钛合金窄间隙TIG焊技术及质量控制评述

席少静， 李 慧， 孙清洁， 赵洪运， 刘喜明＊

（1.长春工业大学材料科学与工程学院，吉林长春 130012；2.哈尔滨工业大学（威海）船舶工程学院，山东威海 264209）

0 引 言

窄间隙焊接技术是将常规的焊接工艺与窄间隙坡口相结合，通过专门的装置和控制技术而集成的一种新型焊接技术。随着节能减排和绿色环保成为人类追求的目标，以及产业结构的变化和科学技术的发展，钛合金由于具有密度小、比强度大、耐腐蚀、抗蠕变性能好、生物相容性好、无磁性、无毒性、工作温度区宽、加工性（成形与焊接）好等许多优良特性，被誉为未来金属、空间金属和海洋金属，其广泛应用于海洋钻探、压力容器、航天、航空、大型机械、造船业、电力行业等领域，在国民经济中占有极其重要的地位［1－3］。钛合金的焊接方法有钨极氩弧焊（TIG）［4］、熔化极气体保护焊（MAG）［5］、电子束焊（EBW）［6］、等离子弧焊（PAW）［7］、激光焊（LW）［8］、搅拌摩擦焊（FSW）［9］等。使用传统焊接方法进行厚板钛合金焊接时，由于坡口面积的急剧增大，导致了焊接工程量成倍增加；厚板的大拘束度及传统技术的大填充量使焊接接头存在较大的残余应力和残余变形；还往往带来焊接接头较大的塑性、韧性损伤，进而导致焊接接头的力学性能变差等。然而窄间隙焊接技术不仅能使焊缝金属的填充量大幅度降低，而且坡口的横截面积也大大减少，所以，它普遍适用于各种大型且重要的焊接结构，是一种环保、经济、能够得到较好力学性能的优质焊接方法［10］。虽然TIG焊的焊接效率低于其它方法，但就目前的焊接状况看，许多产品对焊接质量的要求高于对焊接效率的要求［11］。这就导致了窄间隙TIG焊越来越受到人们的关注［12］。因为与其它的窄间隙焊接技术相比，窄间隙TIG焊技术的优点是：1）焊接过程中电弧稳定，飞溅少；2）适用于平焊、横焊以及全位置焊；3）焊缝的极限深度约为200mm，并且焊接精度高；4）接头的残余变形和残余应力小，沿板厚方向上更趋于致密化、均匀化；5）焊接线能量相对较小，熔池冷却速度较高，使得焊缝组织晶粒细化，而且大大降低了焊接热影响区的塑性、韧性损伤［13］。

1962年，Brown［14］等先是在不锈钢、铝合金、钛合金焊接中研究电磁搅拌的影响，并且发现晶粒细化现象；1971年，Tseng和Savage［15］第一个深入研究了TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响。随着研究的不断进行，发现磁场的引入对于窄间隙TIG焊是十分有发展前途的。北京工业大学的华爱兵［16］等研究了横向旋转磁场对TIG焊焊缝成形的影响，发现随着励磁电流的增大，焊缝熔深减少，熔宽增加。这一点正好可以应用于窄间隙焊接过程中，来解决焊接过程中的侧壁熔合问题［17］。

钛合金窄间隙TIG焊时要经历加热熔化、冶金反应、冷却结晶、固态相变［18］等一系列复杂的转化过程，在如此多的过程中，焊缝、熔合区、热影响区的组织和性能会对焊接接头的疲劳行为产生显著的影响，进而直接影响钛合金的使用寿命。因此，文中深入研究了如何通过焊接材料的合理选择，焊接工艺参数的正确制定，采取有效的试样清理方法和气体保护措施，以便获得晶粒细小的焊缝组织和满足性能要求的具有良好质量的焊接接头，并深入分析了该技术发展面临的挑战和亟待解决的关键基础问题。

1 窄间隙TIG焊的啮合强化效应机理

俄罗斯的中央结构材料研究院研制出了一种强度比母材低而塑性比母材高的焊丝，将其应用于钛合金的窄间隙TIG焊接技术，这对于钛合金的焊接是极其重大的突破。焊接后的焊缝金属不仅塑性较高，而且其强度也可以达到与母材相当的水平，接头不需要再进行热处理强化［19－20］。焊缝金属与母材的等强度是通过啮合强化机理来实现的。当板厚和焊缝金属的宽度满足一定比例关系时，焊接接头在外力的作用下就会表现为啮合强化效应。钛合金窄间隙TIG焊引起焊缝啮合强化的原因：对于钛合金来说，焊接接头组织是由基体的等轴晶组织和焊缝马氏体α′相的针状组织组成［21－22］。针状α′相尺寸及形状取决于焊缝的化学成分、焊件厚度、焊接工艺、焊接线能量等各种因素。针状α′相随着被焊金属厚度的增加和线能量的减少而细化。厚板钛合金进行窄间隙TIG焊接时，焊缝冷却速度快，会形成细针状α′相。在外加载荷作用下，焊缝组织相互交错，发生啮合，焊缝机械性能得到提高。窄间隙条件下，当焊接接头承受的外加载荷增加到一定程度时，会在焊接接头位置出现相对复杂的应力分布，进而增强了焊缝金属承受载荷的能力。

