大厚度锻件钛板等钛合金焊接技术的现状与发展

前言

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、可焊性好、高低温性能稳定、热导率低等特点，在装备制造、航空、航天、海洋、电力、化工等领域的应用越来越广泛［1］。随着深海领域装备、深潜器、海底无人科学实验站及其他特种技术装备的发展，钛合金结构件的厚度需求也不断增加，因此，如何高效、高质量、低成本地实现大厚度（≥25mm）钛合金焊接一直是众多学者不断追求的目标。

1、常用大厚度钛合金焊接技术现状

在大厚度钛合金焊接技术方面，采用传统的焊接技术，往往需要开较大的坡口，且填充次数多、填充金属多，造成焊缝宽度大、焊接变形大、焊接效率低等实际问题［2］。随着窄间隙思想与高能束作为焊接热源思路的提出与应用，各种新的焊接技术及基于窄间隙、高能束焊接而改进的焊接技术层出不穷。文中以文献［3－5］对窄间隙焊接和超窄间隙焊接给出的定义为基础，按照焊缝间隙和加工坡口大小，将目前国内外常用的大厚度钛合金焊接技术划分为3大类，其具体划分情况见表1。

1.1　大间隙大坡口焊接

1.1.1　传统TIG焊

钨极氩弧焊（TIG）的工作原理是将难熔的钍钨或铈钨作为电极，用氦气或氩气来进行焊接过程保护的一种电弧焊方法。焊接过程中，电弧在电极与焊件之间燃烧，利用氩气或氦气隔绝大气，防止焊件受大气中O₂，N₂，H₂等气体分子的影响。其具有焊接过程稳定、焊接成形美观、焊后综合力学性能好、操作简单、易于实现自动化等优点，是钛及钛合金常用的焊接方法之一，理论上可焊接任意厚度；但考虑焊接效率、焊接填充量与焊接成本，一般当焊件厚度＞50mm时，不宜用传统TIG焊方法进行焊接。

1.1.2　传统MIG焊

熔化极氩弧焊（MIG）是以填充焊丝作为电极，保护气体氩气或氦气从喷嘴中以一定速度流出，将电弧熔化的焊丝、熔池及附近的焊件金属与空气隔绝，杜绝其有害作用，获得良好的焊缝。与TIG焊相比，MIG焊焊接电流大、熔敷效率相对较高、焊接填充层数少、焊接效率高、成本低，因此，大厚度钛合金焊接也常采用传统MIG焊技术。但MIG焊存在飞溅大、焊缝成形效果差、焊接热输入大、焊接质量较低等问题；另外，MIG焊时填丝较多，要求焊接坡口角度比TIG焊更大；考虑焊接成本、质量等因素，在板厚＞50mm时，一般不宜用传统MIG焊方法进行焊接。

1.2　窄间隙小坡口焊接

窄间隙小坡口焊接具有以下特征：①多采用Ｉ形、Ｕ形或双Ｕ形坡口；②多层少道（1～3道）焊接；③上下焊接道数几乎一致，焊缝宽度一致性高；④多采用热输入小的焊接技术进行焊接；⑤焊缝最大间隙有限制，见表1。现有的窄间隙焊接技术种类多，且每种焊接方法都有各自的特点，文中仅列出大厚度钛合金窄间隙焊接目前比较常用的几种焊接方法。

1.2.1　窄间隙TIG焊

（1）窄间隙热丝TIG焊

窄间隙热丝TIG焊通常采用独立的焊丝加热电源或热丝送丝机对焊丝进行加热，使得焊丝在被送入熔池前提高到一定温度（钛合金焊丝一般加热至300～500℃），从而提高其熔敷效率，实现提高焊接效率的目的。目前，热丝NG－TIG的研究主要集中在设备研制、窄间隙坡口、焊枪的设计，以及在特定领域的应用［6］。此外，根据钨极是否摆动，国内将热丝NG－TIG设备分为3种类型，分别为单道不摆动、单道摆动、双道摆动。国外则是根据焊枪类型及加热电流的不同，也将其分为3种，分别为普通式、（送丝系统一体化）HST式、旋转＋HST式［7］，如图1所示。

