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

摘要

用于航空航天和海洋領(lǐng)域的大型厚鈦合金結(jié)構(gòu)需要接頭完整性來(lái)滿足要求。焊接技術(shù)是連接材料的重要形式，對(duì)厚構(gòu)件的應(yīng)用和推廣起著至關(guān)重要的作用。本文綜述了厚鈦合金焊接中存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)，介紹了自動(dòng)化焊接技術(shù)的工藝特點(diǎn)，并對(duì)今后的工作提出了建議。

研究表明，鎢極氣體保護(hù)焊工藝穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于大型鈦結(jié)構(gòu)的焊接。填充絲激光焊接是一種很有前途的替代傳統(tǒng)制造方法，它具有坡口窄、焊接效率高、熱輸入低等特點(diǎn)，在厚結(jié)構(gòu)焊接方面得到了廣泛的研究。本文討論了側(cè)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(jī)理和抑制措施。未來(lái)的工作將集中在自動(dòng)化焊接過(guò)程控制和參數(shù)優(yōu)化方面。

1， 介紹

厚壁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)、壓力容器、核電建設(shè)和大型化工設(shè)備等領(lǐng)域。先進(jìn)的工程材料及其在海洋工程設(shè)備中的應(yīng)用已十分普遍。鈦合金的結(jié)構(gòu)部件被廣泛使用，盡管其反應(yīng)性很高。它們可以形成堅(jiān)韌的保護(hù)氧化膜，因此具有良好的耐腐蝕性，在低溫下不會(huì)失去韌性，具有良好的蠕變、抗氧化性、高強(qiáng)度重量比和良好的可焊性。加工厚鈦合金的有效技術(shù)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(yīng)用。

圖1 厚鈦合金的應(yīng)用

焊接技術(shù)是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低生產(chǎn)成本的有效途徑，對(duì)厚壁結(jié)構(gòu)的推廣和利用具有重要意義。用于厚板焊接的最常見(jiàn)工藝包括鎢極氣體保護(hù)焊（TIG）、金屬氣體保護(hù)焊（GMAG）、金屬保護(hù)焊（SMAW）、電子束焊接（EBW）和激光束焊接（LBW）。焊接質(zhì)量、顯微組織旋轉(zhuǎn)、焊接缺陷及其控制措施等焊接特性已被廣泛研究。

在焊接這些厚材料時(shí)，傳統(tǒng)的焊接方法需要更多的填充焊絲填充大角度坡口，從而導(dǎo)致較大的焊接變形、較寬的熱影響區(qū)，從而降低接頭性能。相比之下，窄間隙焊接方法采用小角度坡口，可以減少填充焊絲的數(shù)量，減少焊道，提高焊接效率。在眾多焊接技術(shù)中，TIG、LBW和EBW通常用于鈦合金部件的焊接。采用LBW、EBW等大功率電源，實(shí)現(xiàn)無(wú)填充焊絲的深熔焊接，焊接效率高，熱輸入低。這通常會(huì)導(dǎo)致較少的粗晶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械性能。

熱線激光焊接過(guò)程中關(guān)鍵焊接變量的位置關(guān)系

然而，對(duì)于厚焊接結(jié)構(gòu)，由于微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，機(jī)械性能可能沿厚度方向發(fā)生顯著變化，并且已證明受所選焊接工藝參數(shù)和實(shí)際接頭幾何形狀的影響。另一方面，高功率電源和真空環(huán)境的要求限制了其實(shí)際應(yīng)用。另一種方法是將低功率電源與填絲窄間隙焊接相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)多層焊接，這可以調(diào)節(jié)焊縫微觀結(jié)構(gòu)并改善接頭性能。該技術(shù)具有成本低、焊接生產(chǎn)率高、焊接熱輸入低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最適合厚板焊接的方法。窄間隙焊接的過(guò)程控制和缺陷抑制非常嚴(yán)格，以獲得無(wú)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

由于鈦基合金的化學(xué)活性、較高的應(yīng)變硬化和焊縫開(kāi)裂傾向，其加工受到限制。鈦將在250°C的純氫、400°C的氧氣和600°C左右的氮?dú)庵腥紵?。?00°C以上的溫度下，氧氣和氮?dú)庖矊U(kuò)散到鈦中，從而提高抗拉強(qiáng)度，使焊接接頭變脆。此外，氫可以以間隙固溶體的形式存在于鈦晶格中，一些氫化物和氫化物決定了接頭質(zhì)量。熔合區(qū)焊縫開(kāi)裂、沖擊和延展性差的傾向使其容易焊接。此外，鈦合金熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差和粘度大的特性有利于在焊接時(shí)形成較大的熔池，從而導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大、沖擊性能差、延展性差和焊縫開(kāi)裂。因此，鈦合金的焊接對(duì)于控制熱輸入以避免惡化焊接性能的焊接缺陷至關(guān)重要。

