媒介

钛合金拥有密度幼、比强度高、耐蚀性好、可焊性好、凹凸温机能不变、热导率低等特点，在设备造作、航空、航天、海洋、电力、化工等领域的利用越来越宽泛[1]。随着深海领域设备、深潜器、海底无人科学尝试站及其他特种技术设备的发展，钛合金结构件的厚度需要也不休增长，因而，若何高效、高质量、低成本地实现大厚度（≥25mm）钛合金焊接一向是多多学者不休钻营的指标。

1、常用大厚度钛合金焊接技术近况

在大厚度钛合金焊接技术方面，选取传统的焊接技术，往往必要开较大的坡口，且填充次数多、填充金属多，造成焊缝宽度大、焊接变形大、焊接效能低等现实问题[2]。随着窄间隙思想与高能束作为焊接热源思路的提出与利用，各类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。文中以文件[3－5]对窄间隙焊接和超窄间隙焊接给出的界说为基础，依照焊缝间隙和加工坡口大幼，将目前国内表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）的工作道理是将难熔迪胧钨或铈钨作为电极，用氦气或氩气来进行焊接过程
；さ囊恢值缁『覆街。焊接过程中，电弧在电极与焊件之间点火，利用氩气或氦气断绝大气，预防焊件受大气中Ｏ2，Ｎ2，Ｈ2等气体分子的影响。其拥有焊接过程不变、焊接成形美观、焊后综合力学机能好、操作单一、易于实现自动化蹬着点，是钛脊合金常用的焊接步骤之一，理论上可焊接肆意厚度
；但思考焊接效能、焊接填充量与焊接成本，通常当焊件厚度＞50mm时，不宜用传统TIG焊步骤 进行焊接。

1.1.2　传统MIG焊

溶解极氩弧焊（MIG）是以填充焊丝作为电极，
；て咫财蚝て优缱熘幸钥隙ㄋ俣攘鞒，将电弧溶解的焊丝、熔池及左近的焊件金属与空气断绝，杜绝其有害作用，获得优良的焊缝。与TIG焊相比，MIG焊焊接电流大、熔敷效能相对较高、焊接填充层数少、焊接效能高、成本低，因而，大厚度钛合金焊接也常选取传统MIG焊技术。但MIG焊存在飞溅大、焊缝成形成效差、焊接热输入大、焊接质量较低等问题
；另表，MIG焊时填丝较多，要求焊接坡吵嘴度比TIG焊更大
；思考焊接成本、质量等成分，在板厚＞50mm时，通常不宜用传统MIG焊步骤进行焊接。

1.2　窄间隙幼坡口焊接

窄间隙幼坡口焊接拥有以下特点：①多选取Ｉ形、Ｕ形或双Ｕ形坡口
；②多层少路（1～3路）焊接
；③高低焊接路数险些一致，焊缝宽度一致性高
；④多选取热输入幼的焊接技术进行焊接
；⑤焊缝最大间隙有限度，见表1。现有的窄间隙焊接技术种类多，且每种焊接步骤都有各自的特点，文中仅列出大厚度钛合金窄间隙焊接目前比力常用的几种焊接步骤。

1.2.1　窄间隙TIG焊

（1）窄间隙热丝TIG焊

窄间隙热丝TIG焊通常选取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肯定温度（钛合金焊丝通常加热至300～500℃），从而提高其熔敷效能，实现提高焊接效能的主张。目前，热丝ＮＧ－TIG的钻研重要集中在设备研造、窄间隙坡口、焊枪的设计，以及在特定领域的利用[6]。此表，凭据钨极是否摆动，国内将热丝ＮＧ－TIG设备分为3种类型，别离为单路不摆动、单路摆动、双路摆动。国表则是凭据焊枪类型及加热电流的分歧，也将其分为3种，别离为通常式、（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]的钻研批注，窄间隙坡口的大局对热丝ＮＧ－TIG的焊接质量尤为沉要，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），该步骤能够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能，加快焊接速度，并且其焊缝质量好，不产生飞溅，经济机能好。

