钛是一种银白色的金属，密度为4.5g/cm³，熔点为1668℃，拥有优良的塑性与韧性
。常温下，钛可能与空气中的氧反映天生致密的氧化膜，从而维持高的不变性和耐蚀性
。然而，随着温度的升高，钛吸收氧、氮、氢的能力显著加强
。钛从250℃起头吸收氢，从400℃起头吸收氧，从600℃起头吸收氮
。目前，钛脊合金焊接多选取为钨极氩弧焊，而溶解极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等步骤也得到了分歧水平的利用[1]
。

钽是一种钢灰色的金属，密度为16.6g/cm3，熔点为2996℃，拥有优良的韧性与延展性
。钽从300℃起头吸收氧，从350℃起头吸收氢，从700℃起头吸收氮
。钽拥有高熔点、高密度、化学机能不变、抗侵蚀能力极强和加工机能好等特点，宽泛利用在航空航天、化工、电子等领域
。尝试证明，将钽浸泡在200℃硫酸中，侵蚀速度仅为0.006mm/a，其耐侵蚀机能可与玻璃媲美，除了氟气、氢氟酸、含氟离子的碱性溶液、发烟硫酸和强碱以表，险些能耐所有化学物质的侵蚀[2-4]
。但由于钽金属价值昂贵，在化工设备中使用时多选取复合板结构大局
。钽复合板通常选取三层结构，钽为覆层，中央设置过渡层，钢为基层[3-4]
。国内学者先后发展了钽-过渡层-钢三层复合板结构迪脬盖板与钽覆层焊接[3]、钽-钢复合管板与钽管焊接[4]、16mm厚Ta2.5W合金板焊接[5]等钻研
。

为了降低设备的资料成本，某些钽钢复合板设备的管板或收受选取松衬结构，会涉脊材与钛材的焊接
。目前国内关于钽与钛异种金属焊接的钻研报路较少
。陈国庆等[6]选取电子束焊接实现了TC4钛合金与Ta-W合金的焊接
。但由于电子束焊接对环境和设备的要求比力高，使用前提刻薄，不便于在承压设备造作中的推广利用
。为此，本钻研选取手工钨极氩弧焊技术焊接Ta1钽板与TA1钛板，并对焊接后的Ta1/TA1焊接接头进行显微组织观察与力学机能分析，以期推动钽钛复合板在工程中的利用
。

1、尝试

1.1尝试资料

尝试资料为Ta1钽板与TA1纯钛板，厚度均为1.2mm，力学机能见表1
。

表 1 Ta1 钽板与 TA1 钛板的力学机能

1.2试样加工

参照NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》尺度，别离造备规格为90mm×200mm×1.2mm的Ta1与TA1焊接试板各2块
。试板焊接坡口大局如图1所示，Ta1钽板为I型坡口，TA1钛板为35°坡口
。

1.3焊接

（1）焊前筹备焊接坡口选取机械加工的方式，坡口表表应出现金属光泽；用无水乙醇清洁坡口表表及其两侧各50mm领域内的污物
。

（2）组对与定位焊将Ta1钽板与TA1钛板在专用组对工装上进行组对，节造对口错边量≤0.2mm，不得强力组对
。

选取手工氩弧焊进行定位焊，定位焊间距为50~60mm，每段定位焊长度为3~5mm，定位焊缝不得有裂纹、气孔等缺点，不然应断根后沉新焊接
。定位焊缝应为银白色，两端滑润过渡
。

点焊时用氩气；，正面氩气流速为10~15L/min，背面为10L/min
。引弧板和息弧板尺寸均为50mm×50mm×1.2mm
。

（3）焊料焊丝选用熔点低的TA1钛材对应的ERTA1ELI焊丝，直径1.2mm；焊接过程中用氩气；，氩气纯度≥99.99%；焊接电极选用铈钨电极，直径2.5mm
。

（4）焊接工艺选取手工氩弧焊，直流正接
。选用较幼的热输入，焊接电流60～80A，电弧电压7~8V
。氩气流量：焊枪10~14L/min，正面；12~16L/min，背面；10~14L/min
。层间温度节造在60℃以下
。对接焊缝焊两层，单面焊双面成形
。