本文對(duì)各種焊接方法的窄間隙焊接特性試驗(yàn)研究領(lǐng)域的現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述。總結(jié)了厚鈦合金焊接中存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的措施，為進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)提供思路。

2. 當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 窄間隙GMAW焊接

窄間隙焊接可以在厚板上實(shí)現(xiàn)小橫截面的焊接。高效、高質(zhì)量的電弧焊工藝已廣泛應(yīng)用于制造重型部件。對(duì)于正常的氣體保護(hù)金屬極電弧焊（GMAW）工藝，焊絲從觸點(diǎn)的中心筆直伸出，因此，由于電弧熱量和力集中在底板中，增加了對(duì)底焊道的熔深，并抑制了坡口側(cè)壁的熔化。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致手指狀穿透和側(cè)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(yōu)點(diǎn)。在GMAW焊接大型厚壁結(jié)構(gòu)時(shí)，確保足夠的熔透深度是關(guān)鍵。

窄間隙金屬活性氣體保護(hù)焊系統(tǒng)具有較高的制造效率，用于焊接國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）裝置中使用的AISI 316LN厚板。由于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(rèn)為是提高低溫韌性的關(guān)鍵作用，可與TIG電弧焊接相媲美。

激光束反射實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖

本文研究了保護(hù)氣體成分對(duì)窄間隙MAG焊電弧特性和焊絲熔化特性的影響。在保護(hù)氣體中加入氦氣，呈現(xiàn)碗狀焊道輪廓。側(cè)壁熔合深度隨著氦含量的增加而增加。噴嘴頭的設(shè)計(jì)也可適應(yīng)超窄間隙。厚截面的坡口壁達(dá)到了極限，采用了垂直放置電極的P-GMAW工藝，在坡口內(nèi)每層沉積一條焊道。產(chǎn)生了無(wú)缺陷超窄多道焊。

目前已經(jīng)提出了幾種NG-GMAG方法，如旋轉(zhuǎn)電弧、扭曲和蛇形線工藝，以增加對(duì)槽側(cè)壁的足夠穿透力，這可以有效解決缺乏熔合缺陷的問(wèn)題，并在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

圖2 NG-GMAW焊接旋轉(zhuǎn)電弧系統(tǒng)(D:旋轉(zhuǎn)直徑;N:轉(zhuǎn)速)

NG-GMAW系統(tǒng)示意圖如圖2所示。改進(jìn)的電弧運(yùn)動(dòng)可以增加對(duì)坡口側(cè)壁的熔深，同時(shí)減小截面厚度。從而提高焊縫質(zhì)量，避免底焊道出現(xiàn)指狀熔深。Wang等人優(yōu)化了焊炬結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的關(guān)鍵工藝變量，即坡口側(cè)壁的延伸深度和焊縫表面曲率隨著擺動(dòng)頻率和側(cè)壁停留時(shí)間的增加而增加，焊縫截面厚度減小，焊縫底部形狀由單峰變?yōu)殡p峰。NG-GMAW工藝已成功應(yīng)用于厚鋼和鋁合金的焊接。

為了提高沉積速率，同時(shí)研究了單熔池中雙絲窄間隙焊接的工藝穩(wěn)定性。結(jié)果表明，雙絲窄間隙焊焊縫成形良好。當(dāng)送絲速度大于10m/min時(shí)，側(cè)壁無(wú)咬邊形成。實(shí)驗(yàn)中建立了窄間隙焊接模型和電弧力模型，闡明了焊接參數(shù)對(duì)過(guò)程穩(wěn)定性的影響機(jī)理。隨著焊絲與邊緣距離的減小，焊接過(guò)程的穩(wěn)定性降低。為了保持焊接穩(wěn)定性，焊絲與側(cè)邊之間的距離必須大于2.5 mm。

然而，與TIG焊接工藝相比，GMAW焊接穩(wěn)定性差，熱輸入大。鈦合金的焊接更注重接頭的可靠性和質(zhì)量，而不是焊接效率，因此對(duì)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（TIG）焊接技術(shù)是一種用途廣泛的金屬連接工藝，具有穩(wěn)定的焊接過(guò)程和較低的熱輸入，非常適合于對(duì)熱輸入敏感的鈦合金的焊接。由于熔池較小，側(cè)壁未熔合現(xiàn)象明顯，阻礙了TIG窄間隙焊的發(fā)展。Han等人采用TIG焊接工藝，通過(guò)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，從而改變顯微組織演變和接頭強(qiáng)度。

