周洋　孔谅　王敏　华学明

摘要：钛及钛合金凭借其比强度高、密度小和良好的耐腐蚀性能，广泛应用于汽车、生物医疗、航空航天、石油化工、海洋工程等领域。双钨极氩弧焊相比较传统的钨极氩弧焊可以抑制焊接缺陷，提高焊接速度。本文研究了工业纯钛TA2双钨极氩弧焊焊接接头的耐腐蚀性能，研究表明，双钨极氩弧焊焊缝中心细小的枝晶几乎占据了整个焊缝界面的50%，靠近焊缝的热影响区为均匀分布的等轴晶，双钨极氩弧焊提高了工业纯钛的耐腐蚀性能，扩大了其在恶劣环境下的使用范围。

关键词：工业纯钛;双钨极氩弧焊;腐蚀性能

中图分类号：TG457.19 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0047-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.07

0 前言

钛及钛合金导热率低、比强高、耐腐蚀，是非常优异的结构材料，在航空航天、石油化工和海水淡化等领域发挥着巨大的作用[1-2]。

钛及钛合金常用的焊接方法是钨极氩弧焊（TIG焊），其他焊接方法如激光焊、电子束焊、爆炸焊等也有应用。许多学者研究发现钛及钛合金在焊接后，其焊接接头的耐腐蚀性能与母材相当或有一定的提高[3]。

M. Balasubramanian等人[4]研究脉冲TIG焊焊接工艺参数对钛合金Ti-6Al-4V耐腐蚀性能的影响，通过动电位极化曲线发现，峰值电流和脉冲频率对耐腐蚀性能有较大的影响，并且细化晶粒能够提高腐蚀电阻，从而提高其耐腐蚀性能。

Z. Sun等人[5]通过动电位极化曲线和电化学极抗谱图发现，工业纯钛在激光重熔（Nd：YAG激光焊接机）后，在3%NaCl溶液中腐蚀电流下降，极化阻抗增加，耐腐蚀性能得到提高。通过金相显微镜和扫描电镜（SEM）观察发现，使用小热输入参数的激光重熔后，高冷却速度使得重熔区显微组织发生改变，由α相转变为针状的马氏体组织，这可能是提高耐腐蚀性能的因素。

关于工业纯钛焊接接头耐腐蚀性能研究文献较少，尤其是双钨极氩弧焊焊接接头，本文将着重研究双钨极氩弧焊焊接接头的耐腐蚀性能。

1 材料和方法

试验材料为1.24 mm×60 mm×400 mm工业纯钛TA2薄板，其化学成分如表1所示。焊前需清理钛板表面氧化膜，并用丙酮擦洗。

采用双枪TIG焊焊接纯钛TA2薄板，焊枪L和焊枪T呈大致对称倾斜分布，主电极电流IL=240 A，辅电极电流IT=175 A，焊接速度3 m/min。通过电极间距和焊枪角度进行双钨极氩弧堆焊，研究电极间距和焊枪角度对焊接接头耐腐蚀性能的影响。焊接示意如图1所示，焊接参数如表2所示。

分别选取母材和表2中不同焊接接头的焊缝和热影响区作为工作电极，在试样背面固定铜丝导线，保持工作电极的表面积为0.5 cm2，除工作电极外的部分采用环氧树脂进行固态封样。然后打磨工作表面至800目，并用无水乙醇进行清洗。使用ZENNIUM电化学综合测试仪对试样进行电化学腐蚀测试，并且采用三电极电解池测试的实验方法，辅助电极为铂片电极，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为3.5%NaCl溶液，实验在室温下进行。首先测量电化学阻抗谱（EIS），测试前先测量5 h的开路电位，使得整个体系稳定，然后施加交流正弦激励信号，幅值10 mV，频率扫描范围为105～10-2 Hz，记录实验数据，对测定结果进行数据处理得到反映阻抗信息的Nyquist图 和Bode图。然后进行动电位极化曲线的测试，同样的测试前先测量5 h的开路电位，使得整个体系稳定。然后从-0.3 V（相比于开路电位）测试到2 V（相比于开路电位），测试扫描速率为 0. 001 V/s。

