前言

鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、可焊性好、高低溫性能穩定、熱導率低等特點(diǎn)，在裝備制造、航空、航天、海洋、電力、化工等領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛[1]。隨著(zhù)深海領(lǐng)域裝備、深潛器、海底無(wú)人科學(xué)實(shí)驗站及其他特種技術(shù)裝備的發(fā)展，鈦合金結構件的厚度需求也不斷增加，因此，如何高效、高質(zhì)量、低成本地實(shí)現大厚度（≥25mm)鈦合金焊接一直是眾多學(xué)者不斷追求的目標。

1、常用大厚度鈦合金焊接技術(shù)現狀

在大厚度鈦合金焊接技術(shù)方面，采用傳統的焊接技術(shù)，往往需要開(kāi)較大的坡口，且填充次數多、填充金屬多，造成焊縫寬度大、焊接變形大、焊接效率低等實(shí)際問(wèn)題[2]。隨著(zhù)窄間隙思想與高能束作為焊接熱源思路的提出與應用，各種新的焊接技術(shù)及基于窄間隙、高能束焊接而改進(jìn)的焊接技術(shù)層出不窮。文中以文獻[3－5]對窄間隙焊接和超窄間隙焊接給出的定義為基礎，按照焊縫間隙和加工坡口大小，將目前國內外常用的大厚度鈦合金焊接技術(shù)劃分為3大類(lèi)，其具體劃分情況見(jiàn)表1。

1.1　大間隙大坡口焊接

1.1.1　傳統TIG焊

鎢極氬弧焊（TIG)的工作原理是將難熔的釷鎢或鈰鎢作為電極，用氦氣或氬氣來(lái)進(jìn)行焊接過(guò)程保護的一種電弧焊方法。焊接過(guò)程中，電弧在電極與焊件之間燃燒，利用氬氣或氦氣隔絕大氣，防止焊件受大氣中O2，N2，H2等氣體分子的影響。其具有焊接過(guò)程穩定、焊接成形美觀(guān)、焊后綜合力學(xué)性能好、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是鈦及鈦合金常用的焊接方法之一，理論上可焊接任意厚度；但考慮焊接效率、焊接填充量與焊接成本，一般當焊件厚度＞50mm時(shí)，不宜用傳統TIG焊方法進(jìn)行焊接。

1.1.2　傳統MIG焊

熔化極氬弧焊（MIG)是以填充焊絲作為電極，保護氣體氬氣或氦氣從噴嘴中以一定速度流出，將電弧熔化的焊絲、熔池及附近的焊件金屬與空氣隔絕，杜絕其有害作用，獲得良好的焊縫。與TIG焊相比，MIG焊焊接電流大、熔敷效率相對較高、焊接填充層數少、焊接效率高、成本低，因此，大厚度鈦合金焊接也常采用傳統MIG焊技術(shù)。

但MIG焊存在飛濺大、焊縫成形效果差、焊接熱輸入大、焊接質(zhì)量較低等問(wèn)題；另外，MIG焊時(shí)填絲較多，要求焊接坡口角度比TIG焊更大；考慮焊接成本、質(zhì)量等因素，在板厚＞50mm時(shí)，一般不宜用傳統MIG焊方法進(jìn)行焊接。

1.2　窄間隙小坡口焊接

窄間隙小坡口焊接具有以下特征：①多采用I形、U形或雙U形坡口；②多層少道（1～3道)焊接；③上下焊接道數幾乎一致，焊縫寬度一致性高；④多采用熱輸入小的焊接技術(shù)進(jìn)行焊接；⑤焊縫最大間隙有限制，見(jiàn)表1?，F有的窄間隙焊接技術(shù)種類(lèi)多，且每種焊接方法都有各自的特點(diǎn)，文中僅列出大厚度鈦合金窄間隙焊接目前比較常用的幾種焊接方法。

