厚鈦合金焊接對航空航天和海洋領域有重要作用，而焊接厚鈦合金還需要克服很多困難。

摘要

用於(yu) 航空航天和海洋領域的大型厚鈦合金結構需要接頭完整性來滿足要求。焊接技術是連接材料的重要形式，對厚構件的應用和推廣起著至關(guan) 重要的作用。本文綜述了厚鈦合金焊接中存在的問題和麵臨(lin) 的挑戰，介紹了自動化焊接技術的工藝特點，並對今後的工作提出了建議。

研究表明，鎢極氣體(ti) 保護焊工藝穩定，廣泛應用於(yu) 大型鈦結構的焊接。填充絲(si) 激光焊接是一種很有前途的替代傳(chuan) 統製造方法，它具有坡口窄、焊接效率高、熱輸入低等特點，在厚結構焊接方麵得到了廣泛的研究。本文討論了側(ce) 壁未熔合、氣孔、焊縫變形和顯微組織劣化等焊接缺陷的形成機理和抑製措施。未來的工作將集中在自動化焊接過程控製和參數優(you) 化方麵。

1， 介紹

厚壁結構廣泛應用於(yu) 海洋平台、壓力容器、核電建設和大型化工設備等領域。先進的工程材料及其在海洋工程設備中的應用已十分普遍。鈦合金的結構部件被廣泛使用，盡管其反應性很高。它們(men) 可以形成堅韌的保護氧化膜，因此具有良好的耐腐蝕性，在低溫下不會(hui) 失去韌性，具有良好的蠕變、抗氧化性、高強度重量比和良好的可焊性。加工厚鈦合金的有效技術頗受歡迎。圖1顯示了厚鈦板在全位置焊接載人航天艙上的應用。

圖1 厚鈦合金的應用

焊接技術是優(you) 化產(chan) 品設計、降低生產(chan) 成本的有效途徑，對厚壁結構的推廣和利用具有重要意義(yi) 。用於(yu) 厚板焊接的最常見工藝包括鎢極氣體(ti) 保護焊（TIG）、金屬氣體(ti) 保護焊（GMAG）、金屬保護焊（SMAW）、電子束焊接（EBW）和激光束焊接（LBW）。焊接質量、顯微組織旋轉、焊接缺陷及其控製措施等焊接特性已被廣泛研究。

在焊接這些厚材料時，傳(chuan) 統的焊接方法需要更多的填充焊絲(si) 填充大角度坡口，從(cong) 而導致較大的焊接變形、較寬的熱影響區，從(cong) 而降低接頭性能。相比之下，窄間隙焊接方法采用小角度坡口，可以減少填充焊絲(si) 的數量，減少焊道，提高焊接效率。在眾(zhong) 多焊接技術中，TIG、LBW和EBW通常用於(yu) 鈦合金部件的焊接。采用LBW、EBW等大功率電源，實現無填充焊絲(si) 的深熔焊接，焊接效率高，熱輸入低。這通常會(hui) 導致較少的粗晶結構和優(you) 異的機械性能。

熱線激光焊接過程中關(guan) 鍵焊接變量的位置關(guan) 係

然而，對於(yu) 厚焊接結構，由於(yu) 微觀結構的不均勻性，機械性能可能沿厚度方向發生顯著變化，並且已證明受所選焊接工藝參數和實際接頭幾何形狀的影響。另一方麵，高功率電源和真空環境的要求限製了其實際應用。另一種方法是將低功率電源與(yu) 填絲(si) 窄間隙焊接相結合，以實現多層焊接，這可以調節焊縫微觀結構並改善接頭性能。該技術具有成本低、焊接生產(chan) 率高、焊接熱輸入低等特點，被認為(wei) 是最適合厚板焊接的方法。窄間隙焊接的過程控製和缺陷抑製非常嚴(yan) 格，以獲得無缺陷接頭。表1比較了厚板焊接各種工藝的焊接特性。

表1 窄間隙焊接各種焊接工藝的比較

由於(yu) 鈦基合金的化學活性、較高的應變硬化和焊縫開裂傾(qing) 向，其加工受到限製。鈦將在250°C的純氫、400°C的氧氣和600°C左右的氮氣中燃燒。在400°C以上的溫度下，氧氣和氮氣也將擴散到鈦中，從(cong) 而提高抗拉強度，使焊接接頭變脆。此外，氫可以以間隙固溶體(ti) 的形式存在於(yu) 鈦晶格中，一些氫化物和氫化物決(jue) 定了接頭質量。熔合區焊縫開裂、衝(chong) 擊和延展性差的傾(qing) 向使其容易焊接。此外，鈦合金熔點高、導熱性差和粘度大的特性有利於(yu) 在焊接時形成較大的熔池，從(cong) 而導致晶粒長大、衝(chong) 擊性能差、延展性差和焊縫開裂。因此，鈦合金的焊接對於(yu) 控製熱輸入以避免惡化焊接性能的焊接缺陷至關(guan) 重要。

