前言

鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、可焊性好、高低溫性能穩定、熱導率低等特點，在裝備制造、航空、航天、海洋、電力、化工等領域的應用越來越廣泛[1]。隨著深海領域裝備、深潛器、海底無人科學實驗站及其他特種技術裝備的發展，鈦合金結構件的厚度需求也不斷增加，因此，如何高效、高質量、低成本地實現大厚度（≥25mm）鈦合金焊接一直是眾多學者不斷追求的目標。

1、常用大厚度鈦合金焊接技術現狀

在大厚度鈦合金焊接技術方面，采用傳統的焊接技術，往往需要開較大的坡口，且填充次數多、填充金屬多，造成焊縫寬度大、焊接變形大、焊接效率低等實際問題[2]。隨著窄間隙思想與高能束作為焊接熱源思路的提出與應用，各種新的焊接技術及基于窄間隙、高能束焊接而改進的焊接技術層出不窮。文中以文獻[3－5]對窄間隙焊接和超窄間隙焊接給出的定義為基礎，按照焊縫間隙和加工坡口大小，將目前國內外常用的大厚度鈦合金焊接技術劃分為3大類，其具體劃分情況見表1。

1.1　大間隙大坡口焊接

1.1.1　傳統TIG焊

鎢極氬弧焊（TIG）的工作原理是將難熔的釷鎢或鈰鎢作為電極，用氦氣或氬氣來進行焊接過程保護的一種電弧焊方法。焊接過程中，電弧在電極與焊件之間燃燒，利用氬氣或氦氣隔絕大氣，防止焊件受大氣中Ｏ2，Ｎ2，Ｈ2等氣體分子的影響。其具有焊接過程穩定、焊接成形美觀、焊后綜合力學性能好、操作簡單、易于實現自動化等優點，是鈦及鈦合金常用的焊接方法之一，理論上可焊接任意厚度；但考慮焊接效率、焊接填充量與焊接成本，一般當焊件厚度＞50mm時，不宜用傳統TIG焊方法 進行焊接。

1.1.2　傳統MIG焊

熔化極氬弧焊（MIG）是以填充焊絲作為電極，保護氣體氬氣或氦氣從噴嘴中以一定速度流出，將電弧熔化的焊絲、熔池及附近的焊件金屬與空氣隔絕，杜絕其有害作用，獲得良好的焊縫。與TIG焊相比，MIG焊焊接電流大、熔敷效率相對較高、焊接填充層數少、焊接效率高、成本低，因此，大厚度鈦合金焊接也常采用傳統MIG焊技術。但MIG焊存在飛濺大、焊縫成形效果差、焊接熱輸入大、焊接質量較低等問題；另外，MIG焊時填絲較多，要求焊接坡口角度比TIG焊更大；考慮焊接成本、質量等因素，在板厚＞50mm時，一般不宜用傳統MIG焊方法進行焊接。

1.2　窄間隙小坡口焊接

窄間隙小坡口焊接具有以下特征：①多采用Ｉ形、Ｕ形或雙Ｕ形坡口；②多層少道（1～3道）焊接；③上下焊接道數幾乎一致，焊縫寬度一致性高；④多采用熱輸入小的焊接技術進行焊接；⑤焊縫最大間隙有限制，見表1。現有的窄間隙焊接技術種類多，且每種焊接方法都有各自的特點，文中僅列出大厚度鈦合金窄間隙焊接目前比較常用的幾種焊接方法。

1.2.1　窄間隙TIG焊

（1）窄間隙熱絲TIG焊

窄間隙熱絲TIG焊通常采用獨立的焊絲加熱電源或熱絲送絲機對焊絲進行加熱，使得焊絲在被送入熔池前提高到一定溫度（鈦合金焊絲一般加熱至300～500℃），從而提高其熔敷效率，實現提高焊接效率的目的。目前，熱絲ＮＧ－TIG的研究主要集中在設備研制、窄間隙坡口、焊槍的設計，以及在特定領域的應用[6]。此外，根據鎢極是否擺動，國內將熱絲ＮＧ－TIG設備分為3種類型，分別為單道不擺動、單道擺動、雙道擺動。國外則是根據焊槍類型及加熱電流的不同，也將其分為3種，分別為普通式、（送絲系統一體化）HST式、旋轉＋HST式[7]，如圖1所示。許江曉等人[8]、張建新等人[9]的研究表明，窄間隙坡口的形式對熱絲ＮＧ－TIG的焊接質量尤為重要，直接影響到焊接時根部是否熔透、側壁是否熔合等關鍵問題。法國ＳＡＦ公司開發了新型熱絲焊接工藝[10]（ＴＯＰ－TIG），該方法可以直接利用電弧柱輻熱和等離子區的高溫填充焊絲，可成倍地提高熔敷效率，加快焊接速度，而且其焊縫質量好，不產生飛濺，經濟性能好。

