厚鈦合金焊接對航空航天和海洋領(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)需要接頭完整性來滿足要求。焊接技術(shù)是連接材料的重要形式，對厚構(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題和面臨的挑戰(zhàn)，介紹了自動化焊接技術(shù)的工藝特點(diǎn)，并對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。未來的工作將集中在自動化焊接過程控制和參數(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、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，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)無填充焊絲的深熔焊接，焊接效率高，熱輸入低。這通常會導(dǎo)致較少的粗晶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械性能。
熱線激光焊接過程中關(guān)鍵焊接變量的位置關(guān)系
然而，對于厚焊接結(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。窄間隙焊接的過程控制和缺陷抑制非常嚴(yán)格，以獲得無缺陷接頭。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形成較大的熔池，從而導(dǎo)致晶粒長大、沖擊性能差、延展性差和焊縫開裂。因此，鈦合金的焊接對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)一步的研究和開發(fā)提供思路。
2. 當(dāng)前的發(fā)展趨勢
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，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)動可以增加對坡口側(cè)壁的熔深，同時減小截面厚度。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頻率和側(cè)壁停留時間的增加而增加，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，側(cè)壁無咬邊形成。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)對過程穩(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)定的焊接過程和較低的熱輸入，非常適合于對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)度和伸長率最低，X型坡口接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率最高。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，使得焊接過程變得不穩(wěn)定。建議使用脈沖電流對填充線進(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，加工性能沒有受到太大的損害。
磁場和移動電子的相互作用會產(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:無磁場;b無窄坡口磁弧焊;c窄坡口磁弧焊
烏克蘭帕頓電焊研究所首次開發(fā)了磁輔助TIG窄間隙焊接裝置，磁場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。焊接電弧在磁場作用下可以周期性地實(shí)現(xiàn)橫向振蕩。外加磁場可有效避免側(cè)壁熔合不良的問題，通過振蕩焊接電弧實(shí)現(xiàn)側(cè)壁熔合良好的接頭。電弧擺動和電極位置對焊縫成形和工藝穩(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。磁場使焊接電弧擺動，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等人開發(fā)了一種高效TIG焊接方法，該方法在一個焊炬內(nèi)使用兩個電極。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儲罐和厚壁壓力容器。同時，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)的一個缺點(diǎn)是，它與相對較高的冷卻速率有關(guān)，與弧焊技術(shù)相比，這導(dǎo)致開裂風(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)熱來防止凝固裂紋的形成。預(yù)熱可以減輕周圍組織的約束，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，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級不銹鋼板時，添加填充絲的窄間隙激光焊接的焊道數(shù)從43個減少到20個。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)及其相互作用對控制焊接質(zhì)量具有重要意義。
統(tǒng)計(jì)建模和多變量優(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)洹Ｍㄟ^對電線進(jìn)行電預(yù)熱，可以實(shí)現(xiàn)良好的潤濕條件，該技術(shù)顯示出很高的潛力。
此外，熱絲增加了焊接過程的穩(wěn)定性，改善了焊縫形成，同時減少了焊接過程中的總能量輸入，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題，Yu等人嘗試使用更多的激光束能量來熔合凹槽的側(cè)壁并增大熔池的尺寸，發(fā)現(xiàn)可以使用相對較小的凹槽來抑制未熔合缺陷。他們采用改進(jìn)型噴嘴，可在坡口內(nèi)，毛細(xì)管力可通過側(cè)面保護(hù)氣體的壓力來平衡，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，可通過間隙的上邊緣（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，形成了無未熔合和氣孔的焊接接頭。雙光束激光焊接可通過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，保證焊接過程的穩(wěn)定。
Wang等人采用YLS-5000 W光纖激光器，通過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α相和轉(zhuǎn)變β相組成。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)合焊接的熔深比開放空間焊接的熔深高10–22%。受限空間通過減少熱損失提高了傳熱效率，增強(qiáng)了保護(hù)氣體的流動強(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發(fā)過程中，高達(dá)32 kW的盤式激光系統(tǒng)和高達(dá)100 kW的光纖激光系統(tǒng)已進(jìn)入現(xiàn)場，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題是缺陷控制，即消除裂紋和減少氣孔。通過添加填充絲和優(yōu)化接頭幾何形狀解決了這一問題。通過32 kW圓盤激光-MIG混合焊接，從兩側(cè)采用I型對接接頭，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，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 自動送絲實(shí)驗(yàn)設(shè)備
在三種厚度（12、15和18mm）下，通過優(yōu)化參數(shù)，采用混合焊接實(shí)現(xiàn)了鈦板的對接焊接。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。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輛和船舶。然而，對于大型厚板焊接，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 厚板焊接中的問題和挑戰(zhàn)
3.1 缺乏融合
在厚板窄間隙焊接過程中，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)生可歸因于焊接過程不穩(wěn)定或坡口間隙過大。熔合區(qū)凝固速度快，液態(tài)金屬流動性差，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)堆焊過程中未重新熔化的填充金屬會導(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預(yù)測焊縫內(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)壁與熔池之間的潤濕能力增強(qiáng)，表面形貌得到改善。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無缺陷焊接接頭。
3.2 孔隙度
在鈦合金焊接過程中，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題是焊縫氣孔。氣孔可以是一種或兩種類型的混合物：第一種是凝固過程中枝晶臂內(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)，高能束焊接過程中小孔的行為對于氣孔的形成至關(guān)重要。小孔不穩(wěn)定性有時會導(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，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速率，因此，部分氣泡無法從熔池中逸出，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
在窄間隙焊接過程中，鈦合金經(jīng)歷了劇烈的擴(kuò)散和凝固過程，產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致嚴(yán)重變形甚至開裂。焊接區(qū)和HAZ區(qū)域可能出現(xiàn)冷裂紋。裂紋是沿晶開裂，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)措施對焊接質(zhì)量影響很大。鈦合金較窄的凝固范圍和相變動力學(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，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)可能會明顯變形，從而阻礙進(jìn)一步的焊接過程或裝配。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，晶粒長大，這兩種情況都會對焊接接頭的機(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于焊縫中心線使用的工藝參數(shù)。通常，對于鈦合金，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，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，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。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)自動焊接，需要對坡口內(nèi)的焊接過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
來源：Narrow GapWelding for Thick Titanium Plates: A Review， Transactions on Intelligent WeldingManufacturing，10.1007/978-981-13-8668-8_2
參考文獻(xiàn)：Gerhard W, Boyer R, Collings E (1994) Materials properties handbook: titanium alloys. ASM Int USA, pp 13–25，Sun QJ, Wang JF, Cai CW et al (2015) Optimization of magnetic arc oscillation system by using double magnetic pole to TIG narrow gap welding. Int J Adv Manuf Tech 86:761–767
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