媒介

舰船由于持久浸泡在海水或者露出于海洋高盐、高湿的大气环境中，其结构及设备易受侵蚀且；つ烟，其 建造资料必要优良的耐蚀性、耐久性、牢固性、靠得住性及不变性
。钛是20世纪50年代发展起来的一种沉要结 构金属，钛脊合金因兼有高比强度、高溶解温度、幼热膨胀系数、耐委顿、非磁性、生物惰性、抗裂性等 良好特质被称作“海洋金属”，是一种梦想的舰船用材[1-2]
。另一方面，舰船结构规格通常厚大，大型材 的焊接成型是现代造船的关键技术之一[3]
。因而，对于舰船常用钛合金及其焊接工艺钻研与开发拥有沉要 的理论和工程利用意思
。

1、钛脊合金在舰船的利用

1.1舰船用钛脊合金介绍

钛是继铝、铁、镁之后在地壳中含量最大的金属元素，为银白色高熔点轻金属，重要物理机能：密度 4.51g/cm³，熔点1688℃，比热容522J/（kg·K），热导率16J/（m·s·K）
。纯钛常温下容易 与氧、氮、氢反映天生一系列不变氧化物，而钛合金是指以钛为基体，参与铝、铬、锰、锡、钼等元素组成 的合金
。依照合金退火组织状态能够将钛合金大体分成α型（近α型）、β（近β型）型、α+β型三大类 ，国内商标别离以TA、TB、TC暗示
。

自20世纪60年代起，钛脊合金逐步被用于舰船工业，随着技术的发展，钛材在舰船上的利用越来越宽泛， 从各类大、钟注幼水面舰艇、到水下潜艇和深潜器，从耐压主结构体到舰艇内部管系、热互换器、海水淡化 装置、发起机零部件等，钛脊合金在舰船领域无处不在，是海洋工程的梦想资料[4-6]
。

美国、俄罗斯、日本、欧洲等国度和地域发展了一系列的舰船钛合金钻研和利用，其中俄罗斯走在世界前列 
。俄罗斯占有专门的船用钛合金系统，也形成了系列强度级此外钛合金成熟产品，蕴含490MPa、585MPa、 680MPa、785MPa等级别
。俄罗斯不仅在水面舰船、航母、深潜器造作中大量选取钛合金结构，甚至占有多艘 全钛化的大深度核潜艇，其台风级核潜艇仅表壳用钛量高达9000t，最大下潜深度500m，潜行速度和持续潜 航功夫远超通例高强钢潜艇[7-8]
。美国水师主导开发了可进行大规格型材焊接的Ti-5111钛合金，名义成分 为Ti-5A1-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo，其冲击韧性高于传统TC4钛合金，宽泛用于舰船造作业，蕴含各类动力潜艇、 水面艇动力装置、海水管路管路、冷却器、推动器、海水工作系统、消防泵、紧固件等
。美国还致力于在海 军中发展低成本钛材利用技术钻研，设立了专项低成本焊接技术课题，加快水师上钛脊合金利用过程[9- 10]
。日本重要将钛合金利用在民用渔船、高速警备艇、导弹快艇和载人深潜器方面，蕴含深海潜水调查船 的表壳骨架、管路、均压容器等[11]
。日本还在网络纯钛脊合金船体结构资料的数据和造订相应强度尺度 方面做了大量工作，以期扩大钛在船舶上的利用[12]
。

我国舰船用钛合金钻研起步很早，在钛脊合金的研造开发、舰船造作、装船试航等方面投入了相当精力并 获得大量成就
。除了国表常用的TA2、TA5、TA7、TC4，国内高校、企业专门针对舰船利用特殊要求，研造出 拥有分歧强度的船用耐蚀钛合金，资料种类涵盖管材、型材、板材、铸件、锻件等，根基满足水面舰艇、潜 艇和深潜器分歧强度级别及分歧部位的使用要求
。国内部门典型舰船用钛合金的商标、合金强度级别以及应 用场所汇总如表1所示[13-14]
。