Ta1钽材比TA1钛材的熔点高1328℃，二者熔点相差出格大
。TA1钛材的热导率低，约为Ta1钽材的1/4
。焊接时，应严格节造热输入与电弧左袒
。焊接速度过快时，热输入较低，易造成熔点低的TA1钛板溶解，而熔点高的Ta1钽板仍为固态，导致二者未熔合
。反之，焊接速度过慢时，热输入较高，Ta1钽板产生软化或溶解，而熔点低的TA1钛板产生流失或烧损
。因而，在焊接过程中氩弧焊电弧应左袒Ta1钽板一侧，并选取熔点低的TA1钛材对应的ERTA1ELI焊丝进行加丝焊接，预防出现未熔合或焊漏景象
。

TA1钛板变形后回弹能力强，焊接后很难通过改过恢复原状态，所以组对时应预留反变形，焊接时应利用工装约束板材变形，并选取幼电流焊接，以削减焊接变形
。TA1钛板与Ta1钽板极易氧化，焊枪必要拥有优良的；ぷ饔，喷嘴要大，；て逡锌隙ǖ耐Χ
。焊接过程中，焊枪后面要设置焊接；ね险，预防焊枪；て逡谱吆，焊缝还未冷却下来，因无；ざ趸
。板材背面的焊缝也要进行；，造作专用铜；ふ，背面焊缝50mm宽度领域内，通入均匀的氩气进行；
。在焊接过程中，焊缝的正面与背面均进行持续的氩气；
。焊接实现后，持续用氩气；ひ欢喂Ψ，直至焊缝冷却
。

1.4检测

对焊接后的试板进行表观查抄
。依照NB/T47013.5—2015《承压设备无损检测第5部门：渗入检测》尺度要求，对焊接试板焊缝及扰装响区域进行渗入检测
。参照NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》尺度要求，按图2所示别离切取金相、拉伸、面弯、背弯试样
。

凭据GB/T228.1—2021尺度要求进行室温拉伸机能测试；凭据GB/T2653—2008尺度要求进行弯曲机能检测，试验过程中，弯心直径为12mm，弯曲角度为180°
。凭据GB/T4340.1—2024尺度要求丈量焊缝硬度
。选取光学显微镜观察焊接试样分歧区域的显微组织
。选取JSM-6460扫描电子显微镜观察拉伸断口描摹，并用其附带的能谱仪（EDS）对焊接试样分歧区域进行成分分析
。

2、了局与会商

2.1表观

图3为焊接后的试板照片
。从图3能够看出，焊缝表表无裂纹、气孔、弧坑、同化等缺点，呈银白色，无氧化，焊接质量优良
。

2.2渗入检测

因Ta1钽材与TA1钛材均不拥有磁性，无法执行磁粉检测，故选择渗入检测
。通过渗入检测可有效发现焊缝及扰装响区的表表裂纹
。经渗入检测，焊接试板焊缝及扰装响区均未发现有裂纹，切合I级要求
。

2.3射线探伤

对焊接试板进行100%射线探伤检测，射线检测技术等级为AB级，未发现有裂纹、未熔合、未焊透、气孔等缺点，检测了局切合I级要求
。

图4为焊接试样射线探伤照片，图中上部明亮区域为Ta1母材，下部阴郁区域为TA1母材，焊缝亮度居于二者之间
。由于钽的原子序数为73，钛的原子序数为22，在进行射线检测时，钽与钛对射线的吸收水平差距大，造成探伤影像差距较大
。Ta1母材与焊缝之间有一条极度直的亮度分界限，此分界限为Ta1母材机加工形成的坡口概括，批注焊接过程中Ta1母材边缘仅产生了少量溶解
。而TA1母材与焊缝之间的亮度分界限不规定，是由于焊接过程中TA1母材边缘齐全溶解，加之手工氩弧焊焊接速度不均匀，导致TA1母材溶解量不一致，从而出现出不规定的亮度分界限
。

2.4力学机能

焊接试样的室温拉伸机能见表2
。从表2能够看出，焊接试样的抗拉强度、屈服强度均与Ta1母材相近，塑性有所降落，但降落幅度不大
。拉伸机能检测了局切合NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》钟装试样母材为两种资料金属代号时，每个试样的抗拉强杜爪不低于两种母材抗拉强度最低值中的最幼值；试样若是断在熔合线以表的母材上，其抗拉强度值不得低于母材抗拉强度最低值的95%”的要求
。

