厚钛合金焊接对航空航天和海洋领域有重要作用，而焊接厚钛合金还需要克服很多困难。

摘要

用于航空航天和海洋领域的大型厚钛合金结构需要接头完整性来满足要求。焊接技术是连接材料的重要形式，对厚构件的应用和推广起着至关重要的作用。本文综述了厚钛合金焊接中存在的问题和面临的挑战，介绍了自动化焊接技术的工艺特点，并对今后的工作提出了建议。

研究表明，钨极气体保护焊工艺稳定，广泛应用于大型钛结构的焊接。填充丝激光焊接是一种很有前途的替代传统制造方法，它具有坡口窄、焊接效率高、热输入低等特点，在厚结构焊接方面得到了广泛的研究。本文讨论了侧壁未熔合、气孔、焊缝变形和显微组织劣化等焊接缺陷的形成机理和抑制措施。未来的工作将集中在自动化焊接过程控制和参数优化方面。

1， 介绍

厚壁结构广泛应用于海洋平台、压力容器、核电建设和大型化工设备等领域。先进的工程材料及其在海洋工程设备中的应用已十分普遍。钛合金的结构部件被广泛使用，尽管其反应性很高。它们可以形成坚韧的保护氧化膜，因此具有良好的耐腐蚀性，在低温下不会失去韧性，具有良好的蠕变、抗氧化性、高强度重量比和良好的可焊性。加工厚钛合金的有效技术颇受欢迎。图1显示了厚钛板在全位置焊接载人航天舱上的应用。

图1 厚钛合金的应用

焊接技术是优化产品设计、降低生产成本的有效途径，对厚壁结构的推广和利用具有重要意义。用于厚板焊接的最常见工艺包括钨极气体保护焊（TIG）、金属气体保护焊（GMAG）、金属保护焊（SMAW）、电子束焊接（EBW）和激光束焊接（LBW）。焊接质量、显微组织旋转、焊接缺陷及其控制措施等焊接特性已被广泛研究。

在焊接这些厚材料时，传统的焊接方法需要更多的填充焊丝填充大角度坡口，从而导致较大的焊接变形、较宽的热影响区，从而降低接头性能。相比之下，窄间隙焊接方法采用小角度坡口，可以减少填充焊丝的数量，减少焊道，提高焊接效率。在众多焊接技术中，TIG、LBW和EBW通常用于钛合金部件的焊接。采用LBW、EBW等大功率电源，实现无填充焊丝的深熔焊接，焊接效率高，热输入低。这通常会导致较少的粗晶结构和优异的机械性能。

热线激光焊接过程中关键焊接变量的位置关系

然而，对于厚焊接结构，由于微观结构的不均匀性，机械性能可能沿厚度方向发生显著变化，并且已证明受所选焊接工艺参数和实际接头几何形状的影响。另一方面，高功率电源和真空环境的要求限制了其实际应用。另一种方法是将低功率电源与填丝窄间隙焊接相结合，以实现多层焊接，这可以调节焊缝微观结构并改善接头性能。该技术具有成本低、焊接生产率高、焊接热输入低等特点，被认为是最适合厚板焊接的方法。窄间隙焊接的过程控制和缺陷抑制非常严格，以获得无缺陷接头。表1比较了厚板焊接各种工艺的焊接特性。

表1 窄间隙焊接各种焊接工艺的比较

由于钛基合金的化学活性、较高的应变硬化和焊缝开裂倾向，其加工受到限制。钛将在250°C的纯氢、400°C的氧气和600°C左右的氮气中燃烧。在400°C以上的温度下，氧气和氮气也将扩散到钛中，从而提高抗拉强度，使焊接接头变脆。此外，氢可以以间隙固溶体的形式存在于钛晶格中，一些氢化物和氢化物决定了接头质量。熔合区焊缝开裂、冲击和延展性差的倾向使其容易焊接。此外，钛合金熔点高、导热性差和粘度大的特性有利于在焊接时形成较大的熔池，从而导致晶粒长大、冲击性能差、延展性差和焊缝开裂。因此，钛合金的焊接对于控制热输入以避免恶化焊接性能的焊接缺陷至关重要。