結(jié)果表明，U型和V型坡口焊縫區(qū)組織基本相同，分別為柱狀β相、針狀和粒狀α相。X型槽的組織為柱狀β相，α相為分散的等軸針狀，晶粒尺寸最小。U型坡口接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最低，X型坡口接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最高。U型槽斷裂以脆性斷裂為主，X型槽斷裂以準(zhǔn)解理斷裂為主。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(jìn)聚變反應(yīng)堆。獲得了無(wú)缺陷接頭，但由于焊縫坡口較大，焊接效率較低。

Cook和Levick提出了熱絲TIG焊接工藝，以解決側(cè)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，由于焊絲電流引起的磁弧吹掃，使得焊接過(guò)程變得不穩(wěn)定。建議使用脈沖電流對(duì)填充線進(jìn)行預(yù)熱，以避免磁打擊。磁吹僅在導(dǎo)線脈沖電流期間產(chǎn)生，在非脈沖期間未發(fā)生磁吹。隨著脈沖周期比的減小，磁吹周期比減小，加工性能沒(méi)有受到太大的損害。

磁場(chǎng)和移動(dòng)電子的相互作用會(huì)產(chǎn)生洛侖茲力，影響焊接電弧形態(tài)，從而將熱能分布在坡口側(cè)壁上。磁弧振蕩可增加焊縫寬度，側(cè)壁熔深明顯增加。1971年，Tseng和Savage首次研究了電磁攪拌，以細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)并提高力學(xué)性能。隨著研究的繼續(xù)，他們發(fā)現(xiàn)在窄間隙焊接中引入磁場(chǎng)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?？梢钥闯?，在磁場(chǎng)作用下，焊接電弧轉(zhuǎn)移到坡口側(cè)壁，這可以抑制側(cè)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(wú)磁場(chǎng);b無(wú)窄坡口磁弧焊;c窄坡口磁弧焊

烏克蘭帕頓電焊研究所首次開(kāi)發(fā)了磁輔助TIG窄間隙焊接裝置，磁場(chǎng)可以有效控制坡口內(nèi)的焊接電弧，并重新分配電弧熱量，增加側(cè)壁穿透。該技術(shù)需要合理、標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝參數(shù)和高精度的裝配。Yu等人使用磁控窄間隙焊接技術(shù)焊接了30和100 mm厚的TC4鈦合金。焊接電弧在磁場(chǎng)作用下可以周期性地實(shí)現(xiàn)橫向振蕩。外加磁場(chǎng)可有效避免側(cè)壁熔合不良的問(wèn)題，通過(guò)振蕩焊接電弧實(shí)現(xiàn)側(cè)壁熔合良好的接頭。電弧擺動(dòng)和電極位置對(duì)焊縫成形和工藝穩(wěn)定性有很大影響。

采用雙磁極以防止側(cè)壁熔合不足，并提高厚部件焊接的效率和質(zhì)量。電弧磁振蕩導(dǎo)致流經(jīng)兩側(cè)壁的電弧電壓和焊接電流發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電弧熱量重新分布。磁場(chǎng)使焊接電弧擺動(dòng)，將更多的熱量帶入側(cè)壁，確保側(cè)壁熔透。結(jié)果表明，溝槽側(cè)壁完全熔化，形成了良好的接頭。

此外，Kobayashi等人開(kāi)發(fā)了一種高效TIG焊接方法，該方法在一個(gè)焊炬內(nèi)使用兩個(gè)電極。該工藝在槽壁中產(chǎn)生了一致的穿透力和較高的沉積速率，非常適合用于建造大容量LNG儲(chǔ)罐和厚壁壓力容器。同時(shí)，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 不同焊接位置的脈沖電流控制

圖5和圖6顯示了不同焊接位置的電弧特征和電流控制。利用這項(xiàng)技術(shù)，成功地焊接了190mm厚的鈦板。此外，開(kāi)發(fā)了雙絲工藝以提高沉積速率。獲得了稀釋度較低、熱影響區(qū)較小、熔覆質(zhì)量較好的焊縫，這也有可能用于焊接厚板。Lassaline和North報(bào)告了雙絲焊接的沉積速率高于單絲焊接，并解決了缺乏熔合缺陷的問(wèn)題。