许江晓等人［8］、张建新等人［9］的研究表明，窄间隙坡口的形式对热丝NG－TIG的焊接质量尤为重要，直接影响到焊接时根部是否熔透、侧壁是否熔合等关键问题。法国ＳＡＦ公司开发了新型热丝焊接工艺［10］（ＴＯＰ－TIG），该方法可以直接利用电弧柱辐热和等离子区的高温填充焊丝，可成倍地提高熔敷效率，加快焊接速度，而且其焊缝质量好，不产生飞溅，经济性能好。

（2）窄间隙双钨极TIG焊

双钨极TIG电弧复合焊（ｔｗｉｎ⁃ｅｌｅｃｔｒｏｄｅTIG），于1998年由日本研究人员Ｙａｍａｄａ等人首次提出［11］，因其采用2个电源、2根钨极而得名双钨极。在焊接过程中，2个钨极共同发射电弧，电弧在洛伦兹力、电场力、重力等力的相互作用下发生电弧耦合，使得电弧沿宽度方向发生扩展，增加了电弧宽度，从而有利于解决窄间隙内部侧壁未熔合的问题，如图2所示。而且，耦合的电弧能量提升，焊接速度也有所提升，可以提高焊接过程中的熔敷效率。

Ｋｏｂａｙｓｈｉ等人［12］及冷雪松［13］的研究结果表明，双钨极氩弧焊不仅可以大幅提高焊接熔敷效率，也可以提高其焊接速度，在高速焊接时，焊接熔池液

面稳定，同时也降低了咬边和驼峰等成形缺陷出现的概率。洛阳船舶材料研究院开发了钛合金双钨极NG－TIG焊接技术，最大焊接厚度可达120mm；并进行了全位置钛合金厚板窄间隙焊接试验，发现其熔敷效率提升将近４倍，焊后无损检测和力学性能均满足钛合金厚板焊缝Ｉ级标准。

（3）磁控窄间隙TIG焊

磁控窄间隙TIG焊是通过在焊枪前端增加偏转线圈，在焊接过程中，通过改变焊接电流，从而获得交变的磁场，使等离子体在洛伦兹力的作用下发生偏转，得到来回摆动的焊接电弧，改善窄间隙焊接过程中容易产生的侧壁未熔合问题。

文献［1４］研发了一种结构简单的磁控窄间隙TIG焊机，其布置示意图如图3ａ所示，该焊机结构简单，改装方便，在一定程度上推动了磁控NG－TIG焊接技术的发展。文献［7，15］的研究发现：磁场的引入可以在一定程度上改善钛合金大厚板窄间隙焊接过程中的侧壁未熔合问题，而且磁场的引入，对熔池起到一定程度的搅拌作用，使得焊接接头的焊缝组织更均匀、力学性能更加优异。焊接过程示意图如图3ｂ所示。

1.2.2　窄间隙MIG焊

窄间隙熔化极气体保护焊（NG－MIG）是焊接大厚板的一种高效焊接方法，在应用中占有很高的比例。采用单面焊可焊接20～305mm的钛合金厚板，采用双面焊最大焊接厚度可达560mm；其坡口主要采用Ｉ形，明灿等人［16］提出在Ｉ形坡口的基础上，设计一个较小角度（0.5°～1.5°）的反变形可以得到成形良好的焊缝。但从经济及操作难易程度上来考虑，最适用的板厚为20～50mm。

钛合金厚板的焊接一般采用低热输入NG－MIG，其具有焊接电流低、熔池小、焊丝直径小、导电嘴可达性好、坡口间隙小（6～9.5mm）等特点。但由于热输入低、焊接熔池小，在焊接过程中容易产生侧壁未熔合现象，造成焊接质量缺陷。为了解决侧壁未熔合问题，近几十年来逐步研发出了波浪式焊丝NG－MIG、麻花状焊丝NG－MIG、焊枪或导电嘴摆动NG－MIG、磁控NG－MIG、双丝NG－MIG等技术，极大地促进了其在大厚度钛合金焊接方面的发展与应用。