本文对各种焊接方法的窄间隙焊接特性试验研究领域的现有文献进行了综述。总结了厚钛合金焊接中存在的问题和挑战，并提出了相应的措施，为进一步的研究和开发提供思路。

2. 当前的发展趋势

2.1 窄间隙GMAW焊接

窄间隙焊接可以在厚板上实现小横截面的焊接。高效、高质量的电弧焊工艺已广泛应用于制造重型部件。对于正常的气体保护金属极电弧焊（GMAW）工艺，焊丝从触点的中心笔直伸出，因此，由于电弧热量和力集中在底板中，增加了对底焊道的熔深，并抑制了坡口侧壁的熔化。这种现象可能导致手指状穿透和侧壁未熔合缺陷。然而，GMAW焊接工艺适合厚板焊接，具有熔敷量大、焊接效率高等优点。在GMAW焊接大型厚壁结构时，确保足够的熔透深度是关键。

窄间隙金属活性气体保护焊系统具有较高的制造效率，用于焊接国际热核实验堆（ITER）装置中使用的AISI 316LN厚板。由于NG-MAG电弧焊接的热输入水平较低，因此成分分离较少，枝晶尺寸较小，这被认为是提高低温韧性的关键作用，可与TIG电弧焊接相媲美。

激光束反射实验装置的示意图

本文研究了保护气体成分对窄间隙MAG焊电弧特性和焊丝熔化特性的影响。在保护气体中加入氦气，呈现碗状焊道轮廓。侧壁熔合深度随着氦含量的增加而增加。喷嘴头的设计也可适应超窄间隙。厚截面的坡口壁达到了极限，采用了垂直放置电极的P-GMAW工艺，在坡口内每层沉积一条焊道。产生了无缺陷超窄多道焊。

目前已经提出了几种NG-GMAG方法，如旋转电弧、扭曲和蛇形线工艺，以增加对槽侧壁的足够穿透力，这可以有效解决缺乏熔合缺陷的问题，并在实践中得到广泛应用。

图2 NG-GMAW焊接旋转电弧系统(D:旋转直径;N:转速)

NG-GMAW系统示意图如图2所示。改进的电弧运动可以增加对坡口侧壁的熔深，同时减小截面厚度。从而提高焊缝质量，避免底焊道出现指状熔深。Wang等人优化了焊炬结构和工艺参数的关键工艺变量，即坡口侧壁的延伸深度和焊缝表面曲率随着摆动频率和侧壁停留时间的增加而增加，焊缝截面厚度减小，焊缝底部形状由单峰变为双峰。NG-GMAW工艺已成功应用于厚钢和铝合金的焊接。

为了提高沉积速率，同时研究了单熔池中双丝窄间隙焊接的工艺稳定性。结果表明，双丝窄间隙焊焊缝成形良好。当送丝速度大于10m/min时，侧壁无咬边形成。实验中建立了窄间隙焊接模型和电弧力模型，阐明了焊接参数对过程稳定性的影响机理。随着焊丝与边缘距离的减小，焊接过程的稳定性降低。为了保持焊接稳定性，焊丝与侧边之间的距离必须大于2.5 mm。

然而，与TIG焊接工艺相比，GMAW焊接稳定性差，热输入大。钛合金的焊接更注重接头的可靠性和质量，而不是焊接效率，因此对钛合金NG-GMAW焊接的研究较少。

2.2 窄间隙TIG焊接

钨极惰性气体（TIG）焊接技术是一种用途广泛的金属连接工艺，具有稳定的焊接过程和较低的热输入，非常适合于对热输入敏感的钛合金的焊接。由于熔池较小，侧壁未熔合现象明显，阻碍了TIG窄间隙焊的发展。Han等人采用TIG焊接工艺，通过U形、V形和X形坡口连接15 mm TC8。坡口几何形状主要影响热分布，从而改变显微组织演变和接头强度。