（2）窄间隙双钨极TIG焊

双钨极TIG电弧复合焊（ｔｗｉｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅTIG），于1998年由日本钻研人员Ｙａｍａｄａ等人初次提出[11]，因其选取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、沉力等力的相互作用下产生电弧耦合，使得电弧沿宽度方向产生扩大，增长了电弧宽度，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。并且，耦合的电弧能量提升，焊接速度也有所提升，能够提高焊接过程中的熔敷效能。

Ｋｏｂａｙｓｈｉ等人[12]及冷雪松[13]的钻研了局批注，双钨极氩弧焊不仅能够大幅提高焊接熔敷效能，也能够提高其焊接速度，在高速焊接时，焊接熔池液面不变，同时也降低了咬边和驼峰等成形缺点出现的概率。洛阳船舶资料钻研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
；并进行了全地位钛合金厚板窄间隙焊接试验，发显熹熔敷效能提升将近４倍，焊后无损检测和力学机能均满足钛合金厚板焊缝Ｉ级尺度。

（3）磁控窄间隙TIG焊

磁控窄间隙TIG焊是通过在焊枪前端增长偏转线圈，在焊接过程中，通过扭转焊接电流，从而获得交变的磁场，使等离子体在洛伦兹力的作用下产生偏转，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。

文件[1４]研发了一种结构单一的磁控窄间隙TIG焊机，其安插示意图如图3ａ所示，该焊机结构单一，改装方便，在肯定水平上推动了磁控ＮＧ－TIG焊接技术的发展。文件[7，15]的钻研发现：磁场的引入能够在肯定水平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，并且磁场的引入，对熔池起到肯定水平的搅拌作用，使得焊接接头的焊缝组织更均匀、力学机能越发优异。焊接过程示意图如图3ｂ所示。

1.2.2　窄间隙MIG焊

窄间隙溶解极气体
；ず福ǎ危牵璏IG）是焊接大厚板的一种高效焊接步骤，在利用中占有很高的比例。选取单面焊可焊接20～305mm迪胙合金厚板，选取双面焊最大焊接厚度可达560mm
；其坡口重要选取Ｉ形，明灿等人[16]提出在Ｉ形坡口的基础上，设计一个较幼角度（0.5°～1.5°）的反变形能够得到成形优良的焊缝。但从经济及操作难易水平上来思考，最合用的板厚为20～50mm。

钛合金厚板的焊接通常选取低热输入ＮＧ－MIG，其拥有焊接电流低、熔池幼、焊丝直径幼、导电嘴可达性好、坡口间隙。6～9.5mm）等特点。但由于热输入低、焊接熔池幼，在焊接过程中容易产生侧壁未熔合景象，造成焊接质量缺点。为相识决侧壁未熔合问题，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，极大地推进了其在大厚度钛合金焊接方面的发展与利用。

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，使焊丝与母材产生消融后填充在窄间隙内部，达到焊接的主张。其拥有焊接能量密度高、热输入幼、速度快、变形幼、扰装响区窄等特点，已成为大厚度钛合金结构件造作的关键技术之一[17]。但是，由于激光束斑直径幼、束斑地位能量高、存在匙孔等景象，使得其在大厚度填丝焊过程中比窄间隙TIG，MIG焊等越发容易产生侧壁未熔合和气孔等缺点。

Ｚｈａｎｇ等人[18]发现激光功率和填充量是影响焊缝成形的关键成分。为相识决侧壁未熔合和气孔等缺点，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]的钻研了局批注，当摆动幅度和频率在肯定领域内时，激光束对熔池拥有肯定的搅拌作用，能够抑造晶粒的成长，得到细化的晶粒组织，且接头成形优良、气孔少，力学机能优异，进一步推进了其发展。

1.2.４　窄间隙潜弧焊

窄间隙潜弧焊（ＮＧ－ＳＡＷ）与其他电弧焊的分歧点是电极产生的电弧在母材表表以下，位于
；て宕盗偷缁×Φ暮狭Σ目涨荒诓，使得其能量利用率高，焊接效能极度高。其首先呈此刻20世纪80年代，已经出现，就迅速利用于大厚度金属构件的焊接过程中，尤其是压力容器、沉型机械、海洋工程和压力管路等，可焊厚度可达700mm，能够实现高效能、低成本焊接。美国ＡＭＥＴ公司、Ｌｉｎｃｏｌｎ和英国Ｍｅｔａ公司合作[22]，发了然一种带激光扫描跟踪的精密窄间隙双丝潜弧焊焊机头。在保障高速焊接的前提下，能够提高焊接不变性，从而保障焊接质量，在肯定水平上推进了其发展。