本文對各種焊接方法的窄間隙焊接特性試驗研究領域的現有文獻進行了綜述。總結了厚鈦合金焊接中存在的問題和挑戰，並提出了相應的措施，為(wei) 進一步的研究和開發提供思路。

2. 當前的發展趨勢

2.1 窄間隙GMAW焊接

窄間隙焊接可以在厚板上實現小橫截麵的焊接。高效、高質量的電弧焊工藝已廣泛應用於(yu) 製造重型部件。對於(yu) 正常的氣體(ti) 保護金屬極電弧焊（GMAW）工藝，焊絲(si) 從(cong) 觸點的中心筆直伸出，因此，由於(yu) 電弧熱量和力集中在底板中，增加了對底焊道的熔深，並抑製了坡口側(ce) 壁的熔化。這種現象可能導致手指狀穿透和側(ce) 壁未熔合缺陷。然而，GMAW焊接工藝適合厚板焊接，具有熔敷量大、焊接效率高等優(you) 點。在GMAW焊接大型厚壁結構時，確保足夠的熔透深度是關(guan) 鍵。

窄間隙金屬活性氣體(ti) 保護焊係統具有較高的製造效率，用於(yu) 焊接國際熱核實驗堆（ITER）裝置中使用的AISI 316LN厚板。由於(yu) NG-MAG電弧焊接的熱輸入水平較低，因此成分分離較少，枝晶尺寸較小，這被認為(wei) 是提高低溫韌性的關(guan) 鍵作用，可與(yu) TIG電弧焊接相媲美。

激光束反射實驗裝置的示意圖

本文研究了保護氣體(ti) 成分對窄間隙MAG焊電弧特性和焊絲(si) 熔化特性的影響。在保護氣體(ti) 中加入氦氣，呈現碗狀焊道輪廓。側(ce) 壁熔合深度隨著氦含量的增加而增加。噴嘴頭的設計也可適應超窄間隙。厚截麵的坡口壁達到了極限，采用了垂直放置電極的P-GMAW工藝，在坡口內(nei) 每層沉積一條焊道。產(chan) 生了無缺陷超窄多道焊。

目前已經提出了幾種NG-GMAG方法，如旋轉電弧、扭曲和蛇形線工藝，以增加對槽側(ce) 壁的足夠穿透力，這可以有效解決(jue) 缺乏熔合缺陷的問題，並在實踐中得到廣泛應用。

圖2 NG-GMAW焊接旋轉電弧係統(D:旋轉直徑;N:轉速)

NG-GMAW係統示意圖如圖2所示。改進的電弧運動可以增加對坡口側(ce) 壁的熔深，同時減小截麵厚度。從(cong) 而提高焊縫質量，避免底焊道出現指狀熔深。Wang等人優(you) 化了焊炬結構和工藝參數的關(guan) 鍵工藝變量，即坡口側(ce) 壁的延伸深度和焊縫表麵曲率隨著擺動頻率和側(ce) 壁停留時間的增加而增加，焊縫截麵厚度減小，焊縫底部形狀由單峰變為(wei) 雙峰。NG-GMAW工藝已成功應用於(yu) 厚鋼和鋁合金的焊接。

為(wei) 了提高沉積速率，同時研究了單熔池中雙絲(si) 窄間隙焊接的工藝穩定性。結果表明，雙絲(si) 窄間隙焊焊縫成形良好。當送絲(si) 速度大於(yu) 10m/min時，側(ce) 壁無咬邊形成。實驗中建立了窄間隙焊接模型和電弧力模型，闡明了焊接參數對過程穩定性的影響機理。隨著焊絲(si) 與(yu) 邊緣距離的減小，焊接過程的穩定性降低。為(wei) 了保持焊接穩定性，焊絲(si) 與(yu) 側(ce) 邊之間的距離必須大於(yu) 2.5 mm。

然而，與(yu) TIG焊接工藝相比，GMAW焊接穩定性差，熱輸入大。鈦合金的焊接更注重接頭的可靠性和質量，而不是焊接效率，因此對鈦合金NG-GMAW焊接的研究較少。

2.2 窄間隙TIG焊接

鎢極惰性氣體(ti) （TIG）焊接技術是一種用途廣泛的金屬連接工藝，具有穩定的焊接過程和較低的熱輸入，非常適合於(yu) 對熱輸入敏感的鈦合金的焊接。由於(yu) 熔池較小，側(ce) 壁未熔合現象明顯，阻礙了TIG窄間隙焊的發展。Han等人采用TIG焊接工藝，通過U形、V形和X形坡口連接15 mm TC8。坡口幾何形狀主要影響熱分布，從(cong) 而改變顯微組織演變和接頭強度。