结果表明，U型和V型坡口焊缝区组织基本相同，分别为柱状β相、针状和粒状α相。X型槽的组织为柱状β相，α相为分散的等轴针状，晶粒尺寸最小。U型坡口接头的抗拉强度和伸长率最低，X型坡口接头的抗拉强度和伸长率最高。U型槽断裂以脆性断裂为主，X型槽断裂以准解理断裂为主。采用多道次多层TIG焊接工艺成功焊接了ITER等厚度更高（如40和60 mm）的先进聚变反应堆。获得了无缺陷接头，但由于焊缝坡口较大，焊接效率较低。

Cook和Levick提出了热丝TIG焊接工艺，以解决侧壁熔合缺陷的不足，避免焊接裂纹的形成，提高焊接效率。然而，由于焊丝电流引起的磁弧吹扫，使得焊接过程变得不稳定。建议使用脉冲电流对填充线进行预热，以避免磁打击。磁吹仅在导线脉冲电流期间产生，在非脉冲期间未发生磁吹。随着脉冲周期比的减小，磁吹周期比减小，加工性能没有受到太大的损害。

磁场和移动电子的相互作用会产生洛仑兹力，影响焊接电弧形态，从而将热能分布在坡口侧壁上。磁弧振荡可增加焊缝宽度，侧壁熔深明显增加。1971年，Tseng和Savage首次研究了电磁搅拌，以细化微观结构并提高力学性能。随着研究的继续，他们发现在窄间隙焊接中引入磁场具有很大的前景。图3和图4分别显示了磁辅助TIG焊炬和电弧特征。可以看出，在磁场作用下，焊接电弧转移到坡口侧壁，这可以抑制侧壁的不完全熔合。

图3 磁辅助TIG窄间隙焊接头

图4 不同焊接形式下的电弧轮廓:无磁场;b无窄坡口磁弧焊;c窄坡口磁弧焊

乌克兰帕顿电焊研究所首次开发了磁辅助TIG窄间隙焊接装置，磁场可以有效控制坡口内的焊接电弧，并重新分配电弧热量，增加侧壁穿透。该技术需要合理、标准的焊接工艺参数和高精度的装配。Yu等人使用磁控窄间隙焊接技术焊接了30和100 mm厚的TC4钛合金。焊接电弧在磁场作用下可以周期性地实现横向振荡。外加磁场可有效避免侧壁熔合不良的问题，通过振荡焊接电弧实现侧壁熔合良好的接头。电弧摆动和电极位置对焊缝成形和工艺稳定性有很大影响。

采用双磁极以防止侧壁熔合不足，并提高厚部件焊接的效率和质量。电弧磁振荡导致流经两侧壁的电弧电压和焊接电流发生变化，从而导致电弧热量重新分布。磁场使焊接电弧摆动，将更多的热量带入侧壁，确保侧壁熔透。结果表明，沟槽侧壁完全熔化，形成了良好的接头。

此外，Kobayashi等人开发了一种高效TIG焊接方法，该方法在一个焊炬内使用两个电极。该工艺在槽壁中产生了一致的穿透力和较高的沉积速率，非常适合用于建造大容量LNG储罐和厚壁压力容器。同时，选择了合适的垂直和水平焊接位置（周边焊接位置）的焊接条件，确定了良好的接头性能。

图5 双电极示意图

图6 不同焊接位置的脉冲电流控制

图5和图6显示了不同焊接位置的电弧特征和电流控制。利用这项技术，成功地焊接了190mm厚的钛板。此外，开发了双丝工艺以提高沉积速率。获得了稀释度较低、热影响区较小、熔覆质量较好的焊缝，这也有可能用于焊接厚板。Lassaline和North报告了双丝焊接的沉积速率高于单丝焊接，并解决了缺乏熔合缺陷的问题。