圖7 旋轉(zhuǎn)鎢極氬弧焊工藝的電弧特性

然而，由于槽邊較大，限制了該方法的應(yīng)用范圍。旋轉(zhuǎn)鎢電極設(shè)計(jì)用于窄間隙焊接，如圖7所示。周期性旋轉(zhuǎn)電弧可以改善側(cè)壁熔合，并持續(xù)攪拌熔池。在垂直位置的窄間隙焊接中，確保了側(cè)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復(fù)雜的焊接裝置，這會(huì)導(dǎo)致焊接效率低，并有可能形成缺乏熔合的缺陷。另一方面，大的殘余應(yīng)力、變形和不良的接頭強(qiáng)度已成為制約窄間隙焊接技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。因此，進(jìn)一步壓縮坡口寬度和引入高能束熱源對(duì)提高焊接效率和質(zhì)量是必要的。

2.3 使用填充焊絲的窄間隙激光焊接

與傳統(tǒng)的弧焊技術(shù)相比，激光熱源在厚板焊接中具有許多優(yōu)點(diǎn)，如能量密度集中、焊接速度快、熱影響區(qū)窄、熱變形小。然而，窄間隙激光焊接的一些缺點(diǎn)，如激光光斑小、激光與焊絲/電弧的對(duì)準(zhǔn)能力差、焊接飛濺等，也亟待解決。熱絲激光焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 熱絲激光焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用填充焊絲的窄間隙激光焊接是一種結(jié)合了窄間隙焊接和激光焊接優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)，被認(rèn)為是最適合厚板焊接的方法。該工藝具有填充量小、熱影響區(qū)窄、電源低等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高厚板焊接質(zhì)量。激光焊接技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是，它與相對(duì)較高的冷卻速率有關(guān)，與弧焊技術(shù)相比，這導(dǎo)致開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加，顯微硬度更高。為了解決這一焊接缺陷，一些研究人員建議采用預(yù)熱來(lái)防止凝固裂紋的形成。預(yù)熱可以減輕周?chē)M織的約束，降低焊縫中的熱梯度，減緩冷卻速度。

此外，Karhu和Kujanp?在下道次中使用了大量熱輸入來(lái)消除熱裂紋。然而，這種方法有惡化焊縫微觀結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，浪費(fèi)了大量的熱輸入。Elmesalamy等人報(bào)告，與電弧焊相比，當(dāng)從兩側(cè)焊接20 mm厚的AISI 316L級(jí)不銹鋼板時(shí)，添加填充絲的窄間隙激光焊接的焊道數(shù)從43個(gè)減少到20個(gè)。與GTA焊接相比，窄間隙激光焊接的殘余應(yīng)力通常降低30–40%。然而，填充焊絲的引入使焊接過(guò)程變得復(fù)雜。在超窄間隙激光焊接中，激光功率、焊接速度和送絲速度等工藝參數(shù)及其相互作用對(duì)控制焊接質(zhì)量具有重要意義。

統(tǒng)計(jì)建模和多變量?jī)?yōu)化用于消除空洞和缺乏熔合缺陷。工藝參數(shù)優(yōu)化如圖9所示。研究了輸入?yún)?shù)與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(shù)，獲得了缺陷較少的接頭。

圖9 焊絲激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

Phaoniam等人開(kāi)發(fā)了一種用于窄間隙焊接的高效熱絲激光混合工藝，發(fā)現(xiàn)熱絲激光焊接能夠在母材稀釋度非常低的情況下產(chǎn)生完整的焊接熔敷。熔池反射的激光能量是實(shí)現(xiàn)側(cè)槽壁熔化的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)中研究了工藝穩(wěn)定性和參數(shù)優(yōu)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(guī)則的最終焊縫表面拓?fù)?。通過(guò)對(duì)電線進(jìn)行電預(yù)熱，可以實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)濕條件，該技術(shù)顯示出很高的潛力。

此外，熱絲增加了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，改善了焊縫形成，同時(shí)減少了焊接過(guò)程中的總能量輸入，從而提高了能量使用效率。在熱絲激光焊接過(guò)程中，與冷絲激光焊接相比，最大節(jié)能16%。圖10顯示了填充焊絲激光焊接的坡口尺寸和焊接接頭橫截面。

圖10 用焊絲進(jìn)行激光焊接的焊接接頭截面

為了克服未熔合的問(wèn)題，Yu等人嘗試使用更多的激光束能量來(lái)熔合凹槽的側(cè)壁并增大熔池的尺寸，發(fā)現(xiàn)可以使用相對(duì)較小的凹槽來(lái)抑制未熔合缺陷。他們采用改進(jìn)型噴嘴，可在坡口內(nèi)，毛細(xì)管力可通過(guò)側(cè)面保護(hù)氣體的壓力來(lái)平衡，從而避免焊縫底部出現(xiàn)凹面彎月面。凹形彎月面有利于形成無(wú)缺陷接頭。