表 2 焊接试样室温拉伸机能

经检测，焊缝区域硬度为183.3HB，高于Ta1母材与TA1母材的硬度
。

焊接试样拉伸断裂后的照片和断口描摹如图5所示
。从图5a能够看出，拉伸试样的断裂产生在强度较低的Ta1母材一侧，且拥有显著的“双颈缩”特点
。从图5b能够看出，拉伸断口阐发为典型的韧性断口，韧窝多且深，扯破面占比幼且边缘较窄，滑移台阶较为显著
。

图6为焊接试样弯曲试验后的照片
。从图6能够看出，面弯和背弯试样均拥有优良的弯曲工艺机能，焊缝及母材均未发现裂纹，切合NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》尺度要求
。

2.5显微组织

图7为焊接试样的低倍照片
。由于钽与钛的熔点相差较大，在焊接过程中，氩弧焊电弧左袒Ta1钽板一侧，随着温度升高，TA1钛板首先溶解，Ta1钽板边缘有少量钽材溶解，进入熔池中，未溶解的Ta1母材受高温影响产生软化，并在沉力作用下边部出现下坠
。第二遍焊接盖面时，靠近Ta1侧的焊缝覆盖在Ta1母材表表
。

焊接试样在经历焊接热循环以来，由TA1母材、TA1扰装响区、焊缝区、TA1/Ta1界面反映区、Ta1扰装响区和Ta1母材组成
。图8为焊接试样分歧区域的显微组织
。从图8可知，TA1母材区域金相组织重要由等轴α晶粒组成，晶粒尺寸约为25μm（图8a）；TA1扰装响区受焊接扰装响很大，冷却后天生粗壮的等轴α晶粒和板条状晶粒（图8b）；焊缝分辨为两部门，靠近TA1一侧金相组织重要由针状α?马氏体组成（图8b），而靠近Ta1一侧的边缘出现了幼部门铸态组织（图8d）；Ta1扰装响区组织为粗壮的等轴α晶粒，晶粒尺寸为300~1000μm，较Ta1母材区的晶粒尺寸（约100μm）显著增大（图8c、8d）
。这是由于在焊接过程中，电弧左袒Ta1一侧，电弧能量高，加之焊接高温停顿功夫长，导致晶粒粗壮
。

2.6能谱分析

选取能谱仪对焊接试样进行点扫描成分分析，检测部位见图9
。其中，区域1为靠近TA1母材熔合线左近区域，区域2为焊缝中心区域，区域3为靠近Ta1母材熔合线左近区域
。

表3为焊接试样的能谱分析了局
。从表3能够看出，焊缝成分以Ti元素为主，其重要来自于TA1母材与填充的ERTA1ELI焊丝
。焊缝中心及靠近TA1母材侧Ta元素含量约为20%，靠近Ta1母材侧Ta元素含量约为17%
。焊缝中Ta元素含量低于有关文件[6]，这是由于氩弧焊相迸宗电子束焊接，能量密度低，焊接时钽材的溶解量少
。

表 3 焊接试样能谱分析了局（质量分数，w/%）

3、结论

(1)由于Ta1钽材和TA1钛材熔点相差较大，利用氩弧焊焊接时，应严格节造焊接热输入与焊接速度，电弧应左袒Ta1母材一侧，用ERTA1ELI焊丝填充焊缝
。

(2)焊接接头中，焊缝中心及靠近TA1母材一侧的Ta元素含量约为20%，靠近Ta1母材一侧的Ta元素含量约为17%
。焊接接头的X射线探伤影像明亮度居于Ta1母材、TA1母材亮度之间，焊缝硬度大于Ta1和TA1母材
。

(3)Ta1/TA1焊接试样的拉伸、弯曲力学机能均切合NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》尺度要求，注明氩弧焊可用于Ta1钽材和TA1钛材异种金属的焊接，可能满足承压设备的造作要求
。

参考文件References

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[2]郭陈勇,石养鑫,周艳华,等.钽脊合金焊接接头的射线检测[J].无损探伤,2024,48(2):37-39.

[3]邢炜,叶建林.钽钢复合板钽覆层的焊接工艺钻研[J].钛工业进展,2011,28(3):38-40.

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[5]刘玉銮.一种钽钨合金厚板焊接工艺分析[J].中国机械,2023(35):18-21.

[6]陈国庆,张秉刚,吴双辉,等.TC4/Ta-W合金异种金属电子束焊接[J].焊接学报,2011,32(8):1-24.

（注，原文标题：钽与钛异种金属氩弧焊焊接接头的组织与机能）