图7 旋转钨极氩弧焊工艺的电弧特性

然而，由于槽边较大，限制了该方法的应用范围。旋转钨电极设计用于窄间隙焊接，如图7所示。周期性旋转电弧可以改善侧壁熔合，并持续搅拌熔池。在垂直位置的窄间隙焊接中，确保了侧壁的充分熔合。一般情况下，窄间隙电弧焊接通常需要较大的坡口和复杂的焊接装置，这会导致焊接效率低，并有可能形成缺乏熔合的缺陷。另一方面，大的残余应力、变形和不良的接头强度已成为制约窄间隙焊接技术发展的主要瓶颈。因此，进一步压缩坡口宽度和引入高能束热源对提高焊接效率和质量是必要的。

2.3 使用填充焊丝的窄间隙激光焊接

与传统的弧焊技术相比，激光热源在厚板焊接中具有许多优点，如能量密度集中、焊接速度快、热影响区窄、热变形小。然而，窄间隙激光焊接的一些缺点，如激光光斑小、激光与焊丝/电弧的对准能力差、焊接飞溅等，也亟待解决。热丝激光焊接实验系统如图8所示。

图8 热丝激光焊接实验系统

采用填充焊丝的窄间隙激光焊接是一种结合了窄间隙焊接和激光焊接优点的技术，被认为是最适合厚板焊接的方法。该工艺具有填充量小、热影响区窄、电源低等优点，可有效提高厚板焊接质量。激光焊接技术的一个缺点是，它与相对较高的冷却速率有关，与弧焊技术相比，这导致开裂风险增加，显微硬度更高。为了解决这一焊接缺陷，一些研究人员建议采用预热来防止凝固裂纹的形成。预热可以减轻周围组织的约束，降低焊缝中的热梯度，减缓冷却速度。

此外，Karhu和Kujanpä在下道次中使用了大量热输入来消除热裂纹。然而，这种方法有恶化焊缝微观结构的趋势，浪费了大量的热输入。Elmesalamy等人报告，与电弧焊相比，当从两侧焊接20 mm厚的AISI 316L级不锈钢板时，添加填充丝的窄间隙激光焊接的焊道数从43个减少到20个。与GTA焊接相比，窄间隙激光焊接的残余应力通常降低30–40%。然而，填充焊丝的引入使焊接过程变得复杂。在超窄间隙激光焊接中，激光功率、焊接速度和送丝速度等工艺参数及其相互作用对控制焊接质量具有重要意义。

统计建模和多变量优化用于消除空洞和缺乏熔合缺陷。工艺参数优化如图9所示。研究了输入参数与单胎圈几何形状之间的相互作用。获得了多道次窄间隙激光焊接的最佳焊接参数，获得了缺陷较少的接头。

图9 焊丝激光焊接工艺参数优化

Phaoniam等人开发了一种用于窄间隙焊接的高效热丝激光混合工艺，发现热丝激光焊接能够在母材稀释度非常低的情况下产生完整的焊接熔敷。熔池反射的激光能量是实现侧槽壁熔化的关键。实验中研究了工艺稳定性和参数优化，以了解焊接特征。必须避免的缺陷包括热裂纹、空洞、未熔合和不规则的最终焊缝表面拓扑。通过对电线进行电预热，可以实现良好的润湿条件，该技术显示出很高的潜力。

此外，热丝增加了焊接过程的稳定性，改善了焊缝形成，同时减少了焊接过程中的总能量输入，从而提高了能量使用效率。在热丝激光焊接过程中，与冷丝激光焊接相比，最大节能16%。图10显示了填充焊丝激光焊接的坡口尺寸和焊接接头横截面。

