媒介

钽被誉为耐蚀性最好的金属，除氢氟酸表不被其他酸侵蚀，且熔点高达2996 ℃，富有延展性，热膨胀系数幼，是典型的难熔金属之一，在超导、芯片、航空航天、化工、原子能、医疗器械等尖端技术领域拥有不成代替的作用
。钽棒、钽管、钽板等钽脊合金的典型利用有：航空发起机或燃气轮机中的叶片、点火室耐热管路、耐热器件等，对撞机中的超导零部件、腔体，石油化工领域的耐蚀容器、管路，原子能工业中的中子防护板、核岛表壳、快中子反映堆节造资料，芯片行业的溅射靶材，医学上的人为骨资料、各类支架等，是一种沉要的战术物资[1-2] 
。

在尖端工程上，高靠得住、免守护、长命命零部件的需要与日俱增，用钽合金代替部门资料已成汗青必然
。工程利用中迪脬通常作为关键职能件阐扬作用，而职能件尤其是复杂结构职能件的出产往往必要经过焊接加工
。钽的焊接面对三个关键技术难点：一是钽材熔点高，焊接难度大[3]；二是钽材通常利用在强酸、超高温等极端环境中，对焊缝质量要求极高[4]；三是钽在高温状态下极易与空气中的氧、氮反映，形成钽化合物脆化焊缝
。因而，要得到靠得住迪脬焊缝极其难题
。

国表少数核工业、航天工业蓬勃的国度已把握了钽的焊接技术，在焊接工艺、焊缝成形理论、焊接有限元仿照、焊缝组织/ 成分、侵蚀行为、工业化利用等方面获得了肯定的成就    [1] 
。相比力而言，国内钽的钻研起步晚、钻研机构少，仅个别科研院所发展了钽的焊接尝试，且不足系统的理论钻研
。

文中综述了国内表钻研机构在钽的焊接方面的最新钻研进展，为国内特种焊接钻研人员发展钽及其他难熔金属焊接提供参考
。

1、钽的焊接钻研进展

美国、德国、法国、俄罗斯等工业、军工业蓬勃的国度均发展了钽金属焊接钻研，尤其是美国对钽金属的钻研起步早、深刻、全面
。目前，国际上钽的焊接钻研重要集中在焊接工艺钻延注焊接有限元分析、焊缝侵蚀和成形机理钻研等方面，通过系统的组织机能表征评价焊缝质量，进而改进焊接工艺获得高质量焊缝，有关技术利用于航天、化工设备等领域
。我国在钽焊接方面的钻研集中在钽职能件的造备出产方面
。

1.1　焊接热源及其焊接工艺钻研

目前国际上重要迪脬焊接步骤蕴含钨极惰性气体；ず浮⒓す夂浮⒌缱邮浮⒈ê傅，由于扰装响区组织调控的需要，高能量密度的激光焊、电子束焊成为目前主流的焊接步骤；钨极惰性气体；ず赣捎谠诟呶陆锥紊滤俣嚷⒁仔纬纱肿车娜抛跋烨橹，作为第一代热源已逐步被代替；爆炸焊则重要用于造备钽复合板材
。美国、德国等重要迪脬焊接钻研国度对其焊接工艺发展了较为深刻的钻研
。

美国国度宇航局早在 1973 年就选取钨极惰性气体；ず覆街，在钽材焊接领域获得了沉猛进展，在氦气；は潞附宇惆迦凵畲 9.52mm，并发展了大量力学机能测试，形成了 93 页技术文件[5] 
。但遗憾的是，弧焊在高温区时升温速度慢、加热功夫长，极易造成焊缝晶粒粗壮、内应力较高档问题，因而利用该技术得到的焊缝难以预防线存在热裂纹缺点
。

为缓解热裂纹问题，美国科研人员在钽的弧焊焊接工艺方面发展了一系列的钻研，如电弧电磁振荡和电流脉冲对钽片焊缝组织影响法规的钻研[6] 、表表硅化物涂层对焊缝机能影响法规的钻研[7] 等，肯定水平上改善了热裂纹缺点的产生
。