1.2舰船用钛脊合金焊接性分析

为了满足船舶结构的使用要求，舰船用钛合金必要强度、塑性、韧性最佳共同以及优良的焊接加工机能，多 数选取β不变系数Kβ较幼的α型和近α型钛合金以及α+β型钛合金，分歧钛合金的机能特点如表2所示 [15-16]
。α型钛合金是Ti-Al系钛合金，Al的添入提高了α型钛合金的比强度、热强性以及细化合金晶粒， 相迸宗其他钛合金其加工机能和焊接机能更好，可焊性优异
。α+β型钛合金属于两相合金，既含大量密排 六方晶格的α不变相，又含肯定量的体心立方晶格的β相，保障可焊性的同时提高了工艺塑性和实现了可热处置性
。

钛合金特有的物理化学机能决定了其焊接性与钢、铝等通例金属分歧，其重要焊接个性[17-18]有：（1）钛 的高温化学活性强
。对杂质和水分比力敏感，极易被空气、水分、油脂和氧化皮等传染形成同化，降低塑性 和韧性
。钛与H、O、N元素的亲合力很强，从250℃起头吸氢，形成TiH2低强度相，增大焊缝脆性，持续升温 至400℃和600℃起头吸氧、吸氮，进一步降低合金塑性
。

（2）气孔及冷裂纹偏差严沉
。高温状态氢易溶入焊接熔池，冷却结晶时过鼓和的氢来不及从熔池逸出会在 焊缝中形成气孔缺点
。同时钛脊合金膨胀系数较大，温起用起较大的内应力，导致冷裂纹和延长裂纹敏感 性较高
。

（3）焊接易过热
。钛的熔点约为1668℃，热容量大，与钢相比，溶解焊接时必要更多的热量输入，熔池尺 寸更大且温度更高，热导率低，传热系数约为钢的50%，焊缝及扰装响区金属在高温下的停顿功夫较长，易 引起焊接接头的过热偏差，使晶粒变得极度粗壮，甚至引起部门相变，恶化接头塑韧性和组织均一性
。

（4）钛合金的焊接变形大
。钛的纵向弹性模量约为不锈钢的50%，冷变形的回弹能力强，约为不锈钢的2~3 倍，因而钛合金校形难度大，在焊接过程中需采取有效措施预防焊接变形，对工装夹具要求越发严格
。

2、舰船钛合金焊接工艺

2.1TIG焊

舰船钛合金最常用的焊接工艺是TIG焊，即钨极氩弧焊
。TIG焊接利用高纯度氩气断绝空气，；ゎ押辖鸷附 熔池免受杂质传染，而后利用钨电极与钛合金焊件间产生的电弧热溶解母材和焊丝，形成优良的冶金结合， 得到质量优异的焊缝
。凭据分歧迪胙合金焊接厚度及成型品质要求，能够选择分歧的TIG焊接工艺，各类TIG 焊接工艺及其技术特点 如表3所示
。

手工TIG焊因其设备单一、合用性强，利用场所极度宽泛，通常厚度幼于10mm的薄板以及厚板的打底焊接均 可选取
。另表，TIG多层焊能够胜任中厚钛合金板材的焊接，此时每一路焊缝的；ざ级宰詈蟮某尚沃柿科 到至关沉要的作用，焊接质量节造更作难题和严格
。

活性焊剂氩弧焊简称A-TIG焊，最早由乌克兰巴顿焊接钻研地点20世纪60年代研造，英国和美国在20世纪末 也相继发展有关钻研
。A-TIG焊的重要特点是在施焊板材表表覆上一层活性剂，使得电弧收缩和扭转熔池流 态，增长焊接熔深[19]
。与通例TIG相比，在焊接参数不变的前提下，A-TIG能够形成窄而深的熔池，熔宽减 幼，熔深提高，如图1所示[20]
。在焊接厚板时可能削减焊接路次，提高焊接效能和成型质量
。焊接薄板时 ，A-TIG能够提高焊接速度，削减薄板扰爪力变形，改善薄板焊接质量
。