图10 用焊丝进行激光焊接的焊接接头截面

为了克服未熔合的问题，Yu等人尝试使用更多的激光束能量来熔合凹槽的侧壁并增大熔池的尺寸，发现可以使用相对较小的凹槽来抑制未熔合缺陷。他们采用改进型喷嘴，可在坡口内，毛细管力可通过侧面保护气体的压力来平衡，从而避免焊缝底部出现凹面弯月面。凹形弯月面有利于形成无缺陷接头。

实验中还研究了激光振荡焊接及其在窄间隙焊接中的有效性，如图11所示。通过振荡激光焊接直接加热间隙底部附近。然而，一些焊丝碎片可能以固态形式落入熔池中，导致焊接过程不稳定和焊丝成分偏析。当激光束振荡宽度低于间隙宽度时，可通过间隙的上边缘（试样前表面）避免激光束干扰−0.5毫米。

图11 振荡激光对珠表面宽度的影响

他们认为，振荡激光焊接是窄间隙焊接的有效热源，可使用热源（如热丝）熔化焊丝。激光振荡光束可以扩大焊缝宽度和浅焊缝熔深，以避免缺乏坡口侧壁熔合和指状熔深，这对于窄间隙焊接更为可取。另一方面，由于搅拌作用，束流振荡改善了焊缝形貌，促进了熔合区等轴晶的形成。随着焊缝形态缺陷的减少和等轴晶粒的增加，塑性增加。Li等人还发现，激光束振荡可以有效提高焊接过程的稳定性，抑制气孔的形成。

Dahmen等人采用双激光束焊接20 mm板材，形成了无未熔合和气孔的焊接接头。双光束激光焊接可通过改变光束间距和激光功率比灵活调节焊接温度和焊缝外观。双光束激光焊接的冷却速度大大低于单光束工艺，这有助于改善焊缝微观结构。本文研究了填充焊丝双光束激光焊接中光束结构对焊丝熔化和转移行为的影响，结果表明，具有最小转移周期和临界熔滴尺寸的并排结构的转移稳定性优于其他两种结构。窄间隙焊接采用振荡光束和双光束的前提是避免激光束与坡口侧壁的干扰，保证焊接过程的稳定。

Wang等人采用YLS-5000 W光纤激光器，通过多道次窄间隙方法焊接12 mm TC4板。结果表明，钛合金激光焊接过程中的主要缺陷是未熔合和气孔，优化工艺参数可以提高接头质量。有趣的是，与TIG焊接工艺相比，激光焊接的焊接效率显著提高。熔合区组织由β柱状晶和网状马氏体αr相组成。热影响区晶粒明显细化。部分转变的热影响区由马氏体αr相、转变α相和转变β相组成。此外，焊缝金属和热影响区的显微硬度高于母材，且硬度在焊缝金属附近的热影响区达到峰值（表2）。

表2 焊丝窄间隙激光焊接的研究现状

窄间隙激光焊接被认为是最适合厚壁结构的焊接方法。上述研究证明，可以获得无缺陷、性能优良的焊接接头。

2.4 窄间隙激光-电弧复合焊接

激光-电弧复合焊接结合了激光和电弧热源的优点，如能量密度高、焊接过程稳定、焊接适应性好等。激光-MIG/MAG复合焊接工艺具有焊接速度快、熔深深深、焊缝成形好、装配精度低等特点，是中厚板焊接中最常用的焊接方法。虽然激光加热可以获得较大的焊接深度，但复合焊接工艺对厚板的适应性较低。

由于空间约束效应，窄间隙激光-电弧复合焊接的熔深比开放空间焊接的熔深高10–22%。受限空间通过减少热损失提高了传热效率，增强了保护气体的流动强度，抑制了激光诱导等离子体的膨胀，提高了激光能量的吸收率。