1.2.3　窄间隙激光填丝焊

窄间隙激光填丝焊（NG－ＬＢＷ）是将高功率密度的激光源照射在窄间隙焊缝内部的焊丝及侧壁母材上，使焊丝与母材发生融化后填充在窄间隙内部，达到焊接的目的。其具有焊接能量密度高、热输入小、速度快、变形小、热影响区窄等特点，已成为大厚度钛合金结构件制造的关键技术之一［17］。但是，由于激光束斑直径小、束斑位置能量高、存在匙孔等现象，使得其在大厚度填丝焊过程中比窄间隙TIG，MIG焊等更加容易产生侧壁未熔合和气孔等缺陷。

ＺｈａNG等人［18］发现激光功率和填充量是影响焊缝成形的关键因素。为了解决侧壁未熔合和气孔等缺陷，摆动激光焊技术应运而生，其常见的焊接装置及摆动方式示意图如４ａ，ｂ所示。Ｙａｍａｚａｋｉ等人［20］及徐楷昕等人［21］的研究结果表明，当摆动幅度和频率在一定范围内时，激光束对熔池具有一定的搅拌作用，可以抑制晶粒的生长，得到细化的晶粒组织，且接头成形良好、气孔少，力学性能优异，进一步促进了其发展。

1.2.４　窄间隙潜弧焊

窄间隙潜弧焊（NG－ＳＡＷ）与其他电弧焊的不同点是电极产生的电弧在母材表面以下，位于保护气体吹力和电弧力的合力产生的空腔内部，使得其能量利用率高，焊接效率非常高。其首先出现在20世纪80年代，一经出现，就迅速应用于大厚度金属构件的焊接过程中，尤其是压力容器、重型机械、海洋工程和压力管道等，可焊厚度可达700mm，可以实现高效率、低成本焊接。美国ＡＭＥＴ公司、Ｌｉｎｃｏｌｎ和英国ＭｅTA公司合作［22］，发明了一种带激光扫描跟踪的精密窄间隙双丝潜弧焊焊机头。在保证高速焊接的前提下，可以提高焊接稳定性，从而保证焊接质量，在一定程度上促进了其发展。

虽然NG－ＳＡＷ可焊厚度范围大，但其存在焊接热输入大、接头的塑性和韧性差、焊接修补困难、装配精度要求高、需要专用焊剂、焊接位置受限性大等缺陷，限制了其在大厚板尤其是钛合金大厚板方面的应用。陈国庆等人［23］研究了29mm厚TA15钛合金潜弧焊接头，发现焊后接头的塑性和韧性很差，拉伸试验断后伸长率仅有母材的50％，其断裂位置均发生于焊缝中心粗大的柱状晶区。都强等人［2４］通过在6４mm厚的TA15潜弧焊双面焊接过程中添加TA1纯钛中间层填充板，得到了焊缝成形良好、塑性好的焊接接头，为NG－ＳＡＷ在大厚板钛合金焊接应用方面提供了新的思路。

1.2.5　窄间隙复合焊

（1）窄间隙激光－TIG复合焊

激光电弧复合焊由英国学者Ｓｔｅｅｎ于20世纪80年代初首先提出，其原理主要是通过将性质、能量类型完全不同的2种热源结合在一起；激光束可以改善焊缝成形效果，而电弧焊可以弥补激光焊的装配精度限制、减少裂纹和气孔率［25］，提高母材的搭桥能力，增加其工程适用性，达到良好的协同增强效果，其原理示意图如图5所示。

Ａｕｂｅｒｔ等人［26］采用窄间隙激光－TIG电弧焊焊接了双相钢。将25mm厚的双相钢1４层填满，熔敷率比TIG焊提高了10倍以上。黄坚［27］使用15ｋＷＣＯ2激光器完成了36mm厚低碳钢的窄间隙激光－TIG复合焊接，仅需7层填满全部焊缝，但接头存在未熔合缺陷。