1.2.1　窄間隙TIG焊

（1)窄間隙熱絲TIG焊

窄間隙熱絲TIG焊通常采用獨立的焊絲加熱電源或熱絲送絲機對焊絲進(jìn)行加熱，使得焊絲在被送入熔池前提高到一定溫度（鈦合金焊絲一般加熱至300～500℃)，從而提高其熔敷效率，實(shí)現提高焊接效率的目的。目前，熱絲NG－TIG的研究主要集中在設備研制、窄間隙坡口、焊槍的設計，以及在特定領(lǐng)域的應用[6]。此外，根據鎢極是否擺動(dòng)，國內將熱絲NG－TIG設備分為3種類(lèi)型，分別為單道不擺動(dòng)、單道擺動(dòng)、雙道擺動(dòng)。國外則是根據焊槍類(lèi)型及加熱電流的不同，也將其分為3種，分別為普通式、（送絲系統一體化)HST式、旋轉＋HST式[7]，如圖1所示。

許江曉等人[8]、張建新等人[9]的研究表明，窄間隙坡口的形式對熱絲NG－TIG的焊接質(zhì)量尤為重要，直接影響到焊接時(shí)根部是否熔透、側壁是否熔合等關(guān)鍵問(wèn)題。法國SAＦ公司開(kāi)發(fā)了新型熱絲焊接工藝[10]（TOP－TIG)，該方法可以直接利用電弧柱輻熱和等離子區的高溫填充焊絲，可成倍地提高熔敷效率，加快焊接速度，而且其焊縫質(zhì)量好，不產(chǎn)生飛濺，經(jīng)濟性能好。

（2)窄間隙雙鎢極TIG焊

雙鎢極TIG電弧復合焊（TWｉｎ?ｅLｅｃTｒOｄｅTIG)，于1998年由日本研究人員ＹAMAｄA等人首次提出[11]，因其采用2個(gè)電源、2根鎢極而得名雙鎢極。在焊接過(guò)程中，2個(gè)鎢極共同發(fā)射電弧，電弧在洛倫茲力、電場(chǎng)力、重力等力的相互作用下發(fā)生電弧耦合，使得電弧沿寬度方向發(fā)生擴展，增加了電弧寬度，從而有利于解決窄間隙內部側壁未熔合的問(wèn)題，如圖2所示。而且，耦合的電弧能量提升，焊接速度也有所提升，可以提高焊接過(guò)程中的熔敷效率。

ＫOBAｙSｈｉ等人[12]及冷雪松[13]的研究結果表明，雙鎢極氬弧焊不僅可以大幅提高焊接熔敷效率，也可以提高其焊接速度，在高速焊接時(shí)，焊接熔池液面穩定，同時(shí)也降低了咬邊和駝峰等成形缺陷出現的概率。洛陽(yáng)船舶材料研究院開(kāi)發(fā)了鈦合金雙鎢極NG－TIG焊接技術(shù)，最大焊接厚度可達120mm；并進(jìn)行了全位置鈦合金厚板窄間隙焊接試驗，發(fā)現其熔敷效率提升將近４倍，焊后無(wú)損檢測和力學(xué)性能均滿(mǎn)足鈦合金厚板焊縫I級標準。

（3)磁控窄間隙TIG焊

磁控窄間隙TIG焊是通過(guò)在焊槍前端增加偏轉線(xiàn)圈，在焊接過(guò)程中，通過(guò)改變焊接電流，從而獲得交變的磁場(chǎng)，使等離子體在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉，得到來(lái)回擺動(dòng)的焊接電弧，改善窄間隙焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生的側壁未熔合問(wèn)題。