實(shí)驗(yàn)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(guò)振蕩激光焊接直接加熱間隙底部附近。然而，一些焊絲碎片可能以固態(tài)形式落入熔池中，導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定和焊絲成分偏析。當(dāng)激光束振蕩寬度低于間隙寬度時(shí)，可通過(guò)間隙的上邊緣（試樣前表面）避免激光束干擾?0.5毫米。

圖11 振蕩激光對(duì)珠表面寬度的影響

他們認(rèn)為，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）熔化焊絲。激光振蕩光束可以擴(kuò)大焊縫寬度和淺焊縫熔深，以避免缺乏坡口側(cè)壁熔合和指狀熔深，這對(duì)于窄間隙焊接更為可取。另一方面，由于攪拌作用，束流振蕩改善了焊縫形貌，促進(jìn)了熔合區(qū)等軸晶的形成。隨著焊縫形態(tài)缺陷的減少和等軸晶粒的增加，塑性增加。Li等人還發(fā)現(xiàn)，激光束振蕩可以有效提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，抑制氣孔的形成。

Dahmen等人采用雙激光束焊接20 mm板材，形成了無(wú)未熔合和氣孔的焊接接頭。雙光束激光焊接可通過(guò)改變光束間距和激光功率比靈活調(diào)節(jié)焊接溫度和焊縫外觀。雙光束激光焊接的冷卻速度大大低于單光束工藝，這有助于改善焊縫微觀結(jié)構(gòu)。本文研究了填充焊絲雙光束激光焊接中光束結(jié)構(gòu)對(duì)焊絲熔化和轉(zhuǎn)移行為的影響，結(jié)果表明，具有最小轉(zhuǎn)移周期和臨界熔滴尺寸的并排結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移穩(wěn)定性優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)。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坡口側(cè)壁的干擾，保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定。

Wang等人采用YLS-5000 W光纖激光器，通過(guò)多道次窄間隙方法焊接12 mm TC4板。結(jié)果表明，鈦合金激光焊接過(guò)程中的主要缺陷是未熔合和氣孔，優(yōu)化工藝參數(shù)可以提高接頭質(zhì)量。有趣的是，與TIG焊接工藝相比，激光焊接的焊接效率顯著提高。熔合區(qū)組織由β柱狀晶和網(wǎng)狀馬氏體αr相組成。熱影響區(qū)晶粒明顯細(xì)化。部分轉(zhuǎn)變的熱影響區(qū)由馬氏體αr相、轉(zhuǎn)變?chǔ)料嗪娃D(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成。此外，焊縫金屬和熱影響區(qū)的顯微硬度高于母材，且硬度在焊縫金屬附近的熱影響區(qū)達(dá)到峰值（表2）。

表2 焊絲窄間隙激光焊接的研究現(xiàn)狀

窄間隙激光焊接被認(rèn)為是最適合厚壁結(jié)構(gòu)的焊接方法。上述研究證明，可以獲得無(wú)缺陷、性能優(yōu)良的焊接接頭。

2.4 窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接

激光-電弧復(fù)合焊接結(jié)合了激光和電弧熱源的優(yōu)點(diǎn)，如能量密度高、焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊接適應(yīng)性好等。激光-MIG/MAG復(fù)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(diǎn)，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，但復(fù)合焊接工藝對(duì)厚板的適應(yīng)性較低。

由于空間約束效應(yīng)，窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接的熔深比開(kāi)放空間焊接的熔深高10–22%。受限空間通過(guò)減少熱損失提高了傳熱效率，增強(qiáng)了保護(hù)氣體的流動(dòng)強(qiáng)度，抑制了激光誘導(dǎo)等離子體的膨脹，提高了激光能量的吸收率。

Li等人比較了30 mm厚板的激光填絲焊接和混合激光GMAW焊接，采用多層、多道焊工藝。結(jié)果表明，在采用填充焊絲的窄間隙激光焊接過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)夾渣和氣孔缺陷，其位置符合一定的規(guī)律。徹底清理焊道可以減少這些缺陷的發(fā)生。激光-電弧復(fù)合焊接工藝明顯改善了這些缺陷，因?yàn)檩^小的窄坡口降低了熔滴過(guò)渡頻率或使熔滴粘附在側(cè)壁上。