Li等人比较了30 mm厚板的激光填丝焊接和混合激光GMAW焊接，采用多层、多道焊工艺。结果表明，在采用填充焊丝的窄间隙激光焊接过程中，经常出现夹渣和气孔缺陷，其位置符合一定的规律。彻底清理焊道可以减少这些缺陷的发生。激光-电弧复合焊接工艺明显改善了这些缺陷，因为较小的窄坡口降低了熔滴过渡频率或使熔滴粘附在侧壁上。

激光MAG接头的焊接强度和显微硬度高于母材。焊接速度可达9m/min，复合焊接接头具有良好的强度和延性。Li和Liu研究了钛合金的激光TIG焊接。焊缝由αr相和β相组成。在脉冲激光和脉冲TIG的搅拌作用下，针状αr呈松散、不规则分布。铝、锰含量稳定，无组分偏析。

激光-电弧复合焊接的坡口形状、尺寸和工艺参数对焊接质量有很大影响。复合焊接工艺的最大焊接深度由激光功率决定。到目前为止，厚型钢激光焊接的大多数研究工作仅限于35–40 mm的厚度，主要基于约20 kW的CO2激光器。在超高功率电源的开发过程中，高达32 kW的盘式激光系统和高达100 kW的光纤激光系统已进入现场，目前已成为与更厚截面焊接（高达约100 mm）相关的激光混合焊接研究的基础。

Nielsen报告了高功率激光混合焊接在重金属结构生产中面临的挑战和前景。较厚结构的激光复合焊接工艺的主要问题是缺陷控制，即消除裂纹和减少气孔。通过添加填充丝和优化接头几何形状解决了这一问题。通过32 kW圆盘激光-MIG混合焊接，从两侧采用I型对接接头，获得了40 mm结构钢（表3）。

表3 TC4厚板窄间隙TIG焊接、激光- mig焊接和填充丝激光焊接的比较

Su研究了激光-MIG复合焊接接头的组织演变和机械性能，发现随着焊接热输入的增加，马氏体厚度从0.49μm增加到0.82μm。多道焊时，焊缝经历的不同层间热循环次数和重熔次数较多，焊缝抗拉强度较高，抗冲击性较低，断裂方式由韧性断裂向混合断裂转变。Cao发现，与单次TIG焊接相比，钛合金的激光-TIG复合焊接可以细化熔合区晶粒内的晶体并增加针状α相，但复合焊接的热影响区宽度略大于TIG焊接，如图12所示。

图12 自动送丝实验设备

在三种厚度（12、15和18mm）下，通过优化参数，采用混合焊接实现了钛板的对接焊接。焊缝的所有抗拉强度可高达母材的95%。然而，随着板厚的增加，接头的塑性降低。这是因为多道焊的热积累导致了焊接区晶粒尺寸的增长。由于激光-电弧复合焊接工艺具有焊接效率高、全位置焊接和更好的焊接质量等诸多优点，使其成为工业应用的一个有吸引力的替代品。

混合激光弧焊可用于使用较少焊道数焊接中薄板，从而减少焊接变形。激光-电弧复合焊接的主要应用领域是汽车和船舶制造行业，在这些行业中，大量金属部件被焊接以制造轻型或重型车辆和船舶。然而，对于大型厚板焊接，通常采用单道焊接厚度。焊缝熔深主要取决于激光功率，限制了其在厚板焊接中的应用。图13比较了不同焊接工艺下TC4接头的横截面。

图13 TC4接头截面:窄间隙TIG焊;b laser-MIG焊接;C激光焊丝焊接

3 厚板焊接中的问题和挑战

3.1 缺乏融合

在厚板窄间隙焊接过程中，应避免因缺少侧壁熔合缺陷而大大降低接头质量。该缺陷的发生可归因于焊接过程不稳定或坡口间隙过大。熔合区凝固速度快，液态金属流动性差，导致熔敷金属不能完全覆盖坡口。熔化的母材金属和熔敷金属很难混合，导致缺乏熔合缺陷。这种缺陷与坡口参数、焊接参数和材料性能密切相关。在大多数情况下，该缺陷形成于相邻层之间的界面。