2 结果与分析

双钨极氩弧焊金相组织如图2所示，靠近母材的热影响区包含细条状的柱状晶组织，可清晰看到一条几乎垂直的线将母材和热影响区组织分开，靠近焊缝的热影响区组织较粗大，为分布均匀的等轴晶，焊缝中心主要是粗大等轴晶和大量细小的枝晶。放大倍数观察，焊缝中心细小的枝晶几乎占据了整个焊缝界面的50%，靠近焊缝的热影响区为均匀分布的等轴晶。进一步放大倍数观察，靠近母材的热影响区组织的柱状晶晶界处分布着较多的细小α相，还有少量的条状晶和锯齿状晶。

分析认为，在两个电弧作用下的共熔池区域，后淌熔池受抑制，熔池内部液态金属相互碰撞，搅碎枝晶，由于焊接速度快，晶粒来不及长大，最终形成细小的枝晶，而未被搅拌的那部分熔池凝固时晶粒继续长大，形成了较为粗大的等轴晶，以熔合线处的组织较为明显。

双枪TIG焊焊接接头电化学阻抗谱图如图3所示，拟合成相对应的等效电路如图4所示，其中Rs是溶液的阻抗，Rp是试样的极化阻抗，CPE是常相位角元件。实验曲线和拟合的等效电路曲线误差很小，如图5所示。Rs、Rp和CPE的值如表3所示。

由图3可知，母材和双枪TIG焊接头的焊缝和热影响区的容抗弧大小有一定差别，其中焊缝和热影响区的容抗弧直径较大，而母材的容抗弧直径相对较小，说明焊缝和热影响区表面的钝化膜比母材稳定。

从表3中也发现了同样结果，焊缝和热影响区的极化阻抗高于母材，说明焊缝和热影响区的耐腐蚀性能略好于母材。考虑到不同焊接工艺参数的焊缝和热影响区的极化阻抗值的分散性较高，认为这些试样的耐腐性能相当，即不同焊接工艺参数下，焊缝和热影响区耐腐蚀性能相当。

母材和不同焊接工艺参数下的焊缝、热影响区的动电位极化曲线如图6所示，可以看出，这些曲线的阳极极化曲线均有明显的钝化区，表现出较好的耐腐蚀性能。表4则是从曲线中所获得三个电化学参数：自腐蚀电位Ecorr、维钝电流密度Ipass和击破电位Eb。自腐蚀电位体现的是热力学概念，可以表征腐蚀发生的难易程度。由表4可知，母材的自腐蚀电位最负，相比于焊缝和热影响区，最容易发生腐蚀。维钝电流和击破电位是动力学概念，可以表征腐蚀速率。维钝电流是在形成钝化膜后，在一段电位变化区域内流经金属表面的电流密度基本不发生变化，表征其长期的抗腐蚀能力，其值越小表明金属越容易回归钝化状态。从表4中还发现，母材的维钝电流密度略高于焊缝和热影响区，说明焊缝和热影响区的耐腐蚀性能较好。击破电位是钝化膜发生破坏的电位，其值越大表明钝化膜越稳定。表4中母材的击破电位最小，说明母材钝化膜的稳定性略低于焊缝和热影响区。

对于不同的焊接工艺参数，焊缝和热影响区的动电位极化曲线以及自腐蚀电位Ecorr、维钝电流密度Ipass和击破电位Eb并无明显的区别，说明其耐腐蚀性能相当。

3 结论

（1）双钨极氩弧焊焊缝中心细小的枝晶几乎占据整个焊缝界面的50%，靠近焊缝的热影响区为均匀分布的等轴晶。

（2）通过电化学阻抗谱和动电位极化曲线分析得出，母材、焊缝和热影响区在3.5%NaCl溶液中具有较好的耐腐蚀性能。

（3）两种电化学试验表明，焊缝和热影响区的极化阻抗Rp、自腐蚀电位Ecorr、维钝电流密度Ipass和击破电位Eb都优于母材，表明焊缝和热影响区的耐腐蚀性能优于母材。

（4）两种电化学试验显示，不同焊接工艺参数的焊缝和热影响区的耐腐蚀性能无明显区别。

参考文献：

[1] 李明利，舒滢，冯毅江，等. 我国钛及钛合金板带材应用现状分析[J]. 钛工业进展，2011，28（06）：18-21.

[2] 魏曉棠. 钛合金的钨极氩弧焊[J]. 钛工业进展，2008（6）：38-41.

[3] 周洋，孔谅，王敏，等. 钛及钛合金焊接接头腐蚀性能研究现状[J]. 电焊机，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.