显然，弧焊并不是钽的梦想热源，随着激光技术的发展，美国国度能源局劳伦斯利弗莫尔国度尝试室（lawrence livermore national laboratory，LLNL）在1985 年初次将激光焊接利用于钽的焊接[8] ，打开了激光焊接钽及其合金的大门
。在接下来的 30 年中，激光焊接成为钽焊接的主流步骤
。美国有关钻研机构的激光焊接设备由固体激光器升级为光纤激光器[9] ，激光功率由最初的 400 W 提升至 6 kW [10] ，并在焊接工艺方面发展了大量钻研[10-12] ，有关成就利用于航天器件、兵器设备的出产与建复[9] ，部门焊接 成效如图 1 所示
。法国钽焊接钻研机构也选取了激光焊接路线，利用于钽- 钽[13] 、钽- 钛 [14]等同种、异种金属焊接，获得了高质量焊缝
。

与美国、法国等以激光作为主流焊接热源分歧的是，德国选取电子束焊焊接钽脊合金，其钻研重要集中在钽泰克（Tantec）、世泰科（H.C.Starck）等企业中，专一于钽的换热器、管路、容器等化工设备的整体加工造作，钻研内容涵盖焊工艺、钽焊缝侵蚀行为、耐蚀性等方面[15] ，其商用产品已经占据市场主导职位；俄罗斯则选取爆炸焊的步骤造备钽 复合伙料，在 2016 年造备出铜- 钽、铜- 钛复合板，并钻研了结合界面的描摹及爆炸焊工艺法规[16] 
。

中国经济的飞速发展为我国钽铌钻研机构、企业奠定了坚实的经济基础，国内焊接设备水平达到行业先进水平[17] 
。国内钽的焊接步骤席卷了氩弧焊[18-22] 、电子束焊 [23-28] 、激光焊 [29-30] 、爆炸焊 [31]等，与国际主流焊接步骤一致；但国内钽焊接钻研的沉点在攻克具体焊接焊接工艺、解决钽职能件具体出产造备技术方面[18-19，23-24]；部门科研院所如哈尔滨工业大学、北京工业大学等的钻研沉点在焊缝的组织、机能表征等方面[25-27，30] 
。

综上所述，钽焊接热源的更新紧跟焊接设备发展的脚步，历经钨极惰性气体；ず浮⒐烫寮す/ 光纤激光焊、电子束焊、爆炸焊、等离子弧焊等，向高能量密度、短焊接流程的趋向发展；焊接工艺的钻研萦绕所选取焊接步骤所涉及的参数发展，基于焊缝力学机能、组织描摹、成分变动等对焊缝质量进行评价，进而改进焊接工艺及其附加调控措施
。

1.2　焊接数值仿照及焊缝资料推算

随着推算机及软件技术的发展，数值分析、资料推算对于预测焊接工艺、焊缝成形机理、组织变动法规的作用逐步提高
。1980年，美国有关钻研机构已经将有限元仿照利用于预测氩弧焊焊接钽板时的温度，成立了焊接温度场的二维模型，并通过焊接尝试进行了验证[32-33] 
。

随后，焊接有限元仿照的作用被进一步挖掘，被用于预测温度场、应力场、熔池流场、焊缝状态等，如法国大学科技学院激光和资料尝试室通过成立激光点焊焊接有限元模型并与尝试了局相结合，阐了然钽焊接过程中缩孔的产朝气理[13]；宾夕法尼亚大学通过成立钽的激光焊接熔池模型，正确预测出激光焊接熔池状态[34] ，并与尝试了局相印证，验证情 况如图 2 所示
。

更进一步的，资料推算被用于索求焊缝成形机理，如 2009 年美国橡树岭国度尝试室基于Fact Sage热力学数据库分析钽焊缝组织的热力学不变性，进而说明焊缝凝固过程中的有利相，其推算了局被透射电镜分析了局所验证[35] 
。

我国在钽的焊接有限元仿照、资料推算方面的钻研较为幽微，公开资料批注，仅有个别钻研人员选取ANSYS 软件对钽钨合金等离子弧焊的温度场进行了数值分析[36] 
。

综上所述，焊接有限元仿照对于焊接过程中所涉及到的各类场及多场耦合作用机造拥有较好的预测作用，可能正确反映焊接变量变动趋向、领导焊接工艺的改进；而资料推算重要用于钻研焊缝组织演变法规、焊缝成形机理
。