文獻[14]研發(fā)了一種結構簡(jiǎn)單的磁控窄間隙TIG焊機，其布置示意圖如圖3A所示，該焊機結構簡(jiǎn)單，改裝方便，在一定程度上推動(dòng)了磁控NG－TIG焊接技術(shù)的發(fā)展。文獻[7，15]的研究發(fā)現：磁場(chǎng)的引入可以在一定程度上改善鈦合金大厚板窄間隙焊接過(guò)程中的側壁未熔合問(wèn)題，而且磁場(chǎng)的引入，對熔池起到一定程度的攪拌作用，使得焊接接頭的焊縫組織更均勻、力學(xué)性能更加優(yōu)異。焊接過(guò)程示意圖如圖3B所示。

1.2.2　窄間隙MIG焊

窄間隙熔化極氣體保護焊（NG－MIG)是焊接大厚板的一種高效焊接方法，在應用中占有很高的比例。采用單面焊可焊接20～305mm的鈦合金厚板，采用雙面焊最大焊接厚度可達560mm；其坡口主要采用I形，明燦等人[16]提出在I形坡口的基礎上，設計一個(gè)較小角度（0.5°～1.5°)的反變形可以得到成形良好的焊縫。但從經(jīng)濟及操作難易程度上來(lái)考慮，最適用的板厚為20～50mm。

鈦合金厚板的焊接一般采用低熱輸入NG－MIG，其具有焊接電流低、熔池小、焊絲直徑小、導電嘴可達性好、坡口間隙?。?～9.5mm)等特點(diǎn)。但由于熱輸入低、焊接熔池小，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生側壁未熔合現象，造成焊接質(zhì)量缺陷。為了解決側壁未熔合問(wèn)題，近幾十年來(lái)逐步研發(fā)出了波浪式焊絲NG－MIG、麻花狀焊絲NG－MIG、焊槍或導電嘴擺動(dòng)NG－MIG、磁控NG－MIG、雙絲NG－MIG等技術(shù)，極大地促進(jìn)了其在大厚度鈦合金焊接方面的發(fā)展與應用。

1.2.3　窄間隙激光填絲焊

窄間隙激光填絲焊（NG－LBW)是將高功率密度的激光源照射在窄間隙焊縫內部的焊絲及側壁母材上，使焊絲與母材發(fā)生融化后填充在窄間隙內部，達到焊接的目的。其具有焊接能量密度高、熱輸入小、速度快、變形小、熱影響區窄等特點(diǎn)，已成為大厚度鈦合金結構件制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[17]。但是，由于激光束斑直徑小、束斑位置能量高、存在匙孔等現象，使得其在大厚度填絲焊過(guò)程中比窄間隙TIG，MIG焊等更加容易產(chǎn)生側壁未熔合和氣孔等缺陷。

Zhang等人[18]發(fā)現激光功率和填充量是影響焊縫成形的關(guān)鍵因素。為了解決側壁未熔合和氣孔等缺陷，擺動(dòng)激光焊技術(shù)應運而生，其常見(jiàn)的焊接裝置及擺動(dòng)方式示意圖如４A，B所示。ＹAMAｚAｋｉ等人[20]及徐楷昕等人[21]的研究結果表明，當擺動(dòng)幅度和頻率在一定范圍內時(shí)，激光束對熔池具有一定的攪拌作用，可以抑制晶粒的生長(cháng)，得到細化的晶粒組織，且接頭成形良好、氣孔少，力學(xué)性能優(yōu)異，進(jìn)一步促進(jìn)了其發(fā)展。

1.2.４　窄間隙潛弧焊

窄間隙潛弧焊（NG－SAW)與其他電弧焊的不同點(diǎn)是電極產(chǎn)生的電弧在母材表面以下，位于保護氣體吹力和電弧力的合力產(chǎn)生的空腔內部，使得其能量利用率高，焊接效率非常高。其首先出現在20世紀80年代，一經(jīng)出現，就迅速應用于大厚度金屬構件的焊接過(guò)程中，尤其是壓力容器、重型機械、海洋工程和壓力管道等，可焊厚度可達700mm，可以實(shí)現高效率、低成本焊接。美國AMＥT公司、LｉｎｃOLｎ和英國MｅTA公司合作[22]，發(fā)明了一種帶激光掃描跟蹤的精密窄間隙雙絲潛弧焊焊機頭。在保證高速焊接的前提下，可以提高焊接穩定性，從而保證焊接質(zhì)量，在一定程度上促進(jìn)了其發(fā)展。