2 钛合金窄间隙TIG焊的质量控制

2.1 焊接材料对焊接质量的影响

2.1.1 氩气

钛合金窄间隙TIG焊焊接时用的氩气应该为一级氩气，纯度需要达到99.99%以上，相对湿度小于5%，水分小于0.001mg／L，杂质总含量必须小于0.02%。焊接过程中，如果氩气瓶的压力下降至1MPa时，应立即停止使用，以确保焊缝金属的质量。

2.1.2 焊丝

严格来讲，焊丝表面不能有氧化色、裂纹、非金属夹杂物等缺陷存在，最好以真空退火状态供货。在焊接开始前，应对焊丝进行彻底的清理，否则焊丝表面的杂质可能会污染焊缝金属。

比较常用的焊丝牌号有TA1，TA2，TA3，TA4，TA5，TA6及TC3等。一般来说，填充焊丝的成分应该与母材金属的成分相同。为了提高焊接接头的塑性，可以选用塑性比母材高而强度比母材金属稍低的焊丝。例如焊接TC4和TA7等钛合金时，尽量选用纯钛焊丝，但要保证焊丝中的杂质含量应比母材金属低。

2.2 焊前清理及气体保护对焊接质量的影响

2.2.1 焊前清理

在钛合金窄间隙TIG焊焊接前，必须对坡口及其附近的区域进行仔细清理。焊丝和焊件的焊前清理在很大程度上决定了焊接接头的质量，当清理的不彻底时，就会在焊丝和焊件的表面形成吸气层，并导致焊接接头气孔和裂纹的产生。

因此，钛合金对焊前焊接区域的清洁程度要求十分严格。试样焊前清洗工艺过程［23］为：试板切割下料→待焊面机械加工（通过奥氏体不锈钢丝刷、细锉等进行加工）→除油处理（采用（5%～10%）NaOH＋丙酮溶液清洗的方法，将焊丝表面和坡口两侧30mm以内的油脂、氧化皮、毛刺等清理干净）→水冲洗→酸洗（酸洗液配方为（2%～4%）HF＋（30%～40%）HNO3＋H2O，试样需在酸洗液中浸泡5min左右）→水冲洗→烘干保存。酸洗后的试样为银白色，在临焊前，再用丙酮或酒精擦洗一遍，洗净烘干后立即进行焊接，且焊件必须在2h内焊完，否则应重新进行酸洗烘干处理。

2.2.2 惰性气体保护

焊缝表面颜色是衡量钛合金焊接时惰性气体的保护情况和焊缝质量的重要指标，见表1［24］。

表1 钛合金表面颜色对接头质量的影响和处理措施

焊接结束后，可通过焊缝的颜色来判断接头被污染的程度。

钛表面生成的氧化膜的颜色与温度有很大关系：当温度在200℃以下时为银白色，说明焊缝表面几乎没有被污染；300℃时为淡黄色，400℃时为金黄色，表明焊缝受到了轻微的污染；500℃时为深蓝色，600℃时为紫色；700～900℃为灰色，说明焊缝污染严重，这样的焊接接头在任何场合下都是不合格的。温度较低时氧化色仅为表面薄薄的一层，可以通过酸洗的方法去除；温度较高时的氧化程度逐渐加深，对焊缝金属的质量产生了极其严重的影响。

2.3 工艺参数对焊接质量的影响

钛合金窄间隙TIG焊的工艺参数主要包括：焊接速度、焊丝直径、焊接电流、送丝速度、电弧长度、电流衰减时间等。

2.3.1 焊接速度对焊接质量的影响

当焊接电流等工艺参数一定时，焊接速度越小，焊接的材料厚度越大；如果焊接速度超过合适的范围区间，便会产生烧穿、凹陷、未焊透等缺陷。在钛合金窄间隙TIG焊中采用较低的焊接速度更有利于保证焊缝金属的质量。但是焊接速度低到一定程度时，会导致焊件变形增大，且生产效率降低。

2.3.2 焊丝直径对焊接质量的影响

接头间隙、焊件厚度与焊丝直径具有一定的匹配关系，当接头间隙、焊件厚度很大时，则应该选择稍大一些的焊丝直径。选择不当就会造成焊缝余高过大、过小或未熔合等问题，使得焊缝金属成形质量较差。