激光与TIG电弧复合焊具有诸多优势，采用窄间隙激光－TIG复合焊技术是提升大厚度接头焊接制造水平的有效途径和关键方法［28］。但是，从实际情况来看，当前激光－TIG复合焊技术还专注于单层、薄板、中厚板、不同材料等焊接应用领域，对大厚度非铁金属，尤其是大厚度钛合金窄间隙多层焊接技术缺乏系统的机理研究。

（2）窄间隙等离子弧－MIG复合焊

窄间隙等离子弧－MIG复合焊是在等离子弧－MIG复合焊的基础上开发的一种专门用于焊接大厚度金属及其合金的新技术。其焊接原理是：在焊接时，通过将等离子弧－MIG焊枪深入窄间隙坡口内部，且等离子弧和MIG电弧都进行摆动；等离子弧的摆动对坡口侧壁进行了良好的加热，摆动的MIG电弧熔化焊丝和母材，使得其焊接效率大幅提高，相比于窄间隙MIG焊，其焊接速度可以提高1倍以上。

与窄间隙潜弧焊相比，其焊接热输入大幅降低、没有清渣工序、操作简单、焊接质量更加可靠。另外，等离子弧－MIG复合焊在焊接过程中，等离子气会对熔池产生搅拌作用，有利于熔池中氢的逸出，减少焊接气孔等缺陷，提高焊接质量［29］，使得其更加适合大厚度非铁金属的焊接，在大厚度钛合金焊接方面具有广泛的应用前景。目前，国内外关于大厚度钛合金窄间隙等离子－MIG电弧复合焊技术的研究较少，其技术的应用与改进主要集中在钛及其合金的薄、中厚板方面及优化、改进复合焊枪方面。

1.3　无间隙或超窄间隙焊接

1.3.1　真空电子束焊（ＥＢＷ）

真空电子束焊（ＥＢＷ）是利用加速和聚焦的高速电子束流轰击焊件接缝处产生的热能，使金属熔化的一种焊接方法，装配间隙要求严格（＜0.15mm），属于无间隙焊接技术。在大厚度钛合金焊接方面，ＥＢＷ有其他焊接方式不可比拟的优势：①焊接功率密度大，比普通电弧功率密度高100～1000倍［30］；②穿透能力强，可一次性焊透25～200mm（单面）的钛合金特厚板［31］；③焊接速度快，热输入低，焊后变形小，接头性能好；④焊缝纯度高，可以避免熔合金属受到Ｏ，Ｎ，Ｈ等有害元素的污染等。

ＥＢＷ首次应用于美国大型客机发动机———ＣＭＦ56涡扇发动机。由于电子束焊接热源的属性问题，电子束焊存在很多缺点：需要抽真空、设备成本高、装配要求严格、真空室限制大、焊缝的韧性低、设备操作难度大等。注定了其适用范围不像传统焊接那么广泛。虽然近年来局部真空电子束焊（ＮＶ－ＥＢＷ）技术发展迅速，但因为受其引出窗技术及焊件与束流间距的限制，目前整体发展趋势较为缓慢，主要还停留在实验室阶段。

1.3.2　超窄间隙MIG焊

超窄间隙MIG∕ＭＡＷ焊（ＵNG－ＭＡＷ）是在NG－MIG∕ＭＡＷ的基础上发展起来的，首次报道于2000年。因其热输入低、间隙小、焊接热影响区的塑韧性损伤极小、焊缝组织细小、焊接效率高、成本低等使其具有很大的技术优势。张富巨等人［４］通过对NG－ＭＡＧ，NG－TIG，NG－ＳＡＷ，ＵNG－ＭＡＷ四种焊接技术的焊接效率和焊接成本进行对比，发现ＵNG－ＭＡＷ焊的填充能力大幅提高、焊接成本也比其他焊接技术低得多。