雖然NG－SAW可焊厚度范圍大，但其存在焊接熱輸入大、接頭的塑性和韌性差、焊接修補困難、裝配精度要求高、需要專(zhuān)用焊劑、焊接位置受限性大等缺陷，限制了其在大厚板尤其是鈦合金大厚板方面的應用。陳國慶等人[23]研究了29mm厚TA15鈦合金潛弧焊接頭，發(fā)現焊后接頭的塑性和韌性很差，拉伸試驗斷后伸長(cháng)率僅有母材的50％，其斷裂位置均發(fā)生于焊縫中心粗大的柱狀晶區。都強等人[2４]通過(guò)在6４mm厚的TA15潛弧焊雙面焊接過(guò)程中添加TA1純鈦中間層填充板，得到了焊縫成形良好、塑性好的焊接接頭，為NG－SAW在大厚板鈦合金焊接應用方面提供了新的思路。

1.2.5　窄間隙復合焊

（1)窄間隙激光－TIG復合焊

激光電弧復合焊由英國學(xué)者STｅｅｎ于20世紀80年代初首先提出，其原理主要是通過(guò)將性質(zhì)、能量類(lèi)型完全不同的2種熱源結合在一起；激光束可以改善焊縫成形效果，而電弧焊可以彌補激光焊的裝配精度限制、減少裂紋和氣孔率[25]，提高母材的搭橋能力，增加其工程適用性，達到良好的協(xié)同增強效果，其原理示意圖如圖5所示。AUBｅｒT等人[26]采用窄間隙激光－TIG電弧焊焊接了雙相鋼。將25mm厚的雙相鋼1４層填滿(mǎn)，熔敷率比TIG焊提高了10倍以上。黃堅[27]使用15ｋWＣO2激光器完成了36mm厚低碳鋼的窄間隙激光－TIG復合焊接，僅需7層填滿(mǎn)全部焊縫，但接頭存在未熔合缺陷。

激光與TIG電弧復合焊具有諸多優(yōu)勢，采用窄間隙激光－TIG復合焊技術(shù)是提升大厚度接頭焊接制造水平的有效途徑和關(guān)鍵方法[28]。但是，從實(shí)際情況來(lái)看，當前激光－TIG復合焊技術(shù)還專(zhuān)注于單層、薄板、中厚板、不同材料等焊接應用領(lǐng)域，對大厚度非鐵金屬，尤其是大厚度鈦合金窄間隙多層焊接技術(shù)缺乏系統的機理研究。

（2)窄間隙等離子?。璏IG復合焊

窄間隙等離子?。璏IG復合焊是在等離子?。璏IG復合焊的基礎上開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)門(mén)用于焊接大厚度金屬及其合金的新技術(shù)。其焊接原理是：在焊接時(shí)，通過(guò)將等離子?。璏IG焊槍深入窄間隙坡口內部，且等離子弧和MIG電弧都進(jìn)行擺動(dòng)；等離子弧的擺動(dòng)對坡口側壁進(jìn)行了良好的加熱，擺動(dòng)的MIG電弧熔化焊絲和母材，使得其焊接效率大幅提高，相比于窄間隙MIG焊，其焊接速度可以提高1倍以上。