激光MAG接頭的焊接強(qiáng)度和顯微硬度高于母材。焊接速度可達(dá)9m/min，復(fù)合焊接接頭具有良好的強(qiáng)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。在脈沖激光和脈沖TIG的攪拌作用下，針狀αr呈松散、不規(guī)則分布。鋁、錳含量穩(wěn)定，無(wú)組分偏析。

激光-電弧復(fù)合焊接的坡口形狀、尺寸和工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量有很大影響。復(fù)合焊接工藝的最大焊接深度由激光功率決定。到目前為止，厚型鋼激光焊接的大多數(shù)研究工作僅限于35–40 mm的厚度，主要基于約20 kW的CO2激光器。在超高功率電源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，高達(dá)32 kW的盤(pán)式激光系統(tǒng)和高達(dá)100 kW的光纖激光系統(tǒng)已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，目前已成為與更厚截面焊接（高達(dá)約100 mm）相關(guān)的激光混合焊接研究的基礎(chǔ)。

Nielsen報(bào)告了高功率激光混合焊接在重金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中面臨的挑戰(zhàn)和前景。較厚結(jié)構(gòu)的激光復(fù)合焊接工藝的主要問(wèn)題是缺陷控制，即消除裂紋和減少氣孔。通過(guò)添加填充絲和優(yōu)化接頭幾何形狀解決了這一問(wèn)題。通過(guò)32 kW圓盤(pán)激光-MIG混合焊接，從兩側(cè)采用I型對(duì)接接頭，獲得了40 mm結(jié)構(gòu)鋼（表3）。

表3 TC4厚板窄間隙TIG焊接、激光- mig焊接和填充絲激光焊接的比較

Su研究了激光-MIG復(fù)合焊接接頭的組織演變和機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)隨著焊接熱輸入的增加，馬氏體厚度從0.49μm增加到0.82μm。多道焊時(shí)，焊縫經(jīng)歷的不同層間熱循環(huán)次數(shù)和重熔次數(shù)較多，焊縫抗拉強(qiáng)度較高，抗沖擊性較低，斷裂方式由韌性斷裂向混合斷裂轉(zhuǎn)變。Cao發(fā)現(xiàn)，與單次TIG焊接相比，鈦合金的激光-TIG復(fù)合焊接可以細(xì)化熔合區(qū)晶粒內(nèi)的晶體并增加針狀α相，但復(fù)合焊接的熱影響區(qū)寬度略大于TIG焊接，如圖12所示。

圖12 自動(dòng)送絲實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在三種厚度（12、15和18mm）下，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，采用混合焊接實(shí)現(xiàn)了鈦板的對(duì)接焊接。焊縫的所有抗拉強(qiáng)度可高達(dá)母材的95%。然而，隨著板厚的增加，接頭的塑性降低。這是因?yàn)槎嗟篮傅臒岱e累導(dǎo)致了焊接區(qū)晶粒尺寸的增長(zhǎng)。由于激光-電弧復(fù)合焊接工藝具有焊接效率高、全位置焊接和更好的焊接質(zhì)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)有吸引力的替代品。

混合激光弧焊可用于使用較少焊道數(shù)焊接中薄板，從而減少焊接變形。激光-電弧復(fù)合焊接的主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)和船舶制造行業(yè)，在這些行業(yè)中，大量金屬部件被焊接以制造輕型或重型車(chē)輛和船舶。然而，對(duì)于大型厚板焊接，通常采用單道焊接厚度。焊縫熔深主要取決于激光功率，限制了其在厚板焊接中的應(yīng)用。圖13比較了不同焊接工藝下TC4接頭的橫截面。

圖13 TC4接頭截面:窄間隙TIG焊;b laser-MIG焊接;C激光焊絲焊接

3 厚板焊接中的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

3.1 缺乏融合

在厚板窄間隙焊接過(guò)程中，應(yīng)避免因缺少側(cè)壁熔合缺陷而大大降低接頭質(zhì)量。該缺陷的發(fā)生可歸因于焊接過(guò)程不穩(wěn)定或坡口間隙過(guò)大。熔合區(qū)凝固速度快，液態(tài)金屬流動(dòng)性差，導(dǎo)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(dǎo)致缺乏熔合缺陷。這種缺陷與坡口參數(shù)、焊接參數(shù)和材料性能密切相關(guān)。在大多數(shù)情況下，該缺陷形成于相鄰層之間的界面。