結果表明，U型和V型坡口焊縫區組織基本相同，分別為(wei) 柱狀β相、針狀和粒狀α相。X型槽的組織為(wei) 柱狀β相，α相為(wei) 分散的等軸針狀，晶粒尺寸最小。U型坡口接頭的抗拉強度和伸長率最低，X型坡口接頭的抗拉強度和伸長率最高。U型槽斷裂以脆性斷裂為(wei) 主，X型槽斷裂以準解理斷裂為(wei) 主。采用多道次多層TIG焊接工藝成功焊接了ITER等厚度更高（如40和60 mm）的先進聚變反應堆。獲得了無缺陷接頭，但由於(yu) 焊縫坡口較大，焊接效率較低。

Cook和Levick提出了熱絲(si) TIG焊接工藝，以解決(jue) 側(ce) 壁熔合缺陷的不足，避免焊接裂紋的形成，提高焊接效率。然而，由於(yu) 焊絲(si) 電流引起的磁弧吹掃，使得焊接過程變得不穩定。建議使用脈衝(chong) 電流對填充線進行預熱，以避免磁打擊。磁吹僅(jin) 在導線脈衝(chong) 電流期間產(chan) 生，在非脈衝(chong) 期間未發生磁吹。隨著脈衝(chong) 周期比的減小，磁吹周期比減小，加工性能沒有受到太大的損害。

磁場和移動電子的相互作用會(hui) 產(chan) 生洛侖(lun) 茲(zi) 力，影響焊接電弧形態，從(cong) 而將熱能分布在坡口側(ce) 壁上。磁弧振蕩可增加焊縫寬度，側(ce) 壁熔深明顯增加。1971年，Tseng和Savage首次研究了電磁攪拌，以細化微觀結構並提高力學性能。隨著研究的繼續，他們(men) 發現在窄間隙焊接中引入磁場具有很大的前景。圖3和圖4分別顯示了磁輔助TIG焊炬和電弧特征。可以看出，在磁場作用下，焊接電弧轉移到坡口側(ce) 壁，這可以抑製側(ce) 壁的不完全熔合。

圖3 磁輔助TIG窄間隙焊接頭

圖4 不同焊接形式下的電弧輪廓:無磁場;b無窄坡口磁弧焊;c窄坡口磁弧焊

烏(wu) 克蘭(lan) 帕頓電焊研究所首次開發了磁輔助TIG窄間隙焊接裝置，磁場可以有效控製坡口內(nei) 的焊接電弧，並重新分配電弧熱量，增加側(ce) 壁穿透。該技術需要合理、標準的焊接工藝參數和高精度的裝配。Yu等人使用磁控窄間隙焊接技術焊接了30和100 mm厚的TC4鈦合金。焊接電弧在磁場作用下可以周期性地實現橫向振蕩。外加磁場可有效避免側(ce) 壁熔合不良的問題，通過振蕩焊接電弧實現側(ce) 壁熔合良好的接頭。電弧擺動和電極位置對焊縫成形和工藝穩定性有很大影響。

采用雙磁極以防止側(ce) 壁熔合不足，並提高厚部件焊接的效率和質量。電弧磁振蕩導致流經兩(liang) 側(ce) 壁的電弧電壓和焊接電流發生變化，從(cong) 而導致電弧熱量重新分布。磁場使焊接電弧擺動，將更多的熱量帶入側(ce) 壁，確保側(ce) 壁熔透。結果表明，溝槽側(ce) 壁完全熔化，形成了良好的接頭。

此外，Kobayashi等人開發了一種高效TIG焊接方法，該方法在一個(ge) 焊炬內(nei) 使用兩(liang) 個(ge) 電極。該工藝在槽壁中產(chan) 生了一致的穿透力和較高的沉積速率，非常適合用於(yu) 建造大容量LNG儲(chu) 罐和厚壁壓力容器。同時，選擇了合適的垂直和水平焊接位置（周邊焊接位置）的焊接條件，確定了良好的接頭性能。

圖5 雙電極示意圖

圖6 不同焊接位置的脈衝(chong) 電流控製

圖5和圖6顯示了不同焊接位置的電弧特征和電流控製。利用這項技術，成功地焊接了190mm厚的鈦板。此外，開發了雙絲(si) 工藝以提高沉積速率。獲得了稀釋度較低、熱影響區較小、熔覆質量較好的焊縫，這也有可能用於(yu) 焊接厚板。Lassaline和North報告了雙絲(si) 焊接的沉積速率高於(yu) 單絲(si) 焊接，並解決(jue) 了缺乏熔合缺陷的問題。