ＵNG－ＭＡＷ对于电源、装配精度、焊枪制造、焊接参数等要求比较高。因为其间隙比较窄，其高温区的高效焊接保护技术、焊接过程电弧及熔池行为的稳定性、焊缝跟踪技术有待完善和开发。目前ＵNG－ＭＡＷ技术只在高强度钢、超细晶粒焊接领域等应用比较多，在钛合金厚板焊接领域鲜有报道，具有广泛的应用前景。

1.3.3　超窄间隙激光填丝焊

超窄间隙激光填丝焊（ＵNG－ＬＢＷ）属于高能量密度焊接方法，相比于传统电弧焊来说，其具有指向性好、能量密度大、焊接速度快、窄间隙适应性强等优势；相比于ＵNG－MIG焊，ＵNG－ＬＢＷ不易出现电弧焊接过程中的焊丝回烧、侧壁燃弧问题，所以，实现超窄间隙激光焊的难度在理论上要简单得多。

虽然方乃文等人［32］对96mm厚TC４钛合金板超窄间隙激光填丝焊进行了研究，并得到了无缺陷、组织和力学性能良好的焊接接头，如图6所示，但目前，将ＵNG－ＬＢＷ技术应用于大厚度钛合金产品的焊接还未见有关报道，主要因为其工艺参数及其不稳定、激光－焊丝之间的相对位置及坡口加工精度要求比较苛刻等原因，导致其主要还停留在实验室阶段。

2、结论与展望

通过目前国内外对于大厚度钛合金的焊接技术的研究得出，不同的焊接特点与其未来发展趋势息息相关：

（1）传统TIG，MIG焊：焊接效率低、焊接过程费时、费力；但其工艺稳定、设备简单、操作简单、适用性强，在大厚度钛合金焊接中起着不可替代的作用。

（2）NG－ＬＢＷ，ＵNG－ＬＢＷ，ＥＢＷ都具有能量密度高、热输入小、焊接速度快、焊接变形小、热影响区窄等优点。但ＵNG－ＬＢＷ，NG－ＬＢＷ在填丝焊过程中比窄间隙TIG，MIG等更加容易产生侧壁未熔合和气孔等缺陷，而且其设备价格较高，生产适用性较差；ＥＢＷ在大厚度钛合金焊接过程中无需填丝，一次可焊接厚度与焊接效率最高，但真空室与价格，限制了其使用范围。

（3）NG－ＳＡＷ，ＵNG－MIG都具有焊接效率高、成本低的优点；但是，潜弧焊存在需要清渣、需要专用焊剂、只能进行横焊、焊接质量低等缺点；ＵNG－MIG技术对电源、装配精度、焊枪制造、焊接参数等要求比较高，其关键工艺、技术、装备还处于开发阶段。这些缺点的存在，限制了NG－ＳＡＷ，ＵNG－MIG在大厚度钛合金焊接方面的发展。

（４）窄间隙复合焊主要用于薄板和中厚板的钛合金焊接，它不仅具有各自焊接技术的优点，在复合后也会对各自的焊接缺点进行互补。此外，其熔敷效率高、焊接效率高、焊接质量相对可靠，在大厚度钛合金焊接方面具有一定的发展潜力。

（5）NG－MIG和NG－TIG都具备热输入低、焊接熔池小、易产生侧壁未熔合缺陷、焊接效率低等问题，尚不能满足未来大厚度钛合金高效焊接的发展需求。优化后的NG－TIG焊技术如热丝NG－TIG、双钨极NG－TIG、磁控NG－TIG等具有焊接质量高、焊接效率高、焊接过程稳定、焊接成本低等优势，被认为是目前最适合大厚度钛合金的焊接技术之一，可以作为大厚度钛合金焊接的主要研究方向。

综上所述，随着高效、高质量、低成本大厚度钛合金焊接技术的不断开发与应用，各种新的焊接技术与焊接思想不断涌现，极大地推动了大厚度钛合金焊接技术的发展；也为大厚度、特大厚度钛合金在全深海潜水装备、高性能船舶、海洋工程、压力容器、核工程等领域中的应用提供了可靠的技术支撑，对相关行业的提质、降本、增效和科技进步有着非常重要的意义。

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作者简介：杨旭光（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向：钛合金焊接．