與窄間隙潛弧焊相比，其焊接熱輸入大幅降低、沒(méi)有清渣工序、操作簡(jiǎn)單、焊接質(zhì)量更加可靠。另外，等離子?。璏IG復合焊在焊接過(guò)程中，等離子氣會(huì )對熔池產(chǎn)生攪拌作用，有利于熔池中氫的逸出，減少焊接氣孔等缺陷，提高焊接質(zhì)量[29]，使得其更加適合大厚度非鐵金屬的焊接，在大厚度鈦合金焊接方面具有廣泛的應用前景。目前，國內外關(guān)于大厚度鈦合金窄間隙等離子－MIG電弧復合焊技術(shù)的研究較少，其技術(shù)的應用與改進(jìn)主要集中在鈦及其合金的薄、中厚板方面及優(yōu)化、改進(jìn)復合焊槍方面。

1.3　無(wú)間隙或超窄間隙焊接

1.3.1　真空電子束焊（EBW)

真空電子束焊（EBW)是利用加速和聚焦的高速電子束流轟擊焊件接縫處產(chǎn)生的熱能，使金屬熔化的一種焊接方法，裝配間隙要求嚴格（＜0.15mm)，屬于無(wú)間隙焊接技術(shù)。在大厚度鈦合金焊接方面，EBW有其他焊接方式不可比擬的優(yōu)勢：①焊接功率密度大，比普通電弧功率密度高100～1000倍[30]；②穿透能力強，可一次性焊透25～200mm（單面)的鈦合金特厚板[31]；③焊接速度快，熱輸入低，焊后變形小，接頭性能好；④焊縫純度高，可以避免熔合金屬受到O，Ｎ，H等有害元素的污染等。EBW首次應用于美國大型客機發(fā)動(dòng)機———ＣMＦ56渦扇發(fā)動(dòng)機。由于電子束焊接熱源的屬性問(wèn)題，電子束焊存在很多缺點(diǎn)：需要抽真空、設備成本高、裝配要求嚴格、真空室限制大、焊縫的韌性低、設備操作難度大等。注定了其適用范圍不像傳統焊接那么廣泛。雖然近年來(lái)局部真空電子束焊（ＮＶ－EBW)技術(shù)發(fā)展迅速，但因為受其引出窗技術(shù)及焊件與束流間距的限制，目前整體發(fā)展趨勢較為緩慢，主要還停留在實(shí)驗室階段。

1.3.2　超窄間隙MIG焊

超窄間隙MIG∕MAW焊（UNG－MAW)是在NG－MIG∕MAW的基礎上發(fā)展起來(lái)的，首次報道于2000年。因其熱輸入低、間隙小、焊接熱影響區的塑韌性損傷極小、焊縫組織細小、焊接效率高、成本低等使其具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。張富巨等人[４]通過(guò)對NG－MAＧ，NG－TIG，NG－SAW，UNG－MAW四種焊接技術(shù)的焊接效率和焊接成本進(jìn)行對比，發(fā)現UNG－MAW焊的填充能力大幅提高、焊接成本也比其他焊接技術(shù)低得多。

UNG－MAW對于電源、裝配精度、焊槍制造、焊接參數等要求比較高。因為其間隙比較窄，其高溫區的高效焊接保護技術(shù)、焊接過(guò)程電弧及熔池行為的穩定性、焊縫跟蹤技術(shù)有待完善和開(kāi)發(fā)。目前UNG－MAW技術(shù)只在高強度鋼、超細晶粒焊接領(lǐng)域等應用比較多，在鈦合金厚板焊接領(lǐng)域鮮有報道，具有廣泛的應用前景。

1.3.3　超窄間隙激光填絲焊

超窄間隙激光填絲焊（UNG－LBW)屬于高能量密度焊接方法，相比于傳統電弧焊來(lái)說(shuō)，其具有指向性好、能量密度大、焊接速度快、窄間隙適應性強等優(yōu)勢；相比于UNG－MIG焊，UNG－LBW不易出現電弧焊接過(guò)程中的焊絲回燒、側壁燃弧問(wèn)題，所以，實(shí)現超窄間隙激光焊的難度在理論上要簡(jiǎn)單得多。