圖7 旋轉鎢極氬弧焊工藝的電弧特性

然而，由於(yu) 槽邊較大，限製了該方法的應用範圍。旋轉鎢電極設計用於(yu) 窄間隙焊接，如圖7所示。周期性旋轉電弧可以改善側(ce) 壁熔合，並持續攪拌熔池。在垂直位置的窄間隙焊接中，確保了側(ce) 壁的充分熔合。一般情況下，窄間隙電弧焊接通常需要較大的坡口和複雜的焊接裝置，這會(hui) 導致焊接效率低，並有可能形成缺乏熔合的缺陷。另一方麵，大的殘餘(yu) 應力、變形和不良的接頭強度已成為(wei) 製約窄間隙焊接技術發展的主要瓶頸。因此，進一步壓縮坡口寬度和引入高能束熱源對提高焊接效率和質量是必要的。

2.3 使用填充焊絲(si) 的窄間隙激光焊接

與(yu) 傳(chuan) 統的弧焊技術相比，激光熱源在厚板焊接中具有許多優(you) 點，如能量密度集中、焊接速度快、熱影響區窄、熱變形小。然而，窄間隙激光焊接的一些缺點，如激光光斑小、激光與(yu) 焊絲(si) /電弧的對準能力差、焊接飛濺等，也亟待解決(jue) 。熱絲(si) 激光焊接實驗係統如圖8所示。

圖8 熱絲(si) 激光焊接實驗係統

采用填充焊絲(si) 的窄間隙激光焊接是一種結合了窄間隙焊接和激光焊接優(you) 點的技術，被認為(wei) 是最適合厚板焊接的方法。該工藝具有填充量小、熱影響區窄、電源低等優(you) 點，可有效提高厚板焊接質量。激光焊接技術的一個(ge) 缺點是，它與(yu) 相對較高的冷卻速率有關(guan) ，與(yu) 弧焊技術相比，這導致開裂風險增加，顯微硬度更高。為(wei) 了解決(jue) 這一焊接缺陷，一些研究人員建議采用預熱來防止凝固裂紋的形成。預熱可以減輕周圍組織的約束，降低焊縫中的熱梯度，減緩冷卻速度。

此外，Karhu和Kujanpä在下道次中使用了大量熱輸入來消除熱裂紋。然而，這種方法有惡化焊縫微觀結構的趨勢，浪費了大量的熱輸入。Elmesalamy等人報告，與(yu) 電弧焊相比，當從(cong) 兩(liang) 側(ce) 焊接20 mm厚的AISI 316L級不鏽鋼板時，添加填充絲(si) 的窄間隙激光焊接的焊道數從(cong) 43個(ge) 減少到20個(ge) 。與(yu) GTA焊接相比，窄間隙激光焊接的殘餘(yu) 應力通常降低30–40%。然而，填充焊絲(si) 的引入使焊接過程變得複雜。在超窄間隙激光焊接中，激光功率、焊接速度和送絲(si) 速度等工藝參數及其相互作用對控製焊接質量具有重要意義(yi) 。

統計建模和多變量優(you) 化用於(yu) 消除空洞和缺乏熔合缺陷。工藝參數優(you) 化如圖9所示。研究了輸入參數與(yu) 單胎圈幾何形狀之間的相互作用。獲得了多道次窄間隙激光焊接的最佳焊接參數，獲得了缺陷較少的接頭。

圖9 焊絲(si) 激光焊接工藝參數優(you) 化

Phaoniam等人開發了一種用於(yu) 窄間隙焊接的高效熱絲(si) 激光混合工藝，發現熱絲(si) 激光焊接能夠在母材稀釋度非常低的情況下產(chan) 生完整的焊接熔敷。熔池反射的激光能量是實現側(ce) 槽壁熔化的關(guan) 鍵。實驗中研究了工藝穩定性和參數優(you) 化，以了解焊接特征。必須避免的缺陷包括熱裂紋、空洞、未熔合和不規則的最終焊縫表麵拓撲。通過對電線進行電預熱，可以實現良好的潤濕條件，該技術顯示出很高的潛力。

此外，熱絲(si) 增加了焊接過程的穩定性，改善了焊縫形成，同時減少了焊接過程中的總能量輸入，從(cong) 而提高了能量使用效率。在熱絲(si) 激光焊接過程中，與(yu) 冷絲(si) 激光焊接相比，最大節能16%。圖10顯示了填充焊絲(si) 激光焊接的坡口尺寸和焊接接頭橫截麵。