2.3.3 焊接电流对焊接质量的影响

在焊缝尺寸符合要求、焊接过程稳定的情况下，倘若焊接电流选择适当，则焊接接头质量良好；焊接电流过大时，容易产生烧穿现象，背面熔化的金属下淌，形成凹坑、咬边等缺陷；然而焊接电流过小时，则会产生未熔合、未焊透等缺陷。

2.3.4 送丝速度对焊接质量的影响

焊接速度、焊接电流、接头间隙、焊丝的直径等因素与焊丝的送丝速度关系密切。一般认为，若焊丝直径较大时，送丝速度应该稍微减慢一些；当焊接速度、焊接电流、接头间隙较大时，送丝速度则应该加快一些；假如送丝速度选择的不合理，将导致凹坑、烧穿、未焊透、焊缝余高过量等缺陷的产生。

2.3.5 电弧长度对焊接质量的影响

电弧长度与焊丝直径、焊接电流、电弧电压有一定的关系，一般采用大直径焊丝，大电流时可以适当地增大电弧长度；如果电弧长度选择的不合理，便会导致气体保护效果不好、未焊透、碰钨等严重问题。然而，电弧长度与电弧电压表现为线性比例关系，当电弧长度增大时，电弧电压成正比例增加，电弧产生的热量也愈多。但是当电弧长度超过合适的范围后，在弧长增大的同时，弧柱的横截面积也增加，导致气体保护效果变差，而且热效率降低。

2.3.6 电流衰减时间对焊接质量的影响

窄间隙TIG焊焊缝金属的收尾处常常会产生弧坑缺陷，为了消除弧坑缺陷必须采用焊接电流衰减装置。电流衰减装置可以延长气体对熔池的保护时间，使焊接电流按照需要的速率下降，进而使得熔池的冷却速度大大降低，改善熔池的流动方向和熔化金属对缩孔、弧坑的填补情况，从而弧坑缺陷得到了有效地解决。

3 面临的挑战和亟待解决的基础问题

钛合金在窄间隙TIG焊接过程中经历着电弧的剧烈加热扩散和冷却凝固，在钛合金内部产生很大、极其复杂的热应力、组织应力和机械约束应力及其强烈非稳态交互作用和应力集中，可能会导致钛合金严重变形与开裂，是制约该技术发展和应用的“第一大”瓶颈问题。

与此同时，在钛合金窄间隙TIG焊焊接过程中，主要的工艺参数、合理的焊接材料、有效的试件清理方法和气体保护措施等一切影响焊接质量的因素，都可能在钛合金局部区域产生各种特有的内部缺陷（如气孔、裂纹、咬边、未熔合等）并影响钛合金最终的焊缝质量、力学性能和使用安全。事实上，显微组织和焊缝缺陷控制一直是制约钛合金窄间隙TIG焊技术发展和应用的又一重大“瓶颈问题”。

要实现对钛合金窄间隙TIG焊接过程内应力的有效控制和零件变形开裂的有效预防，必须首先认识清楚：

1）电弧剧烈热循环作用下零件“热应力”的演化规律及其与钛合金窄间隙TIG焊焊接工艺条件及零件结构的关系；

2）剧烈加热扩散和冷却过程中材料的“组织应力”形成规律钛合金窄间隙TIG焊接工艺条件和零件结构的关系；

3）“凝固收缩应力”形成机理、演化规律钛合金窄间隙TIG焊接工艺条件和零件结构之间的关系；

4）热应力、组织应力、凝固收缩应力和外约束应力的非稳态耦合行为、演化规律和零件变形开裂之间的关系。

然而，要实现对钛合金窄间隙TIG焊接过程中“焊缝质量”的有效控制，必须深入认识以下问题：

1）局部凝固组织特征及其与钛合金窄间隙TIG焊接工艺参数和焊接条件之间的相互关系；

2）局部凝固过程和钛合金特有缺陷形成规律间的关系。

总之，应对钛合金窄间隙TIG焊接技术“变形与开裂”预防和“焊缝质量”控制两大“瓶颈问题”的最有效措施，是加强对钛合金“内应力演化规律与变形开裂行为”、“凝固组织形成规律焊缝缺陷形成机理”等关键性问题的认识和研究。

4 结 语

窄间隙焊接技术已成为焊接领域的一个热点，它正在改变焊接中采用常规的大坡口、大填充量、大能耗的局面。但是，钛合金窄间隙TIG焊的啮合强化效应机理以及质量控制有待于国内外学者们进行更深层次的研究。特别是开发研制大厚板钛合金及其配套焊接材料和工艺技术的研究，以扩大窄间隙TIG焊接技术在钛合金厚板焊接领域的推广应用。目前，窄间隙焊接技术已逐渐成为中厚板焊接的主流技术，成为当今低碳、节能时代潮流之中的佼佼者。最重要的一点，钛合金窄间隙TIG焊接技术所带来的巨大的经济效益和社会效益是毋庸置疑的。

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