固然ＮＧ－ＳＡＷ可焊厚度领域大，但其存在焊接热输入大、接头的塑性和韧性差、焊接建补难题、装配精度要求高、必要专用焊剂、焊接地位受限性大等缺点，限度了其在大厚板尤其是钛合金大厚板方面的利用。陈国庆等人[23]钻研了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％，其断裂地位均产生于焊缝中心粗壮的柱状晶区。都强等人[2４]通过在6４mm厚的ＴＡ15潜弧焊双面焊接过程中增长ＴＡ1纯钛中央层填充板，得到了焊缝成形优良、塑性好的焊接接头，为ＮＧ－ＳＡＷ在大厚板钛合金焊接利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粹者Ｓｔｅｅｎ于20世纪80年代初首先提出，其道理重要是通过将性质、能量类型齐全分歧的2种热源结合在一路
；激光束能够改善焊缝成形成效，而电弧焊能够添补激光焊的装配精度限度、削减裂纹和气孔率[25]，提高母材的搭桥能力，增长其工程合用性，达到优良的协同加强成效，其道理示意图如图5所示。

Ａｕｂｅｒｔ等人[26]选取窄间隙激光－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
；萍醄27]使用15ｋＷＣＯ2激光器实现了36mm厚低碳钢的窄间隙激光－TIG复合焊接，仅需7层填满全数焊缝，但接头存在未熔合缺点。

激光与TIG电弧复合焊拥有诸多优势，选取窄间隙激光－TIG复合焊技术是提升大厚度接头焊接造作水平的有效蹊径和关键步骤[28]。但是，从现实情况来看，当前激光－TIG复合焊技术还专一于单层、薄板、中厚板、分歧资料等焊接利用领域，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不足系统的机理钻研。

（2）窄间隙等离子。璏IG复合焊

窄间隙等离子。璏IG复合焊是在等离子。璏IG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。其焊接道理是：在焊接时，通过将等离子。璏IG焊枪深刻窄间隙坡口内部，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优良的加热，摆动的MIG电弧溶解焊丝和母材，使得其焊接效能大幅提高，相迸宗窄间隙MIG焊，其焊接速度能够提高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、操作单一、焊接质量越发靠得住。另表，等离子。璏IG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，削减焊接气孔等缺点，提高焊接质量[29]，使得其越发适合大厚度非铁金属的焊接，在大厚度钛合金焊接方面拥有宽泛的利用远景。目前，国内表关于大厚度钛合金窄间隙等离子－MIG电弧复合焊技术的钻研较少，其技术的利用与改进重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）是利用加快和聚焦的高速电子束流轰击焊件接缝处产生的热能，使金属溶解的一种焊接步骤，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有其他焊接方式不成比力的优势：①焊接功率密度大，比通常电弧功率密度高100～1000倍[30]
；②穿透能力强，可一次性焊透25～200mm（单面）迪胙合金特厚板[31]
；③焊接速度快，热输入低，焊后变形幼，接头机能好
；④焊缝纯度高，能够预防熔合金属受到Ｏ，Ｎ，Ｈ蹬仔害元素的传染等。

ＥＢＷ初次利用于美国大型客机发起机———ＣＭＦ56涡扇发起机。由于电子束焊接热源的属性问题，电子束焊存在好多弊端：必要抽真空、设备成本高、装配要求严格、真空室限度大、焊缝的韧性低、设备操作难度大等。注定了其合用领域不像传统焊接那么宽泛。固然近年来部门真空电子束焊（ＮＶ－ＥＢＷ）技术发展迅速，但由于受其引出窗技术及焊件与束流间距的限度，目前整体发展趋向较为缓慢，重要还停顿在尝试室阶段。