在后續(xù)堆焊過(guò)程中未重新熔化的填充金屬會(huì)導(dǎo)致這些缺陷的形成。此外，它還出現(xiàn)在填充金屬和基板之間的側(cè)壁上。加熱源不能有效熔化凹槽側(cè)壁，導(dǎo)致側(cè)壁未熔合缺陷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熔敷金屬的凹面凝固表面是消除缺陷的最有效方法。本文建立了基于量綱分析法的定量模型來(lái)預(yù)測(cè)焊縫內(nèi)未熔合的情況。在槽的約束下，增加熔池內(nèi)的向下流動(dòng)可以形成凹面凝固表面。另一方面，降低熔池邊緣的固液表面張力，可以減小坡口側(cè)壁與熔池之間的表面潤(rùn)濕角，從而導(dǎo)致焊縫表面產(chǎn)生更深的凹坑。

為了克服這種焊接缺陷，研究人員提出了一些新方法，如改進(jìn)的保護(hù)氣體成分、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(diǎn)是，這些改進(jìn)方法可以將焊接熱重新分配到側(cè)坡口或減小坡口寬度。隨著側(cè)壁熱輸入的增加，側(cè)壁與熔池之間的潤(rùn)濕能力增強(qiáng)，表面形貌得到改善。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷焊接接頭。

3.2 孔隙度

在鈦合金焊接過(guò)程中，由于氫的存在、污染和工藝參數(shù)不當(dāng)，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(wèn)題是焊縫氣孔。氣孔可以是一種或兩種類(lèi)型的混合物：第一種是凝固過(guò)程中枝晶臂內(nèi)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(qiáng)調(diào)，高能束焊接過(guò)程中小孔的行為對(duì)于氣孔的形成至關(guān)重要。小孔不穩(wěn)定性有時(shí)會(huì)導(dǎo)致孔隙率，而小孔不穩(wěn)定性的機(jī)理非常復(fù)雜，至今尚未得到充分的理解。在凝固階段使用填充絲進(jìn)行窄間隙激光焊接時(shí)，熔池中的氣體不斷擴(kuò)散到氣泡中，導(dǎo)致氣泡壓力增大，形成大氣泡。

隨著溫度的降低，凝固速率大于氣體的浮動(dòng)速率，因此，部分氣泡無(wú)法從熔池中逸出，然后在焊縫金屬中形成氣孔。氣孔的形成與焊接參數(shù)有很大關(guān)系，且在焊接接頭中呈隨機(jī)分布。這被稱為冶金孔隙率，與不穩(wěn)定鎖孔產(chǎn)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(fù)面影響可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，并減少機(jī)械性能的有效面積。為了實(shí)現(xiàn)更安全、更長(zhǎng)壽和更完整的焊接，研究人員還提出了一些抑制氣孔的策略。有幾種實(shí)用方法可用于減少和消除小孔不穩(wěn)定性引起的孔隙度，包括工藝優(yōu)化、降低環(huán)境壓力條件的應(yīng)用和光束調(diào)制。通常情況下，氫氣和清潔度對(duì)于消除冶金孔隙至關(guān)重要。焊接前，基板和填充絲必須徹底脫脂。此外，必須使用最高純度的保護(hù)氣體。

3.3 顯微組織劣化和焊接變形

在窄間隙焊接過(guò)程中，鈦合金經(jīng)歷了劇烈的擴(kuò)散和凝固過(guò)程，產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致嚴(yán)重變形甚至開(kāi)裂。焊接區(qū)和HAZ區(qū)域可能出現(xiàn)冷裂紋。裂紋是沿晶開(kāi)裂，并且被認(rèn)為部分是β-α相變期間體積變化的結(jié)果，再加上延展性降低。嚴(yán)格控制氫含量和真空退火處理是防止開(kāi)裂的有效方法。另一方面，焊接工藝參數(shù)、焊接材料和防護(hù)措施對(duì)焊接質(zhì)量影響很大。鈦合金較窄的凝固范圍和相變動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致熔合區(qū)出現(xiàn)大晶粒。

大型鈦合金構(gòu)件的顯微組織和焊接缺陷制約著其焊接。焊接收縮時(shí)，殘余應(yīng)力在冷卻的最后階段產(chǎn)生，殘余應(yīng)力的分布極大地影響接頭的疲勞性能。根據(jù)約束程度，結(jié)構(gòu)可能會(huì)明顯變形，從而阻礙進(jìn)一步的焊接過(guò)程或裝配。許多技術(shù)用于限制焊縫變形的發(fā)展，包括減少熱輸入、優(yōu)化坡口尺寸、焊接和加工順序、跟蹤超聲波振動(dòng)和使用熱處理。在這些方法中，最常用的是減少熱輸入和優(yōu)化坡口尺寸，以減少厚板焊接過(guò)程中的焊接變形。