圖10 用焊絲(si) 進行激光焊接的焊接接頭截麵

為(wei) 了克服未熔合的問題，Yu等人嚐試使用更多的激光束能量來熔合凹槽的側(ce) 壁並增大熔池的尺寸，發現可以使用相對較小的凹槽來抑製未熔合缺陷。他們(men) 采用改進型噴嘴，可在坡口內(nei) ，毛細管力可通過側(ce) 麵保護氣體(ti) 的壓力來平衡，從(cong) 而避免焊縫底部出現凹麵彎月麵。凹形彎月麵有利於(yu) 形成無缺陷接頭。

實驗中還研究了激光振蕩焊接及其在窄間隙焊接中的有效性，如圖11所示。通過振蕩激光焊接直接加熱間隙底部附近。然而，一些焊絲(si) 碎片可能以固態形式落入熔池中，導致焊接過程不穩定和焊絲(si) 成分偏析。當激光束振蕩寬度低於(yu) 間隙寬度時，可通過間隙的上邊緣（試樣前表麵）避免激光束幹擾−0.5毫米。

圖11 振蕩激光對珠表麵寬度的影響

他們(men) 認為(wei) ，振蕩激光焊接是窄間隙焊接的有效熱源，可使用熱源（如熱絲(si) ）熔化焊絲(si) 。激光振蕩光束可以擴大焊縫寬度和淺焊縫熔深，以避免缺乏坡口側(ce) 壁熔合和指狀熔深，這對於(yu) 窄間隙焊接更為(wei) 可取。另一方麵，由於(yu) 攪拌作用，束流振蕩改善了焊縫形貌，促進了熔合區等軸晶的形成。隨著焊縫形態缺陷的減少和等軸晶粒的增加，塑性增加。Li等人還發現，激光束振蕩可以有效提高焊接過程的穩定性，抑製氣孔的形成。

Dahmen等人采用雙激光束焊接20 mm板材，形成了無未熔合和氣孔的焊接接頭。雙光束激光焊接可通過改變光束間距和激光功率比靈活調節焊接溫度和焊縫外觀。雙光束激光焊接的冷卻速度大大低於(yu) 單光束工藝，這有助於(yu) 改善焊縫微觀結構。本文研究了填充焊絲(si) 雙光束激光焊接中光束結構對焊絲(si) 熔化和轉移行為(wei) 的影響，結果表明，具有最小轉移周期和臨(lin) 界熔滴尺寸的並排結構的轉移穩定性優(you) 於(yu) 其他兩(liang) 種結構。窄間隙焊接采用振蕩光束和雙光束的前提是避免激光束與(yu) 坡口側(ce) 壁的幹擾，保證焊接過程的穩定。

Wang等人采用YLS-5000 W光纖激光器，通過多道次窄間隙方法焊接12 mm TC4板。結果表明，鈦合金激光焊接過程中的主要缺陷是未熔合和氣孔，優(you) 化工藝參數可以提高接頭質量。有趣的是，與(yu) TIG焊接工藝相比，激光焊接的焊接效率顯著提高。熔合區組織由β柱狀晶和網狀馬氏體(ti) αr相組成。熱影響區晶粒明顯細化。部分轉變的熱影響區由馬氏體(ti) αr相、轉變α相和轉變β相組成。此外，焊縫金屬和熱影響區的顯微硬度高於(yu) 母材，且硬度在焊縫金屬附近的熱影響區達到峰值（表2）。

表2 焊絲(si) 窄間隙激光焊接的研究現狀

窄間隙激光焊接被認為(wei) 是最適合厚壁結構的焊接方法。上述研究證明，可以獲得無缺陷、性能優(you) 良的焊接接頭。

2.4 窄間隙激光-電弧複合焊接

激光-電弧複合焊接結合了激光和電弧熱源的優(you) 點，如能量密度高、焊接過程穩定、焊接適應性好等。激光-MIG/MAG複合焊接工藝具有焊接速度快、熔深深深、焊縫成形好、裝配精度低等特點，是中厚板焊接中最常用的焊接方法。雖然激光加熱可以獲得較大的焊接深度，但複合焊接工藝對厚板的適應性較低。

由於(yu) 空間約束效應，窄間隙激光-電弧複合焊接的熔深比開放空間焊接的熔深高10–22%。受限空間通過減少熱損失提高了傳(chuan) 熱效率，增強了保護氣體(ti) 的流動強度，抑製了激光誘導等離子體(ti) 的膨脹，提高了激光能量的吸收率。

Li等人比較了30 mm厚板的激光填絲(si) 焊接和混合激光GMAW焊接，采用多層、多道焊工藝。結果表明，在采用填充焊絲(si) 的窄間隙激光焊接過程中，經常出現夾渣和氣孔缺陷，其位置符合一定的規律。徹底清理焊道可以減少這些缺陷的發生。激光-電弧複合焊接工藝明顯改善了這些缺陷，因為(wei) 較小的窄坡口降低了熔滴過渡頻率或使熔滴粘附在側(ce) 壁上。