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，初次报路于2000年。因其热输入低、间隙幼、焊接扰装响区的塑韧性危险极幼、焊缝组织藐幼、焊接效能高、成本低等使其拥有很大的技术优势。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能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、焊枪造作、焊接参数等要求比力高。由于其间隙比力窄，其高温区的高效焊接
；ぜ际酢⒑附庸痰缁〖叭鄢匦形牟槐湫浴⒑阜旄偌际跤写缆涂。目前ＵＮＧ－ＭＡＷ技术只在高强度钢、超细晶粒焊接领域蹬爪用比力多，在钛合金厚板焊接领域鲜有报路，拥有宽泛的利用远景。

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步骤，相迸宗传统电弧焊来说，其拥有指向性好、能量密度大、焊接速度快、窄间隙适应性强蹬着势
；相迸宗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单一得多。

固然方乃文等人[32]对96mm厚ＴＣ４钛合金板超窄间隙激光填丝焊进行了钻研，并得到了无缺点、组织和力学机能优良的焊接接头，如图6所示，但目前，将ＵＮＧ－ＬＢＷ技术利用于大厚度钛合金产品的焊接还未见有关报路，重要由于其工艺参数及其不不变、激光－焊丝之间的相对地位及坡口加工精度要求比力刻薄等原因，导致其重要还停顿在尝试室阶段。

2、结论与瞻望

通过目前国内表对于大厚度钛合金的焊接技术的钻研得出，分歧的焊接特点与其未来发展趋向息息有关：

（1）传统TIG，MIG焊：焊接效能低、焊接过程费时、费劲
；但其工艺不变、设备单一、操作单一、合用性强，在大厚度钛合金焊接中起着不成代替的作用。

（2）ＮＧ－ＬＢＷ，ＵＮＧ－ＬＢＷ，ＥＢＷ都拥有能量密度高、热输入幼、焊接速度快、焊接变形幼、扰装响区窄蹬着点。但ＵＮＧ－ＬＢＷ，ＮＧ－ＬＢＷ在填丝焊过程中比窄间隙TIG，MIG等越发容易产生侧壁未熔合和气孔等缺点，并且其设备价值较高，出产合用性较差
；ＥＢＷ在大厚度钛合金焊接过程中无需填丝，一次可焊接厚杜纂焊接效能最高，但真空室与价值，限度了其使用领域。

（3）ＮＧ－ＳＡＷ，ＵＮＧ－MIG都拥有焊接效能高、成本低的利益
；但是，潜弧焊存在必要清渣、必要专用焊剂、只能进行横焊、焊接质量低等弊端
；ＵＮＧ－MIG技术对电源、装配精度、焊枪造作、焊接参数等要求比力高，其关键工艺、技术、设备还处于开发阶段。这些弊端的存在，限度了ＮＧ－ＳＡＷ，ＵＮＧ－MIG在大厚度钛合金焊接方面的发展。

（４）窄间隙复合焊重要用于薄板和中厚板迪胙合金焊接，它不仅拥有各自焊接技术的利益，在复合后也会对各自的焊接弊端进行互补。此表，其熔敷效能高、焊接效能高、焊接质量相对靠得住，在大厚度钛合金焊接方面拥有肯定的发展潜力。

（5）ＮＧ－MIG和ＮＧ－TIG都具备热输入低、焊接熔池幼、易产生侧壁未熔合缺点、焊接效能低等问题，尚不能满足未来大厚度钛合金高效焊接的发展需要。优化后的ＮＧ－TIG焊技术如热丝ＮＧ－TIG、双钨极ＮＧ－TIG、磁控ＮＧ－TIG等拥有焊接质量高、焊接效能高、焊接过程不变、焊接成本低蹬着势，被以为是目前最适合大厚度钛合金的焊接技术之一，能够作为大厚度钛合金焊接的重要钻研方向。

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休开发与利用，各类新的焊接技术与焊接思想不休涌现，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设备、高机能船舶、海洋工程、压力容器、核工程等领域中的利用提供了靠得住的技术支持，对有关行业的提质、降本、增效和科技进取有着极度沉要的意思。

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作者简介：杨旭光（1993—），男，硕士钻研生，重要钻研方向：钛合金焊接．