1.3　焊缝粉碎机造钻研

钽焊缝通常服役于强酸、高温等严苛环境，焊缝极易产生粉碎，发展焊缝粉碎机造钻研对于改善焊缝质量拥有沉要的领导意思
。

目前国内表钽焊缝粉碎机造钻研重要集中在侵蚀行为钻延注裂纹扩大机造钻研等方面
。如美国金属学会 2007 年出版的《Corrosion of weldments》[37] ，将钽焊缝侵蚀行为单列一节进行介绍，添补了美国钽焊缝侵蚀行为钻研匮乏的情况；2013 年，美国美敦力能源与部件中心对钽- 钛合金焊缝裂纹产朝气理发展钻研，说明钽- 钛焊缝裂纹是由氢应力裂纹机造产生的[38]；德国世泰科选取酸、碱等多种环境对纯钽、Ta-2.5%W 合金等的焊缝发展了侵蚀尝试钻研[39]等；而钽焊缝在高温状态下的粉碎机造尚无公开的文件
。

2、存在的问题

通过文件调研能够发现，美国对钽的焊接钻研比力全面、自成系统，焊装设备历经钨极惰性气体；ず浮⒐烫寮す夂浮⒐庀思す夂傅，钻研内容涵盖焊接工艺钻研，焊缝组织/ 机能表征、侵蚀行为、焊接有限元仿照、焊缝成形机造、缺点形成机理钻研等，其有关钻研成就利用于航空航天、原子能、医疗器械等工程领域
。

与美国相比，固然中国钽铌骨干企业经过 20年的飞速发展，但在钽铌焊接钻研领域，其钻研主体为国有钽铌出产企业及其配套的研发系统，左袒利用钻研的定位决定了其钻研重要面向于解决具体的出产技术难题，也因而凸显基础钻研幽微、钻研深度不及等问题
。尤其是焊缝成形机理钻延注焊缝组织调控步骤、有限元分析等方面险些处于空缺阶段，尚需大量深刻的理论钻研突破技术壁垒
。我国钽铌焊接领域现阶段存在的重要问题为：

（1）焊缝粉碎机造钻研极端匮乏，导致难以确定钻研沉点
。对钽焊缝服役环境及其相对应的粉碎机造不足系统的钻研，如高温、高侵蚀、核辐射环境下的高温组织演变机造、侵蚀行为、辐照效应等，这些钻研内容直接决定着钽零部件服役寿命
。

（2）焊缝成形机理钻研较为匮乏，如空气；ぷ刺氯鄢- 空气界面反映机造、焊缝组织调控机造、真空状态下焊缝成形机理及其组织演变法规等，造约了钽铌企业进入高附加值的电子、加工材、高端设备造作领域
。

（3）钽及其合金的基础钻研较为幽微，造成对钽的利用领域、利用场景意识不清澈，从而难以把握钽焊接的钻研方向、钻研难点、钻研沉点，这也进一步限度了钽在工业中的利用领域
。

固然在基础钻研方面，我国与部门蓬勃国度的差距较为显著，但值得注定的是，目前国内钽的焊接设备水平已达到国际先进水平，焊接步骤与国表主流的焊接步骤一致
。

3、发展趋向

与国虚实况截然分歧的是，部门蓬勃国度如美国、德国等，将钽及其合金用于航空、航天、兵器设备、核电、发起机、化工设备等具体场景，并凭据服役环境发展一系列系统的钻研，涵盖焊接工艺、焊缝组织成分、力学机能、有限元仿照、侵蚀行为等；焊接设备历经氩/ 氦弧焊、爆炸焊、电子束焊、激光焊等，陆续性、传承性较强
。经过文件调研国表发展过程批注，目枪焊接的重要发展趋向为：

（1）基于数值分析迪脬焊缝组织调控步骤、焊接工艺钻研和焊缝成形机理钻研
。成立正确的分析模型仿真高难度的焊接尝试，进而领导焊缝组织的调控及焊接工艺的调整；通过资料推算分析焊缝组织演变法规进而说明焊缝成形机理
。

（2）焊缝组织与机能表征之间的内涵联系钻研
。钽焊缝晶粒的微观组织与焊缝电化学机能、力学机能亲昵有关，获得高靠得住性焊缝的关键在于有效的焊缝组织调控
。

（3）钽焊缝的粉碎机造钻研
。目前，国内表在钽焊缝败坏机造方面的钻研均较为幽微，而钽服役于高温、强侵蚀环境下，钽焊缝的败坏机造钻研可能有效领导焊接工艺改进和组织调控，是钽焊接钻研的重要方向之一
。