激光MAG接頭的焊接強度和顯微硬度高於(yu) 母材。焊接速度可達9m/min，複合焊接接頭具有良好的強度和延性。Li和Liu研究了鈦合金的激光TIG焊接。焊縫由αr相和β相組成。在脈衝(chong) 激光和脈衝(chong) TIG的攪拌作用下，針狀αr呈鬆散、不規則分布。鋁、錳含量穩定，無組分偏析。

激光-電弧複合焊接的坡口形狀、尺寸和工藝參數對焊接質量有很大影響。複合焊接工藝的最大焊接深度由激光功率決(jue) 定。到目前為(wei) 止，厚型鋼激光焊接的大多數研究工作僅(jin) 限於(yu) 35–40 mm的厚度，主要基於(yu) 約20 kW的CO2激光器。在超高功率電源的開發過程中，高達32 kW的盤式激光係統和高達100 kW的光纖激光係統已進入現場，目前已成為(wei) 與(yu) 更厚截麵焊接（高達約100 mm）相關(guan) 的激光混合焊接研究的基礎。

Nielsen報告了高功率激光混合焊接在重金屬結構生產(chan) 中麵臨(lin) 的挑戰和前景。較厚結構的激光複合焊接工藝的主要問題是缺陷控製，即消除裂紋和減少氣孔。通過添加填充絲(si) 和優(you) 化接頭幾何形狀解決(jue) 了這一問題。通過32 kW圓盤激光-MIG混合焊接，從(cong) 兩(liang) 側(ce) 采用I型對接接頭，獲得了40 mm結構鋼（表3）。

表3 TC4厚板窄間隙TIG焊接、激光- mig焊接和填充絲(si) 激光焊接的比較

Su研究了激光-MIG複合焊接接頭的組織演變和機械性能，發現隨著焊接熱輸入的增加，馬氏體(ti) 厚度從(cong) 0.49μm增加到0.82μm。多道焊時，焊縫經曆的不同層間熱循環次數和重熔次數較多，焊縫抗拉強度較高，抗衝(chong) 擊性較低，斷裂方式由韌性斷裂向混合斷裂轉變。Cao發現，與(yu) 單次TIG焊接相比，鈦合金的激光-TIG複合焊接可以細化熔合區晶粒內(nei) 的晶體(ti) 並增加針狀α相，但複合焊接的熱影響區寬度略大於(yu) TIG焊接，如圖12所示。

圖12 自動送絲(si) 實驗設備

在三種厚度（12、15和18mm）下，通過優(you) 化參數，采用混合焊接實現了鈦板的對接焊接。焊縫的所有抗拉強度可高達母材的95%。然而，隨著板厚的增加，接頭的塑性降低。這是因為(wei) 多道焊的熱積累導致了焊接區晶粒尺寸的增長。由於(yu) 激光-電弧複合焊接工藝具有焊接效率高、全位置焊接和更好的焊接質量等諸多優(you) 點，使其成為(wei) 工業(ye) 應用的一個(ge) 有吸引力的替代品。

混合激光弧焊可用於(yu) 使用較少焊道數焊接中薄板，從(cong) 而減少焊接變形。激光-電弧複合焊接的主要應用領域是汽車和船舶製造行業(ye) ，在這些行業(ye) 中，大量金屬部件被焊接以製造輕型或重型車輛和船舶。然而，對於(yu) 大型厚板焊接，通常采用單道焊接厚度。焊縫熔深主要取決(jue) 於(yu) 激光功率，限製了其在厚板焊接中的應用。圖13比較了不同焊接工藝下TC4接頭的橫截麵。

圖13 TC4接頭截麵:窄間隙TIG焊;b laser-MIG焊接;C激光焊絲(si) 焊接

3 厚板焊接中的問題和挑戰

3.1 缺乏融合

在厚板窄間隙焊接過程中，應避免因缺少側(ce) 壁熔合缺陷而大大降低接頭質量。該缺陷的發生可歸因於(yu) 焊接過程不穩定或坡口間隙過大。熔合區凝固速度快，液態金屬流動性差，導致熔敷金屬不能完全覆蓋坡口。熔化的母材金屬和熔敷金屬很難混合，導致缺乏熔合缺陷。這種缺陷與(yu) 坡口參數、焊接參數和材料性能密切相關(guan) 。在大多數情況下，該缺陷形成於(yu) 相鄰層之間的界麵。