窄间隙TIG焊接是由美国率先提出的为解决大厚度结构件焊接的一种新型技术，其坡口间隙窄而深，能够大 幅减幼焊缝截面积，降低焊缝金属填充量，用较幼的线能量实现较高的出产效℃，同时保留通例TIG个性， 焊接过程电弧不变、飞溅少，合用全地位焊接，焊接质量高，焊缝极限深度可达200mm
。

“蛟龙”号7000m深潜器迪胙合金耐压舱体就是选取手工TIG窄间隙焊接成型，厚度达到114mm
。20世纪末， 乌克兰巴顿焊接钻研所创造性地将磁场引入到窄间隙焊接过程中，开发出磁控窄间隙TIG焊接技术，其道理 如图2所示[21]，该技术是在TIG焊电弧前端、焊接方向上增长铁心和线圈，在线圈中通以交变电流提供电弧 周期变动的洛伦兹力，从而解决通例窄间隙焊接中的侧壁熔合不良问题，单面焊接厚度可达80~120mm
。窄间 隙焊缝接头横截面宏观描摹如图3所示，侧壁熔合优良，接头无显著缺点[22]
。

哈尔滨工业大学从巴顿焊接钻研所引进TIG自动焊接设备，通过消化吸收，自行设计了厚板钛合金窄间隙自 动化焊接系统，形成了技术当先的国产厚板钛合金焊接技术，实现了设备国产化，最大焊接厚度可达110mm ，坡口宽度不大于12mm
。山东大学基于PLC成立了一套合用于厚板窄间隙磁控TIG焊接自动节造系统，集成了 焊接过程视频监控职能，可能对窄间隙磁控电弧TIG焊接过程实现有效和靠得住节造，成功试焊了110mm厚板钛 合金
。中船沉工725地点2005年启动大厚度钛合金窄间隙焊接技术钻研，并在2012年获得有关授权专利
。广 东省焊接技术钻研所余陈、张宇鹏等人选取磁控窄间隙TIG焊接步骤焊接30mm和100mm厚TC4钛合金，分析了 磁场强度、电弧摆动、电极地位对焊 缝组织成形的影响[23]
。

2.2真空电子束焊

电子束焊接是利用聚焦的高速活动的电子轰击工件待焊处所产生的金属熔合的一种高能束焊接步骤
。它通常 在高真空环境下进行，既预防了电子受到磁场影响而无法聚焦，又预防了大气环境对焊接区的传染，加上其 设备精准度和自动化水平高，再现性优良，极度适合焊接拥有高熔点、易氧化迪胙合金金属
。另表，电子束 焊接步骤能量密度极高、加工速度极快且焊接过程精确可控，因而可获得大深宽比的焊缝，且焊缝扰装响区 窄，可在不开坡口情况下对大厚板件实现穿透焊接，因而成为焊接钛合金大厚板的优选步骤
。典型的真空电 子束焊接设备、焊缝以及焊接过程如图4所示
。

钛合金电子束焊接在深海载人设备领域利用宽泛，中国的深海勇士号、日本的深海6500号、法国的鹦鹉螺号 、美国的阿尔文号等国内表多多典型载人潜水器耐压球壳以及部门浮力球都是由真空电子束焊接实现
。巴顿 焊接钻研所利用60kV\60kW的中压电子束设备实现了厚100~200mm迪胙合金舰艇舱类结构以及大型燃机发起机 、热互换器管及管板结构的焊接造作[24]
。中船沉工725所选取大功率电子束焊接Ti80厚板焊缝熔深达56mm ，焊接TB19厚板焊缝熔深靠近130mm，焊缝深宽比大，扰装响区（HAZ）宽度远远幼于传统TIG焊HAZ宽度，焊 缝表表成形优良，焊缝质量优异[25]
。

2.3激光焊

激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高效精密焊接步骤，其特点是激光 束能量密度高，可获得大熔深和较高的焊接速度，且焊缝和焊接扰装响区窄，焊接变形和残存应力很幼
。另 表，激光易用反射镜或棱镜扭转光路，可在工件肆意地位上焊接
。因而，激光焊接技术钻研受到宽泛器沉， 在钛合金结构件焊接中表演着越来越沉要的角色，尤其是钛合金热传导率较低，且对红表线光的吸收率较高 ，激光焊在钛及钛合金薄板及精密零件的焊接上占有优良的利用远景[26]
。