（4）焊接设备趋向：焊接热源向能量密度更高的设备发展，激光焊、电子束焊成为目枪的梦想焊接热源
。

4、结论

综上所述，钽及其合金在航空、航天、兵器设备、原子能、化工设备等领域拥有沉要的利用价值，但钽的焊接限度了复杂结构零部件的加工造作，若何获得高质量、高靠得住迪脬焊缝是该领域亟需解决的技术瓶颈
。

国内表钻研人员在钽的焊接领域发展了大量钻研，选取钨极惰性气体；ず浮⒈ê浮⒌缱邮浮⒓す夂傅炔街枋迪诸悴南谓，钻研内容涵盖了焊接工艺、焊缝组织/ 成分、力学机能、有限元仿照、侵蚀行为等方面
。近 50 年的钻研过程批注，高能量密度的焊接热源如电子束焊、激光焊更适合焊接钽及其合金；另表，借助数值仿照、资料推算步骤可能有 效领导焊缝组织的调控及焊接工艺的调整
。随着钻研的深刻，下一步钽焊接钻研的重要方向和有效蹊径是萦绕具体服役环境分析焊缝的粉碎机造，进而钻研相应的组织调控机理，获得高质量焊缝
。

参考文件：

[1] ROWE C E D. The use of tantalum in the process industry[J].Journal of Minerals，Metals and Materials Society，1997，49（1）：26-28.

[2] HUNKELER F J. Properties of tantalum for applications in the chemical process industry[M]. Refractory Metals and Their  Industrial Applications. West Conshohocken，PA ：ASTM International，1984：28-49.

[3] DAANE. Welding Tantalum[J]. Review of Scientific Instruments，1952，23（5）：245-246.

[4] GIRARD K，JOUVARD J M，NAUDY P. Study of voluminal defects observed in laser spot welding of tantalum[J]. Journal of Physics D，2000，33（21）：2815-2824.

[5]GOLD R E，KESTERSON R L. Study of gas tungsten arc welding procedures for tantalum alloy T-111 (Ta-8W-2Hf) plate[R]. Machine Elements and Processes，19730019798. Pittsburgh，PA，United States ：Westinghouse Astronuclear Lab，1973：93.

[6] SHARIR Y，PELLEG J，GRILL A. Effect of arc vibration and current pulses on microstructure and mechanical properties of TIG tantalum welds[J]. Metals Technology，1978，5（1）：190-196.

[7] WADSWORTH J，PACKER C M. Weld embrittlement in a silicide-coated tantalum alloy[J]. International Journal of Refractory and Hard Metals，1983，2（4）：164-169.

[8] LINGENFELTER A C，ANGLIN C D. Laser welding of a beryllium/tantalum collimator[R]. NASA STI/Recon Technical Report A，UCRL-93032. CA，USA ：Lawrence Livermore National Lab，1985.

[9] OLDANI J J，WESTRICH C N. Laser weld repair of tantalum sheet[R]. NASA STI/Recon Technical Report A，UCRL-JC-110669. CA，USA：Lawrence Livermore National Lab，1992.

[10] ELMER J，PONG R. Development of Fiber Laser Weld Parameters for Stainless Steel and Refractory Metals[R]. NASA STI/Recon Technical Report A，LLNL-TR-413222.CA，USA：Lawrence Livermore National Lab，2009.

[11] PALMER T A，ELMER J W，PONG R，et al. Welding stainless steels and refractory metals using diode-pumped continuous wave Nd ：YAG lasers[R]. NASA STI/Recon Technical Report A，UCRL-TR-206885. CA，USA ：Lawrence Livermore National Lab，2004.

[12] PALMER T，ELMER J，PONG R，et al. Welding of Vanadium，Tantalum，304L and 21-6-9 Stainless Steels，and Titanium Alloys at Lawrence Livermore National Laboratory using a Fiber Delivered 2.2 kW Diode Pumped CW Nd：YAG Laser[R]. NASA STI/Recon Technical Report A, UCRL-TR-206885. CA，USA：Lawrence Livermore National Lab，2006.

[13] GIRARD K，JOUVARD J M，NAUDY P. Study of voluminal defects observed in laser spot welding of tantalum[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2000，33（21）：2815-2824.

[14] GREVEY D，VIGNAL V，BENDAOUD I，et al. Microstru-ctural and micro-electrochemical study of a tantalum-titanium weld interface[J]. Materials & Design，2015（87）：974-985.

[15] AIMONE P，HINSHAW E. Tantalum materials in the CPI for the next millennium[C]//NACE-International Corrosion Conference Series. Newtown，MA：H.C.Strack Inc，2001.