在后续堆焊过程中未重新熔化的填充金属会导致这些缺陷的形成。此外，它还出现在填充金属和基板之间的侧壁上。加热源不能有效熔化凹槽侧壁，导致侧壁未熔合缺陷。根据实验结果，熔敷金属的凹面凝固表面是消除缺陷的最有效方法。本文建立了基于量纲分析法的定量模型来预测焊缝内未熔合的情况。在槽的约束下，增加熔池内的向下流动可以形成凹面凝固表面。另一方面，降低熔池边缘的固液表面张力，可以减小坡口侧壁与熔池之间的表面润湿角，从而导致焊缝表面产生更深的凹坑。

为了克服这种焊接缺陷，研究人员提出了一些新方法，如改进的保护气体成分、窄间隙电弧振荡焊接、磁辅助TIG窄间隙焊接、激光束振荡焊接和超窄间隙激光焊接，共同点是，这些改进方法可以将焊接热重新分配到侧坡口或减小坡口宽度。随着侧壁热输入的增加，侧壁与熔池之间的润湿能力增强，表面形貌得到改善。通过优化焊接工艺参数，可以实现无缺陷焊接接头。

3.2 孔隙度

在钛合金焊接过程中，由于氢的存在、污染和工艺参数不当，更容易形成气孔缺陷。大量研究表明，窄间隙激光焊接的主要问题是焊缝气孔。气孔可以是一种或两种类型的混合物：第一种是凝固过程中枝晶臂内形成的微气孔，第二种是通常沿焊缝中心线排列的较大气孔。Tsukamoto强调，高能束焊接过程中小孔的行为对于气孔的形成至关重要。小孔不稳定性有时会导致孔隙率，而小孔不稳定性的机理非常复杂，至今尚未得到充分的理解。在凝固阶段使用填充丝进行窄间隙激光焊接时，熔池中的气体不断扩散到气泡中，导致气泡压力增大，形成大气泡。

随着温度的降低，凝固速率大于气体的浮动速率，因此，部分气泡无法从熔池中逸出，然后在焊缝金属中形成气孔。气孔的形成与焊接参数有很大关系，且在焊接接头中呈随机分布。这被称为冶金孔隙率，与不稳定锁孔产生的孔隙率不同。图14显示了激光焊接TC4板的缺陷。

图14 TC4激光焊接接头存在未熔合和气孔缺陷

孔隙的负面影响可能导致应力集中，并减少机械性能的有效面积。为了实现更安全、更长寿和更完整的焊接，研究人员还提出了一些抑制气孔的策略。有几种实用方法可用于减少和消除小孔不稳定性引起的孔隙度，包括工艺优化、降低环境压力条件的应用和光束调制。通常情况下，氢气和清洁度对于消除冶金孔隙至关重要。焊接前，基板和填充丝必须彻底脱脂。此外，必须使用最高纯度的保护气体。

3.3 显微组织劣化和焊接变形

在窄间隙焊接过程中，钛合金经历了剧烈的扩散和凝固过程，产生了复杂的应力状态，导致严重变形甚至开裂。焊接区和HAZ区域可能出现冷裂纹。裂纹是沿晶开裂，并且被认为部分是β-α相变期间体积变化的结果，再加上延展性降低。严格控制氢含量和真空退火处理是防止开裂的有效方法。另一方面，焊接工艺参数、焊接材料和防护措施对焊接质量影响很大。钛合金较窄的凝固范围和相变动力学导致熔合区出现大晶粒。

大型钛合金构件的显微组织和焊接缺陷制约着其焊接。焊接收缩时，残余应力在冷却的最后阶段产生，残余应力的分布极大地影响接头的疲劳性能。根据约束程度，结构可能会明显变形，从而阻碍进一步的焊接过程或装配。许多技术用于限制焊缝变形的发展，包括减少热输入、优化坡口尺寸、焊接和加工顺序、跟踪超声波振动和使用热处理。在这些方法中，最常用的是减少热输入和优化坡口尺寸，以减少厚板焊接过程中的焊接变形。