（2）窄間隙雙鎢極TIG焊

雙鎢極TIG電弧復合焊（ｔｗｉｎ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅTIG），于1998年由日本研究人員Ｙａｍａｄａ等人首次提出[11]，因其采用2個電源、2根鎢極而得名雙鎢極。在焊接過程中，2個鎢極共同發射電弧，電弧在洛倫茲力、電場力、重力等力的相互作用下發生電弧耦合，使得電弧沿寬度方向發生擴展，增加了電弧寬度，從而有利于解決窄間隙內部側壁未熔合的問題，如圖2所示。而且，耦合的電弧能量提升，焊接速度也有所提升，可以提高焊接過程中的熔敷效率。

Ｋｏｂａｙｓｈｉ等人[12]及冷雪松[13]的研究結果表明，雙鎢極氬弧焊不僅可以大幅提高焊接熔敷效率，也可以提高其焊接速度，在高速焊接時，焊接熔池液面穩定，同時也降低了咬邊和駝峰等成形缺陷出現的概率。洛陽船舶材料研究院開發了鈦合金雙鎢極ＮＧ－TIG焊接技術，最大焊接厚度可達120mm；并進行了全位置鈦合金厚板窄間隙焊接試驗，發現其熔敷效率提升將近４倍，焊后無損檢測和力學性能均滿足鈦合金厚板焊縫Ｉ級標準。

（3）磁控窄間隙TIG焊

磁控窄間隙TIG焊是通過在焊槍前端增加偏轉線圈，在焊接過程中，通過改變焊接電流，從而獲得交變的磁場，使等離子體在洛倫茲力的作用下發生偏轉，得到來回擺動的焊接電弧，改善窄間隙焊接過程中容易產生的側壁未熔合問題。

文獻[1４]研發了一種結構簡單的磁控窄間隙TIG焊機，其布置示意圖如圖3ａ所示，該焊機結構簡單，改裝方便，在一定程度上推動了磁控ＮＧ－TIG焊接技術的發展。文獻[7，15]的研究發現：磁場的引入可以在一定程度上改善鈦合金大厚板窄間隙焊接過程中的側壁未熔合問題，而且磁場的引入，對熔池起到一定程度的攪拌作用，使得焊接接頭的焊縫組織更均勻、力學性能更加優異。焊接過程示意圖如圖3ｂ所示。

1.2.2　窄間隙MIG焊

窄間隙熔化極氣體保護焊（ＮＧ－MIG）是焊接大厚板的一種高效焊接方法，在應用中占有很高的比例。采用單面焊可焊接20～305mm的鈦合金厚板，采用雙面焊最大焊接厚度可達560mm；其坡口主要采用Ｉ形，明燦等人[16]提出在Ｉ形坡口的基礎上，設計一個較小角度（0.5°～1.5°）的反變形可以得到成形良好的焊縫。但從經濟及操作難易程度上來考慮，最適用的板厚為20～50mm。

鈦合金厚板的焊接一般采用低熱輸入ＮＧ－MIG，其具有焊接電流低、熔池小、焊絲直徑小、導電嘴可達性好、坡口間隙小（6～9.5mm）等特點。但由于熱輸入低、焊接熔池小，在焊接過程中容易產生側壁未熔合現象，造成焊接質量缺陷。為了解決側壁未熔合問題，近幾十年來逐步研發出了波浪式焊絲ＮＧ－MIG、麻花狀焊絲ＮＧ－MIG、焊槍或導電嘴擺動ＮＧ－MIG、磁控ＮＧ－MIG、雙絲ＮＧ－MIG等技術，極大地促進了其在大厚度鈦合金焊接方面的發展與應用。