随着大功率激光器的开发与利用，激光焊接的优势也越来越显著，其质量和效能均优于其他熔焊步骤
。激光 焊已成功利用于钛合金焊接中，只有工艺参数匹共同理，激光焊TC4钛合金焊缝内部质量可达到GB3233-87K 级焊缝要求[27]
。

钛合金激光焊技术的不及之处在于，易产生咬边、凹陷和气孔缺点，接装配精度要求高档，为此出现了激光 -电弧复合焊技术
。激光-TIG电弧复合焊接过程如图5所示[28]，该焊接工艺结合了激光与电弧这两个独立热 源的优势，同时在很大水平上预防了二者的短处，产生了1+1>2的成效，兼具高能量密度、高能量利用率 、高电弧不变性等特点
。

3、存在的问题

3.1焊材质量

国产钛合金焊材质量有待提升，高尖端船舶用钛合金焊材种类不全
。目枪合金越来越宽泛地在舰船上遍及 利用，国内钛合金出产企业也占有各类通惯例格板材、环材、棒材的造备能力，但在批次不变性和焊接操作 工艺机能上与进口钛合金资料相比仍存在肯定差距，尤其是大规格宽厚板材、型材、复杂的铸件
。国内大规 格钛合金资料统一批次分歧地位的组织成分出现差距化，分歧批次的质量不变性很难保障
。另表，国内配套 钛合金焊丝种类较少，潜舰、钻井管等使用的大量钛合金焊材仍需进口
。

国产配套焊材发展相对滞后，根基通过引进国表焊材后吸收消化，不足高尖端高质量钛合金配套焊材自主研 发能力
。

3.2焊接工艺及设备

大厚度钛合金深熔焊工艺和机理基础科学钻研不及，焊接自动化专机和焊接机械人开发不充分
。对于大型承 力舰船用钛合金结构件而言，其重要承载焊缝长度和厚度规格大，因而对焊接接头机能和结构靠得住性要求较 高，然而国内从1992年才起头致力于10mm以上厚板钛合金在舰船中的利用及其焊接技术的钻研，到此刻仍处 于索求阶段，不足对大厚度、大规格钛合金深熔焊系统性的工艺规范钻研，无法从理论角度说明沿熔深和熔 宽方向大厚度钛合金接头力学机能的分散差距性，未充分意识焊接工艺、焊缝状态特点、微观组织机能与接 头力学行为之间的有关性法规，不足有效的大厚度钛合金焊接机能调控技术步骤，钛合金焊缝控氢和焊接残 余应力解除等关键技术与国表差距显著，必要加深对合金元素作用机理、服役靠得住性、安全寿命评估等基础 科学的钻研[29-30]
。另表国内舰船钛合金焊接方式依然以手工气体；ず肝，窄间隙焊接技术近年也在 大厚板钛合金焊接中阐扬作用，但是国内造船及有关钻研单元整体焊接自动化水平与国表存在差距，无法满 足高尺度作战技术机能的现代舰船造作要求，尚不足高靠得住性、高效能的自动化焊接专机和智能化焊接机械 人
。

4、结论

目前我国舰船用钛合金系统已经初步成立，形成炼类型钛合金商标，在水面舰艇、潜艇和深潜器各系统中 都有利用案例，近年来国内舰船用钛脊合金焊接技术钻研也获得了肯定成就，但在高端钛合金焊接资料、 工艺技术以及自动化智能化集成焊接设备方面与国表还有显著差距，必要我国钛工业和焊接技术专家、学者 共同致力，安身基础科学问题，堆集工程经验，研发新型舰船钛合金商标，降低钛合金资料造备成本、优化 现有焊接工艺，沉点突破大型钛合金的高效自动化焊接新工艺、设备，扩大钛脊合金在舰船用材中的比例 
。

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