鈦及其合金容易受到大氣污染，并且隨著溫度的升高，晶粒長(zhǎng)大，這兩種情況都會(huì)對(duì)焊接接頭的機(jī)械特性有害。焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于冷卻速度。冷卻速率為525至1.5°C/s?1導(dǎo)致馬氏體相變、塊狀相變和擴(kuò)散相變。410°C以上的冷卻速率?1導(dǎo)致完全馬氏體微觀結(jié)構(gòu)，在410和20°C之間觀察到大量相變?1，這種轉(zhuǎn)變逐漸被擴(kuò)散控制的魏氏狀態(tài)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保護(hù)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(xì)。細(xì)小的晶粒有利于焊縫性能的提高。轉(zhuǎn)變的性質(zhì)主要取決于焊接過(guò)程中合金的冷卻速度和轉(zhuǎn)變特征。特定位置的熱循環(huán)取決于焊接工藝和焊接位置相對(duì)于焊縫中心線使用的工藝參數(shù)。通常，對(duì)于鈦合金，熱影響區(qū)可根據(jù)βtransus溫度分為近熱影響區(qū)和遠(yuǎn)熱影響區(qū)。近熱影響區(qū)的溫度大約高于β晶區(qū)溫度，低于液相線溫度，而遠(yuǎn)熱影響區(qū)的溫度低于β晶區(qū)溫度。

因此，熱影響區(qū)經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)，導(dǎo)致組織呈現(xiàn)梯度特征，形成一系列不平衡相。當(dāng)熔合線溫度高于βtransus溫度時(shí)，由于較快的冷卻速度，形成馬氏體或魏氏組織。遠(yuǎn)離熔合線時(shí)，發(fā)生大量再結(jié)晶，晶粒尺寸不均勻，導(dǎo)致機(jī)械性能波動(dòng)。另一方面，焊接熱輸入隨焊接工藝的不同而變化，改變了熱影響區(qū)的加熱速率、保溫時(shí)間和冷卻速率，從而導(dǎo)致組織的比例和形態(tài)不同。因此，熱影響區(qū)與母材之間存在較大的顯微組織差異，尤其是近熱影響區(qū)是焊接接頭的最薄弱區(qū)域。

多道焊的熔合區(qū)晶粒尺寸大致與焊道數(shù)成正比，因?yàn)闊崃坷鄯e和第二次熱循環(huán)使凝固結(jié)構(gòu)重新熔化。許多方法用于減小柱狀物的尺寸，如脈沖交流電、磁振蕩、振動(dòng)和孕育劑。這些方法可以提高熔合區(qū)的延性和疲勞性能。

4. 結(jié)論

在航空、航天和導(dǎo)航領(lǐng)域，大型和厚實(shí)部件，尤其是鈦合金的焊接是實(shí)現(xiàn)輕量化和集成化制造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著結(jié)構(gòu)件和性能的快速發(fā)展，大型鈦結(jié)構(gòu)件焊接的難點(diǎn)在于：構(gòu)件厚度的增加、焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及對(duì)焊接質(zhì)量和性能的高要求。從目前窄間隙焊接的研究現(xiàn)狀來(lái)看，鈦合金窄間隙焊接面臨的挑戰(zhàn)主要是解決焊接缺陷、控制焊接應(yīng)力和提高效率。得出以下結(jié)論和未來(lái)范圍：

1.TIG焊接可能是焊接鈦合金最常用的工藝，因?yàn)樗哂械蜔崃枯斎牒秃附臃€(wěn)定性。但其焊接效率低，焊接設(shè)備復(fù)雜，焊接材料多，限制了其應(yīng)用。采用填充焊絲進(jìn)行激光焊接可以明顯提高焊接效率，但需要提高焊接穩(wěn)定性以避免焊接缺陷。激光窄間隙焊接技術(shù)在大型結(jié)構(gòu)件的焊接中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.為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(wěn)定的焊接工藝等建議對(duì)優(yōu)化焊接幾何結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。為了提高焊接質(zhì)量，需要進(jìn)一步研究缺陷的形成機(jī)理和組織演變，并提出相應(yīng)的措施和進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3.在窄間隙焊接過(guò)程中，為了在實(shí)際工業(yè)制造中優(yōu)化焊接工藝，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，需要對(duì)坡口內(nèi)的焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

來(lái)源：Narrow GapWelding for Thick Titanium Plates: A Review， Transactions on Intelligent WeldingManufacturing，10.1007/978-981-13-8668-8_2

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