1.2.3　窄間隙激光填絲焊

窄間隙激光填絲焊（ＮＧ－ＬＢＷ）是將高功率密度的激光源照射在窄間隙焊縫內部的焊絲及側壁母材上，使焊絲與母材發生融化后填充在窄間隙內部，達到焊接的目的。其具有焊接能量密度高、熱輸入小、速度快、變形小、熱影響區窄等特點，已成為大厚度鈦合金結構件制造的關鍵技術之一[17]。但是，由于激光束斑直徑小、束斑位置能量高、存在匙孔等現象，使得其在大厚度填絲焊過程中比窄間隙TIG，MIG焊等更加容易產生側壁未熔合和氣孔等缺陷。

Ｚｈａｎｇ等人[18]發現激光功率和填充量是影響焊縫成形的關鍵因素。為了解決側壁未熔合和氣孔等缺陷，擺動激光焊技術應運而生，其常見的焊接裝置及擺動方式示意圖如４ａ，ｂ所示。

Ｙａｍａｚａｋｉ等人[20]及徐楷昕等人[21]的研究結果表明，當擺動幅度和頻率在一定范圍內時，激光束對熔池具有一定的攪拌作用，可以抑制晶粒的生長，得到細化的晶粒組織，且接頭成形良好、氣孔少，力學性能優異，進一步促進了其發展。

1.2.４　窄間隙潛弧焊

窄間隙潛弧焊（ＮＧ－ＳＡＷ）與其他電弧焊的不同點是電極產生的電弧在母材表面以下，位于保護氣體吹力和電弧力的合力產生的空腔內部，使得其能量利用率高，焊接效率非常高。其首先出現在20世紀80年代，一經出現，就迅速應用于大厚度金屬構件的焊接過程中，尤其是壓力容器、重型機械、海洋工程和壓力管道等，可焊厚度可達700mm，可以實現高效率、低成本焊接。美國ＡＭＥＴ公司、Ｌｉｎｃｏｌｎ和英國Ｍｅｔａ公司合作[22]，發明了一種帶激光掃描跟蹤的精密窄間隙雙絲潛弧焊焊機頭。在保證高速焊接的前提下，可以提高焊接穩定性，從而保證焊接質量，在一定程度上促進了其發展。

雖然ＮＧ－ＳＡＷ可焊厚度范圍大，但其存在焊接熱輸入大、接頭的塑性和韌性差、焊接修補困難、裝配精度要求高、需要專用焊劑、焊接位置受限性大等缺陷，限制了其在大厚板尤其是鈦合金大厚板方面的應用。陳國慶等人[23]研究了29mm厚ＴＡ15鈦合金潛弧焊接頭，發現焊后接頭的塑性和韌性很差，拉伸試驗斷后伸長率僅有母材的50％，其斷裂位置均發生于焊縫中心粗大的柱狀晶區。都強等人[2４]通過在6４mm厚的ＴＡ15潛弧焊雙面焊接過程中添加ＴＡ1純鈦中間層填充板，得到了焊縫成形良好、塑性好的焊接接頭，為ＮＧ－ＳＡＷ在大厚板鈦合金焊接應用方面提供了新的思路。

1.2.5　窄間隙復合焊

（1）窄間隙激光－TIG復合焊

激光電弧復合焊由英國學者Ｓｔｅｅｎ于20世紀80年代初首先提出，其原理主要是通過將性質、能量類型完全不同的2種熱源結合在一起；激光束可以改善焊縫成形效果，而電弧焊可以彌補激光焊的裝配精度限制、減少裂紋和氣孔率[25]，提高母材的搭橋能力，增加其工程適用性，達到良好的協同增強效果，其原理示意圖如圖5所示。

Ａｕｂｅｒｔ等人[26]采用窄間隙激光－TIG電弧焊焊接了雙相鋼。將25mm厚的雙相鋼1４層填滿，熔敷率比TIG焊提高了10倍以上。黃堅[27]使用15ｋＷＣＯ2激光器完成了36mm厚低碳鋼的窄間隙激光－TIG復合焊接，僅需7層填滿全部焊縫，但接頭存在未熔合缺陷。

