和熱影響區(qū)，最容易發(fā)生腐蝕。維鈍電流和擊破電位是動力學(xué)概念，可以表征腐蝕速率。維鈍電流是在形成鈍化膜后，在一段電位變化區(qū)域內(nèi)流經(jīng)金屬表面的電流密度基本不發(fā)生變化，表征其長期的抗腐蝕能力，其值越小表明金屬越容易回歸鈍化狀態(tài)。從表4中還發(fā)現(xiàn)，母材的維鈍電流密度略高于焊縫和熱影響區(qū)，說明焊縫和熱影響區(qū)的耐腐蝕性能較好。擊破電位是鈍化膜發(fā)生破壞的電位，其值越大表明鈍化膜越穩(wěn)定。表4中母材的擊破電位最小，說明母材鈍化膜的穩(wěn)定性略低于焊縫和熱影響區(qū)。

對于不同的焊接工藝參數(shù)，焊縫和熱影響區(qū)的動電位極化曲線以及自腐蝕電位Ecorr、維鈍電流密度Ipass和擊破電位Eb并無明顯的區(qū)別，說明其耐腐蝕性能相當(dāng)。

3 結(jié)論

（1）雙鎢極氬弧焊焊縫中心細(xì)小的枝晶幾乎占據(jù)整個焊縫界面的50%，靠近焊縫的熱影響區(qū)為均勻分布的等軸晶。

（2）通過電化學(xué)阻抗譜和動電位極化曲線分析得出，母材、焊縫和熱影響區(qū)在3.5%NaCl溶液中具有較好的耐腐蝕性能。

（3）兩種電化學(xué)試驗(yàn)表明，焊縫和熱影響區(qū)的極化阻抗Rp、自腐蝕電位Ecorr、維鈍電流密度Ipass和擊破電位Eb都優(yōu)于母材，表明焊縫和熱影響區(qū)的耐腐蝕性能優(yōu)于母材。

（4）兩種電化學(xué)試驗(yàn)顯示，不同焊接工藝參數(shù)的焊縫和熱影響區(qū)的耐腐蝕性能無明顯區(qū)別。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李明利，舒瀅，馮毅江，等. 我國鈦及鈦合金板帶材應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28（06）：18-21.

[2] 魏曉棠. 鈦合金的鎢極氬弧焊[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2008（6）：38-41.

[3] 周洋，孔諒，王敏，等. 鈦及鈦合金焊接接頭腐蝕性能研究現(xiàn)狀[J]. 電焊機(jī)，2018，48（07）：46-50+75.

[4] Sun? Z，Annergren I，Pan D，et al. Effect of laser surface re-melting on the corrosion behavior of commercially pure tita-nium sheet[J]. Mater.Sci.Eng.A，2003，345（1-2）：293-300.

[5] Balasubramanian M，Jayabalan V，Balasubramanian V. Effect of pulsed gas tungsten arc welding on corrosion behavior of Ti-6Al-4V titanium alloy[J]. Materials & Design，2008：1359-1363.