在後續堆焊過程中未重新熔化的填充金屬會(hui) 導致這些缺陷的形成。此外，它還出現在填充金屬和基板之間的側(ce) 壁上。加熱源不能有效熔化凹槽側(ce) 壁，導致側(ce) 壁未熔合缺陷。根據實驗結果，熔敷金屬的凹麵凝固表麵是消除缺陷的最有效方法。本文建立了基於(yu) 量綱分析法的定量模型來預測焊縫內(nei) 未熔合的情況。在槽的約束下，增加熔池內(nei) 的向下流動可以形成凹麵凝固表麵。另一方麵，降低熔池邊緣的固液表麵張力，可以減小坡口側(ce) 壁與(yu) 熔池之間的表麵潤濕角，從(cong) 而導致焊縫表麵產(chan) 生更深的凹坑。

為(wei) 了克服這種焊接缺陷，研究人員提出了一些新方法，如改進的保護氣體(ti) 成分、窄間隙電弧振蕩焊接、磁輔助TIG窄間隙焊接、激光束振蕩焊接和超窄間隙激光焊接，共同點是，這些改進方法可以將焊接熱重新分配到側(ce) 坡口或減小坡口寬度。隨著側(ce) 壁熱輸入的增加，側(ce) 壁與(yu) 熔池之間的潤濕能力增強，表麵形貌得到改善。通過優(you) 化焊接工藝參數，可以實現無缺陷焊接接頭。

3.2 孔隙度

在鈦合金焊接過程中，由於(yu) 氫的存在、汙染和工藝參數不當，更容易形成氣孔缺陷。大量研究表明，窄間隙激光焊接的主要問題是焊縫氣孔。氣孔可以是一種或兩(liang) 種類型的混合物：第一種是凝固過程中枝晶臂內(nei) 形成的微氣孔，第二種是通常沿焊縫中心線排列的較大氣孔。Tsukamoto強調，高能束焊接過程中小孔的行為(wei) 對於(yu) 氣孔的形成至關(guan) 重要。小孔不穩定性有時會(hui) 導致孔隙率，而小孔不穩定性的機理非常複雜，至今尚未得到充分的理解。在凝固階段使用填充絲(si) 進行窄間隙激光焊接時，熔池中的氣體(ti) 不斷擴散到氣泡中，導致氣泡壓力增大，形成大氣泡。

隨著溫度的降低，凝固速率大於(yu) 氣體(ti) 的浮動速率，因此，部分氣泡無法從(cong) 熔池中逸出，然後在焊縫金屬中形成氣孔。氣孔的形成與(yu) 焊接參數有很大關(guan) 係，且在焊接接頭中呈隨機分布。這被稱為(wei) 冶金孔隙率，與(yu) 不穩定鎖孔產(chan) 生的孔隙率不同。圖14顯示了激光焊接TC4板的缺陷。

圖14 TC4激光焊接接頭存在未熔合和氣孔缺陷

孔隙的負麵影響可能導致應力集中，並減少機械性能的有效麵積。為(wei) 了實現更安全、更長壽和更完整的焊接，研究人員還提出了一些抑製氣孔的策略。有幾種實用方法可用於(yu) 減少和消除小孔不穩定性引起的孔隙度，包括工藝優(you) 化、降低環境壓力條件的應用和光束調製。通常情況下，氫氣和清潔度對於(yu) 消除冶金孔隙至關(guan) 重要。焊接前，基板和填充絲(si) 必須徹底脫脂。此外，必須使用最高純度的保護氣體(ti) 。

3.3 顯微組織劣化和焊接變形

在窄間隙焊接過程中，鈦合金經曆了劇烈的擴散和凝固過程，產(chan) 生了複雜的應力狀態，導致嚴(yan) 重變形甚至開裂。焊接區和HAZ區域可能出現冷裂紋。裂紋是沿晶開裂，並且被認為(wei) 部分是β-α相變期間體(ti) 積變化的結果，再加上延展性降低。嚴(yan) 格控製氫含量和真空退火處理是防止開裂的有效方法。另一方麵，焊接工藝參數、焊接材料和防護措施對焊接質量影響很大。鈦合金較窄的凝固範圍和相變動力學導致熔合區出現大晶粒。

大型鈦合金構件的顯微組織和焊接缺陷製約著其焊接。焊接收縮時，殘餘(yu) 應力在冷卻的最後階段產(chan) 生，殘餘(yu) 應力的分布極大地影響接頭的疲勞性能。根據約束程度，結構可能會(hui) 明顯變形，從(cong) 而阻礙進一步的焊接過程或裝配。許多技術用於(yu) 限製焊縫變形的發展，包括減少熱輸入、優(you) 化坡口尺寸、焊接和加工順序、跟蹤超聲波振動和使用熱處理。在這些方法中，最常用的是減少熱輸入和優(you) 化坡口尺寸，以減少厚板焊接過程中的焊接變形。