激光與TIG電弧復合焊具有諸多優勢，采用窄間隙激光－TIG復合焊技術是提升大厚度接頭焊接制造水平的有效途徑和關鍵方法[28]。但是，從實際情況來看，當前激光－TIG復合焊技術還專注于單層、薄板、中厚板、不同材料等焊接應用領域，對大厚度非鐵金屬，尤其是大厚度鈦合金窄間隙多層焊接技術缺乏系統的機理研究。

（2）窄間隙等離子弧－MIG復合焊

窄間隙等離子弧－MIG復合焊是在等離子弧－MIG復合焊的基礎上開發的一種專門用于焊接大厚度金屬及其合金的新技術。其焊接原理是：在焊接時，通過將等離子弧－MIG焊槍深入窄間隙坡口內部，且等離子弧和MIG電弧都進行擺動；等離子弧的擺動對坡口側壁進行了良好的加熱，擺動的MIG電弧熔化焊絲和母材，使得其焊接效率大幅提高，相比于窄間隙MIG焊，其焊接速度可以提高1倍以上。

與窄間隙潛弧焊相比，其焊接熱輸入大幅降低、沒有清渣工序、操作簡單、焊接質量更加可靠。另外，等離子弧－MIG復合焊在焊接過程中，等離子氣會對熔池產生攪拌作用，有利于熔池中氫的逸出，減少焊接氣孔等缺陷，提高焊接質量[29]，使得其更加適合大厚度非鐵金屬的焊接，在大厚度鈦合金焊接方面具有廣泛的應用前景。目前，國內外關于大厚度鈦合金窄間隙等離子－MIG電弧復合焊技術的研究較少，其技術的應用與改進主要集中在鈦及其合金的薄、中厚板方面及優化、改進復合焊槍方面。

1.3　無間隙或超窄間隙焊接

1.3.1　真空電子束焊（ＥＢＷ）

真空電子束焊（ＥＢＷ）是利用加速和聚焦的高速電子束流轟擊焊件接縫處產生的熱能，使金屬熔化的一種焊接方法，裝配間隙要求嚴格（＜0.15mm），屬于無間隙焊接技術。在大厚度鈦合金焊接方面，ＥＢＷ有其他焊接方式不可比擬的優勢：①焊接功率密度大，比普通電弧功率密度高100～1000倍[30]；②穿透能力強，可一次性焊透25～200mm（單面）的鈦合金特厚板[31]；③焊接速度快，熱輸入低，焊后變形小，接頭性能好；④焊縫純度高，可以避免熔合金屬受到Ｏ，Ｎ，Ｈ等有害元素的污染等。

ＥＢＷ首次應用于美國大型客機發動機———ＣＭＦ56渦扇發動機。由于電子束焊接熱源的屬性問題，電子束焊存在很多缺點：需要抽真空、設備成本高、裝配要求嚴格、真空室限制大、焊縫的韌性低、設備操作難度大等。注定了其適用范圍不像傳統焊接那么廣泛。雖然近年來局部真空電子束焊（ＮＶ－ＥＢＷ）技術發展迅速，但因為受其引出窗技術及焊件與束流間距的限制，目前整體發展趨勢較為緩慢，主要還停留在實驗室階段。

1.3.2　超窄間隙MIG焊

超窄間隙MIG∕ＭＡＷ焊（ＵＮＧ－ＭＡＷ）是在ＮＧ－MIG∕ＭＡＷ的基礎上發展起來的，首次報道于2000年。因其熱輸入低、間隙小、焊接熱影響區的塑韌性損傷極小、焊縫組織細小、焊接效率高、成本低等使其具有很大的技術優勢。張富巨等人[４]通過對ＮＧ－ＭＡＧ，ＮＧ－TIG，ＮＧ－ＳＡＷ，ＵＮＧ－ＭＡＷ四種焊接技術的焊接效率和焊接成本進行對比，發現ＵＮＧ－ＭＡＷ焊的填充能力大幅提高、焊接成本也比其他焊接技術低得多。

ＵＮＧ－ＭＡＷ對于電源、裝配精度、焊槍制造、焊接參數等要求比較高。因為其間隙比較窄，其高溫區的高效焊接保護技術、焊接過程電弧及熔池行為的穩定性、焊縫跟蹤技術有待完善和開發。目前ＵＮＧ－ＭＡＷ技術只在高強度鋼、超細晶粒焊接領域等應用比較多，在鈦合金厚板焊接領域鮮有報道，具有廣泛的應用前景。