[16] MALIUTINA I N, BATAEV A A, BATAEV I A，et al.Explosive welding of titanium with stainless steel using bronze ：Tantalum as interlayer[C]//2014 9th International Forum on Strategic Technology (IFOST). Cox's Bazar，Bangladesh：IEEE，2014：436-439.

[17] 郭青蔚，王肇信. 现代铌钽冶金[M]. 北京：冶金工业出版社，2009.

[18] 丁旭. 高钨含量钽合金氩弧焊接工艺钻研[J]. 西安文理学院学报（天然科学版），2010，13（4）：61-63.

[19] 张科，郑晶，吴宪吉，等. 薄壁钛管与钽/ 钛薄板叠层的焊接钻研[J]. 焊接技术，2014，43（11）：36-38.

[20] 周方明，钱乙余，姜泽东，等. 工艺参数对钽薄板幼间隙TIG 对接焊熔池的影响[J]. 焊接学报，2005，26（12）：43-46.

[21] 周方明，钱乙余. 钽薄板TIG 氦弧点焊熔池的动态测定与分析[J]. 现代造作工程，2005（增刊 1）：106-107.

[22] 张景，周方明，谭一炯，等. 钽薄壁管焊接成形前期开口间隙场推算的有限元模型[J]. 华东船舶工业学院学报（天然科学版），2005，19（4）：82-85.

[23] 王晖，张幼明，白润，等. 高钨钽合金的动态力学机能钻研近况[J]. 中国钨业，2018，33（3）：57-60.

[24] 王峰，王晖，梁静，等. TaW12 合金加工态电子束焊缝的力学机能钻研[J]. 罕见金属与硬质合金，2016，44（2）：22-25.

[25] 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）：21-24.

[26] CHEN G Q，ZHANG B G，ZHUANG Y，et al. Microstructureand properties of electron beam welded tantalum-to-stainlesssteel joints[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2013，42（5）：914-918.

[27] 赵宇星. 钽与因瓦合金电子束焊接接头组织及工艺钻研[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2014.

[28] ZHOU X W，HUANG Y D，HAO K，et al. Cracking indissimilar laser welding of tantalum to molybdenum[J]. Optics& Laser Technology，2018（102）：54-59.

[29] 李格妮. 钽材激光焊接工艺试验钻研[J]. 山东工业技术，2018（23）：13.

[30] 季良，杨武雄，肖荣诗. 金属钽箔十字交叉激光微点焊工艺钻研[J]. 利用激光，2013，33（6）：601-605.

[31] 樊科社，李平仓，吴江涛，等. 爆炸焊接法造备大面积钽/锆/ 钛/ 钢四层复合板[J]. 刀兵设备工程学报，2017，38（7）：148-151.

[32] SHARIR Y，GRILL A，PELLEG J. Computation oftemperatures in thin tantalum sheet welding[J]. MetallurgicalTransactions B，1980，11（2）：257-265.

[33] GRILL A. Effect of current pulses on the temperaturedistribution and microstructure in TIG tantalum welds[J].Metallurgical Transactions B，1981，12（1）：187-192.

[34] RAI R，ELMER J W，PALMER T，et al. Heat transfer andfluid flow during keyhole mode laser welding of tantalum，Ti-6Al-4V，304L stainless steel and vanadium[J]. Journal ofPhysics D：Applied physics，2007，40（18）：5753-5766.

[35] MODDEMAN W E，BARKLAY C D，BIRKBECK J C，et al. Thermodynamic Prediction of Compositional PhasesConfirmed by Transmission Electron Microscopy onTantalum-Based Alloy Weldments[J] AIP ConferenceProceedings，2007，880（1）：229-233. 

[36] 周浪. 钽钨合金薄板微束等离子弧焊数值仿照与尝试钻研[D]. 湖北：武汉理工大学，2017.

[37] DAVIS J R. Corrosion of weldments[M]. Ohis ：ASM Int-ernational，2006.

[38] HOSSICK-SCHOTT J，REITERER M，HEFFELFINGER J，et al. Latent cracking of tantalum-titanium welds due to hydrogen embrittlement[J]. JOM，2013，65（5）：625-629.

[39] PUSHKIN M S，INOZEMTSEV A V，GREENBERG B，etal. Quasi-wave shape of an interface upon explosion welding(copper-tantalum，copper-titanium)[J]. Bulletin of TheRussian Academy of Sciences：Physics，2016，80（10）：1273-1278.