鈦及其合金容易受到大氣汙染，並且隨著溫度的升高，晶粒長大，這兩(liang) 種情況都會(hui) 對焊接接頭的機械特性有害。焊接接頭的微觀結構在很大程度上取決(jue) 於(yu) 冷卻速度。冷卻速率為(wei) 525至1.5°C/s−1導致馬氏體(ti) 相變、塊狀相變和擴散相變。410°C以上的冷卻速率−1導致完全馬氏體(ti) 微觀結構，在410和20°C之間觀察到大量相變−1，這種轉變逐漸被擴散控製的魏氏狀態所取代，冷卻速率降低，如圖15所示。

圖15 CCT原理圖Ti-6Al-4V

Qi等人比較了鈦板的電子束焊接、激光束焊接和鎢極氣體(ti) 保護焊。TIG焊焊縫寬、變形大、晶粒粗大，而LBW焊焊縫最窄、變形最小、晶粒最細。細小的晶粒有利於(yu) 焊縫性能的提高。轉變的性質主要取決(jue) 於(yu) 焊接過程中合金的冷卻速度和轉變特征。特定位置的熱循環取決(jue) 於(yu) 焊接工藝和焊接位置相對於(yu) 焊縫中心線使用的工藝參數。通常，對於(yu) 鈦合金，熱影響區可根據βtransus溫度分為(wei) 近熱影響區和遠熱影響區。近熱影響區的溫度大約高於(yu) β晶區溫度，低於(yu) 液相線溫度，而遠熱影響區的溫度低於(yu) β晶區溫度。

因此，熱影響區經曆了不同的熱循環，導致組織呈現梯度特征，形成一係列不平衡相。當熔合線溫度高於(yu) βtransus溫度時，由於(yu) 較快的冷卻速度，形成馬氏體(ti) 或魏氏組織。遠離熔合線時，發生大量再結晶，晶粒尺寸不均勻，導致機械性能波動。另一方麵，焊接熱輸入隨焊接工藝的不同而變化，改變了熱影響區的加熱速率、保溫時間和冷卻速率，從(cong) 而導致組織的比例和形態不同。因此，熱影響區與(yu) 母材之間存在較大的顯微組織差異，尤其是近熱影響區是焊接接頭的最薄弱區域。

多道焊的熔合區晶粒尺寸大致與(yu) 焊道數成正比，因為(wei) 熱量累積和第二次熱循環使凝固結構重新熔化。許多方法用於(yu) 減小柱狀物的尺寸，如脈衝(chong) 交流電、磁振蕩、振動和孕育劑。這些方法可以提高熔合區的延性和疲勞性能。

4. 結論

在航空、航天和導航領域，大型和厚實部件，尤其是鈦合金的焊接是實現輕量化和集成化製造的關(guan) 鍵技術。隨著結構件和性能的快速發展，大型鈦結構件焊接的難點在於(yu) ：構件厚度的增加、焊接結構的複雜性以及對焊接質量和性能的高要求。從(cong) 目前窄間隙焊接的研究現狀來看，鈦合金窄間隙焊接麵臨(lin) 的挑戰主要是解決(jue) 焊接缺陷、控製焊接應力和提高效率。得出以下結論和未來範圍：

1.TIG焊接可能是焊接鈦合金最常用的工藝，因為(wei) 它具有低熱量輸入和焊接穩定性。但其焊接效率低，焊接設備複雜，焊接材料多，限製了其應用。采用填充焊絲(si) 進行激光焊接可以明顯提高焊接效率，但需要提高焊接穩定性以避免焊接缺陷。激光窄間隙焊接技術在大型結構件的焊接中具有廣闊的應用前景。

2.為(wei) 了提高可靠性和使用壽命，需要不斷努力，盡量減少焊接缺陷，避免焊接接頭失效。熱源的重新分配和穩定的焊接工藝等建議對優(you) 化焊接幾何結構至關(guan) 重要。為(wei) 了提高焊接質量，需要進一步研究缺陷的形成機理和組織演變，並提出相應的措施和進一步的驗證。

3.在窄間隙焊接過程中，為(wei) 了在實際工業(ye) 製造中優(you) 化焊接工藝，實現自動焊接，需要對坡口內(nei) 的焊接過程進行實時監控。

來源：Narrow GapWelding for Thick Titanium Plates: A Review， Transactions on Intelligent WeldingManufacturing，10.1007/978-981-13-8668-8_2

參考文獻：Gerhard W, Boyer R, Collings E (1994) Materials properties handbook: titanium alloys. ASM Int USA, pp 13–25，Sun QJ, Wang JF, Cai CW et al (2015) Optimization of magnetic arc oscillation system by using double magnetic pole to TIG narrow gap welding. Int J Adv Manuf Tech 86:761–767