1.3.3　超窄間隙激光填絲焊

超窄間隙激光填絲焊（ＵＮＧ－ＬＢＷ）屬于高能量密度焊接方法，相比于傳統電弧焊來說，其具有指向性好、能量密度大、焊接速度快、窄間隙適應性強等優勢；相比于ＵＮＧ－MIG焊，ＵＮＧ－ＬＢＷ不易出現電弧焊接過程中的焊絲回燒、側壁燃弧問題，所以，實現超窄間隙激光焊的難度在理論上要簡單得多。

雖然方乃文等人[32]對96mm厚ＴＣ４鈦合金板超窄間隙激光填絲焊進行了研究，并得到了無缺陷、組織和力學性能良好的焊接接頭，如圖6所示，但目前，將ＵＮＧ－ＬＢＷ技術應用于大厚度鈦合金產品的焊接還未見有關報道，主要因為其工藝參數及其不穩定、激光－焊絲之間的相對位置及坡口加工精度要求比較苛刻等原因，導致其主要還停留在實驗室階段。

2、結論與展望

通過目前國內外對于大厚度鈦合金的焊接技術的研究得出，不同的焊接特點與其未來發展趨勢息息相關：

（1）傳統TIG，MIG焊：焊接效率低、焊接過程費時、費力；但其工藝穩定、設備簡單、操作簡單、適用性強，在大厚度鈦合金焊接中起著不可替代的作用。

（2）ＮＧ－ＬＢＷ，ＵＮＧ－ＬＢＷ，ＥＢＷ都具有能量密度高、熱輸入小、焊接速度快、焊接變形小、熱影響區窄等優點。但ＵＮＧ－ＬＢＷ，ＮＧ－ＬＢＷ在填絲焊過程中比窄間隙TIG，MIG等更加容易產生側壁未熔合和氣孔等缺陷，而且其設備價格較高，生產適用性較差；ＥＢＷ在大厚度鈦合金焊接過程中無需填絲，一次可焊接厚度與焊接效率最高，但真空室與價格，限制了其使用范圍。

（3）ＮＧ－ＳＡＷ，ＵＮＧ－MIG都具有焊接效率高、成本低的優點；但是，潛弧焊存在需要清渣、需要專用焊劑、只能進行橫焊、焊接質量低等缺點；ＵＮＧ－MIG技術對電源、裝配精度、焊槍制造、焊接參數等要求比較高，其關鍵工藝、技術、裝備還處于開發階段。這些缺點的存在，限制了ＮＧ－ＳＡＷ，ＵＮＧ－MIG在大厚度鈦合金焊接方面的發展。

（４）窄間隙復合焊主要用于薄板和中厚板的鈦合金焊接，它不僅具有各自焊接技術的優點，在復合后也會對各自的焊接缺點進行互補。此外，其熔敷效率高、焊接效率高、焊接質量相對可靠，在大厚度鈦合金焊接方面具有一定的發展潛力。

（5）ＮＧ－MIG和ＮＧ－TIG都具備熱輸入低、焊接熔池小、易產生側壁未熔合缺陷、焊接效率低等問題，尚不能滿足未來大厚度鈦合金高效焊接的發展需求。優化后的ＮＧ－TIG焊技術如熱絲ＮＧ－TIG、雙鎢極ＮＧ－TIG、磁控ＮＧ－TIG等具有焊接質量高、焊接效率高、焊接過程穩定、焊接成本低等優勢，被認為是目前最適合大厚度鈦合金的焊接技術之一，可以作為大厚度鈦合金焊接的主要研究方向。

綜上所述，隨著高效、高質量、低成本大厚度鈦合金焊接技術的不斷開發與應用，各種新的焊接技術與焊接思想不斷涌現，極大地推動了大厚度鈦合金焊接技術的發展；也為大厚度、特大厚度鈦合金在全深海潛水裝備、高性能船舶、海洋工程、壓力容器、核工程等領域中的應用提供了可靠的技術支撐，對相關行業的提質、降本、增效和科技進步有著非常重要的意義。

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作者簡介：楊旭光（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向：鈦合金焊接．