钛及其合金容易受到大气污染，并且随着温度的升高，晶粒长大，这两种情况都会对焊接接头的机械特性有害。焊接接头的微观结构在很大程度上取决于冷却速度。冷却速率为525至1.5°C/s−1导致马氏体相变、块状相变和扩散相变。410°C以上的冷却速率−1导致完全马氏体微观结构，在410和20°C之间观察到大量相变−1，这种转变逐渐被扩散控制的魏氏状态所取代，冷却速率降低，如图15所示。

图15 CCT原理图Ti-6Al-4V

Qi等人比较了钛板的电子束焊接、激光束焊接和钨极气体保护焊。TIG焊焊缝宽、变形大、晶粒粗大，而LBW焊焊缝最窄、变形最小、晶粒最细。细小的晶粒有利于焊缝性能的提高。转变的性质主要取决于焊接过程中合金的冷却速度和转变特征。特定位置的热循环取决于焊接工艺和焊接位置相对于焊缝中心线使用的工艺参数。通常，对于钛合金，热影响区可根据βtransus温度分为近热影响区和远热影响区。近热影响区的温度大约高于β晶区温度，低于液相线温度，而远热影响区的温度低于β晶区温度。

因此，热影响区经历了不同的热循环，导致组织呈现梯度特征，形成一系列不平衡相。当熔合线温度高于βtransus温度时，由于较快的冷却速度，形成马氏体或魏氏组织。远离熔合线时，发生大量再结晶，晶粒尺寸不均匀，导致机械性能波动。另一方面，焊接热输入随焊接工艺的不同而变化，改变了热影响区的加热速率、保温时间和冷却速率，从而导致组织的比例和形态不同。因此，热影响区与母材之间存在较大的显微组织差异，尤其是近热影响区是焊接接头的最薄弱区域。

多道焊的熔合区晶粒尺寸大致与焊道数成正比，因为热量累积和第二次热循环使凝固结构重新熔化。许多方法用于减小柱状物的尺寸，如脉冲交流电、磁振荡、振动和孕育剂。这些方法可以提高熔合区的延性和疲劳性能。

4. 结论

在航空、航天和导航领域，大型和厚实部件，尤其是钛合金的焊接是实现轻量化和集成化制造的关键技术。随着结构件和性能的快速发展，大型钛结构件焊接的难点在于：构件厚度的增加、焊接结构的复杂性以及对焊接质量和性能的高要求。从目前窄间隙焊接的研究现状来看，钛合金窄间隙焊接面临的挑战主要是解决焊接缺陷、控制焊接应力和提高效率。得出以下结论和未来范围：

1.TIG焊接可能是焊接钛合金最常用的工艺，因为它具有低热量输入和焊接稳定性。但其焊接效率低，焊接设备复杂，焊接材料多，限制了其应用。采用填充焊丝进行激光焊接可以明显提高焊接效率，但需要提高焊接稳定性以避免焊接缺陷。激光窄间隙焊接技术在大型结构件的焊接中具有广阔的应用前景。

2.为了提高可靠性和使用寿命，需要不断努力，尽量减少焊接缺陷，避免焊接接头失效。热源的重新分配和稳定的焊接工艺等建议对优化焊接几何结构至关重要。为了提高焊接质量，需要进一步研究缺陷的形成机理和组织演变，并提出相应的措施和进一步的验证。

3.在窄间隙焊接过程中，为了在实际工业制造中优化焊接工艺，实现自动焊接，需要对坡口内的焊接过程进行实时监控。

来源：Narrow GapWelding for Thick Titanium Plates: A Review， Transactions on Intelligent WeldingManufacturing，10.1007/978-981-13-8668-8_2

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