雖然方乃文等人[32]對96mm厚TＣ４鈦合金板超窄間隙激光填絲焊進(jìn)行了研究，并得到了無(wú)缺陷、組織和力學(xué)性能良好的焊接接頭，如圖6所示，但目前，將UNG－LBW技術(shù)應用于大厚度鈦合金產(chǎn)品的焊接還未見(jiàn)有關(guān)報道，主要因為其工藝參數及其不穩定、激光－焊絲之間的相對位置及坡口加工精度要求比較苛刻等原因，導致其主要還停留在實(shí)驗室階段。

2、結論與展望

通過(guò)目前國內外對于大厚度鈦合金的焊接技術(shù)的研究得出，不同的焊接特點(diǎn)與其未來(lái)發(fā)展趨勢息息相關(guān)：

（1)傳統TIG，MIG焊：焊接效率低、焊接過(guò)程費時(shí)、費力；但其工藝穩定、設備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、適用性強，在大厚度鈦合金焊接中起著(zhù)不可替代的作用。

（2)NG－LBW，UNG－LBW，EBW都具有能量密度高、熱輸入小、焊接速度快、焊接變形小、熱影響區窄等優(yōu)點(diǎn)。但UNG－LBW，NG－LBW在填絲焊過(guò)程中比窄間隙TIG，MIG等更加容易產(chǎn)生側壁未熔合和氣孔等缺陷，而且其設備價(jià)格較高，生產(chǎn)適用性較差；EBW在大厚度鈦合金焊接過(guò)程中無(wú)需填絲，一次可焊接厚度與焊接效率最高，但真空室與價(jià)格，限制了其使用范圍。

（3)NG－SAW，UNG－MIG都具有焊接效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)；但是，潛弧焊存在需要清渣、需要專(zhuān)用焊劑、只能進(jìn)行橫焊、焊接質(zhì)量低等缺點(diǎn)；UNG－MIG技術(shù)對電源、裝配精度、焊槍制造、焊接參數等要求比較高，其關(guān)鍵工藝、技術(shù)、裝備還處于開(kāi)發(fā)階段。這些缺點(diǎn)的存在，限制了NG－SAW，UNG－MIG在大厚度鈦合金焊接方面的發(fā)展。

（４)窄間隙復合焊主要用于薄板和中厚板的鈦合金焊接，它不僅具有各自焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在復合后也會(huì )對各自的焊接缺點(diǎn)進(jìn)行互補。此外，其熔敷效率高、焊接效率高、焊接質(zhì)量相對可靠，在大厚度鈦合金焊接方面具有一定的發(fā)展潛力。

（5)NG－MIG和NG－TIG都具備熱輸入低、焊接熔池小、易產(chǎn)生側壁未熔合缺陷、焊接效率低等問(wèn)題，尚不能滿(mǎn)足未來(lái)大厚度鈦合金高效焊接的發(fā)展需求。優(yōu)化后的NG－TIG焊技術(shù)如熱絲NG－TIG、雙鎢極NG－TIG、磁控NG－TIG等具有焊接質(zhì)量高、焊接效率高、焊接過(guò)程穩定、焊接成本低等優(yōu)勢，被認為是目前最適合大厚度鈦合金的焊接技術(shù)之一，可以作為大厚度鈦合金焊接的主要研究方向。

綜上所述，隨著(zhù)高效、高質(zhì)量、低成本大厚度鈦合金焊接技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應用，各種新的焊接技術(shù)與焊接思想不斷涌現，極大地推動(dòng)了大厚度鈦合金焊接技術(shù)的發(fā)展；也為大厚度、特大厚度鈦合金在全深海潛水裝備、高性能船舶、海洋工程、壓力容器、核工程等領(lǐng)域中的應用提供了可靠的技術(shù)支撐，對相關(guān)行業(yè)的提質(zhì)、降本、增效和科技進(jìn)步有著(zhù)非常重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：楊旭光（1993—)，男，碩士研究生，主要研究方向：鈦合金焊接．

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