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鈦及鈦合金焊接方法與研究現(xiàn)狀
發(fā)布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新時間：2016-04-19
通過研制A-TIG焊可以使TIG高效地應(yīng)用在鈦合金焊接中，減少或消除了TIG等電弧焊接在鈦合金焊接中所可能產(chǎn)生的缺陷，使得其成為焊接鈦合金中最為便捷成本最低的焊接方法。改進(jìn)激光焊接方法采用復(fù)合熱源焊接，不僅彌補了激光焊焊接工作厚度相對較小的缺點，而且也減少了焊接中可能出現(xiàn)的缺陷，同時也降低了成本，提高了效率。
鈦具有比強(qiáng)度高、耐海水及其他介質(zhì)的腐蝕、耐低溫，以及高溫下具有高的疲勞強(qiáng)度、低的膨脹系數(shù)、良好的可加工性等優(yōu)點，用其建造的結(jié)構(gòu)在任何自然環(huán)境中都能充分發(fā)揮其作用。在艦船應(yīng)用中，除利用其耐海水腐蝕和高比強(qiáng)度特點外，還有無磁、透聲、抗沖擊震動等優(yōu)點，鈦及鈦合金在艦船中的使用大大延長了設(shè)備的使用壽命，減輕了重量，提升了設(shè)備及整艦船的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能，因此鈦是一種優(yōu)秀的艦船結(jié)構(gòu)材料[1-3]。?
焊接作為一種重要的金屬加工工藝，在工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中起著重要作用。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的焊接結(jié)構(gòu)是降低材料消耗，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效途徑，各種焊接技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，其焊接技術(shù)也越來越引起人們的重視。鈦的熔點較高、導(dǎo)熱性較差，因此在焊接時易因參數(shù)選用不當(dāng)形成較大的熔池，并且熔池溫度高，這使得焊縫及熱影響區(qū)金屬在高溫停留的時間較長，晶粒長大傾向明顯，使接頭塑性和韌性降低，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。所以鈦及鈦合金的焊接工藝方法是一個需要不斷解決完善的問題。?
鈦及其合金焊接特點?
1 鈦及其合金的物理化學(xué)性能?
鈦具有2種同素異形體，分別以α和β來表示，轉(zhuǎn)變溫度為882.5℃，其低溫晶體α為密排六方晶格，在882.5℃以上穩(wěn)定的β晶體為體心立方晶格。?
鈦的導(dǎo)熱性較差，其導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼略低。當(dāng)鈦中存在雜質(zhì)時，其導(dǎo)熱系數(shù)則有所下降。表1 列出了工業(yè)純鈦與其他金屬材料主要物理性能的比較。
工業(yè)純鈦及α鈦合金的焊接組織在常溫下是單相，根據(jù)冷卻速度的不同，生成鋸齒狀或針狀組織。各種機(jī)械性能與母材相比沒有大的變化，焊接性能良好。α+β鈦合金在從β相冷卻的過程中，形成馬氏體（α'相），α'相的數(shù)量和性質(zhì)按合金組成和冷卻速度發(fā)生變化。一般情況下，隨α' 相的增加，合金的延伸性、韌性降低，即使是焊接性良好的Ti-6Al-4V，當(dāng)β穩(wěn)定元素釩含量在5%以上時，焊接性能下降。β鈦合金的馬氏體生成溫度低于室溫，焊接處是亞穩(wěn)定β相，所以焊接性不劣化。但因合金元素添加過多，往往缺乏延伸性。另外，時效和冷加工使合金強(qiáng)度提高，而焊接會使強(qiáng)度有所損失，故不大采用焊接接合[4]。?
3 鈦合金的焊接缺陷?
3.1 焊接接頭區(qū)的脆化?
鈦及鈦合金焊接區(qū)易受氣體等雜質(zhì)的污染而產(chǎn)生脆化。造成脆化的主要元素有O、N、H、C 等。常溫下鈦及鈦合金比較穩(wěn)定，但隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收O、N、H 的能力也隨之明顯上升。Ti從250℃開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮。氮和氧對接頭強(qiáng)度和彎曲塑性影響較大，隨著焊縫中氮氧含量的增加，接頭強(qiáng)度升高，彎曲塑性降低，氮的影響大于氧。氫主要影響接頭的沖擊韌性。?
3.2 焊接區(qū)裂紋傾向?
（1）熱裂紋。?
由于鈦及鈦合金中含S、P、C 等雜質(zhì)較少，很少有低熔點共晶在晶界處生成，而且結(jié)晶溫度區(qū)間很窄，焊縫凝固時收縮量小，因此熱裂紋敏感性低。?
（2）冷裂紋和延遲裂紋。?
當(dāng)焊縫含氧、氮量較高時，焊縫性能變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下，會出現(xiàn)裂紋，這種裂紋是在較低溫度下形成的。?
在焊接鈦合金時，熱影響區(qū)有時也會出現(xiàn)延遲裂紋，氫是引起延遲裂紋形成的主要原因。防止延遲裂紋的辦法，主要是減少焊接接頭處氫的來源，必要時可進(jìn)行真空退火處理，以減少焊接接頭的氫含量。?
3.3 焊縫氣孔?
氣孔是鈦及鈦合金焊接中較為常見的缺陷，O2、N2、H2、CO2、H2O都可能引起氣孔。鈦及鈦合金焊縫氣孔大多分布在熔合區(qū)附近，這是鈦及鈦合金氣孔的一個特點。 焊縫中的氣孔不僅造成應(yīng)力集中，而且使氣孔周圍金屬的塑性降低，甚至導(dǎo)致整個焊接接頭的斷裂破壞，因此須嚴(yán)格控制氣孔的生成[5]。?
鈦及其合金焊接方法與研究現(xiàn)狀?
1 鎢極氬弧焊?
鎢極氬弧焊是鈦及其合金最常用的方法, 它是連接薄板和打底焊的一種極好的方法，通過選用合適的工藝參數(shù)可以實現(xiàn)較為良好的焊接。其不足是焊速較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大[6]；焊縫中易生產(chǎn)氣孔以及鎢夾雜等焊接缺陷；焊接過程易出現(xiàn)氣體保護(hù)不良而影響焊縫質(zhì)量等。TIG焊的脈沖頻率對鈦合金的晶粒尺寸和形態(tài)都有影響，脈沖頻率過高或過低時，焊縫區(qū)均為柱狀晶，強(qiáng)度較低，頻率適中時為等軸晶，對應(yīng)的強(qiáng)度也高一些。近些年來印度對鈦合金的TIG 焊研究相對較為全面[7]。?
M. Balasubramaniana 等通過對鈦合金（Ti-6Al-4V）進(jìn)行脈沖電弧焊實驗研究發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸和硬度與焊接參數(shù)之間具有如下關(guān)系:?
晶粒尺寸G S = 81.43-18.33P -14.17B-10.83F+15T+25.68P2+18.18B2 + 61.93F2 +25.68T2；硬度H=472.15+8.54P-6.87B+4.38F-5.62T 17.57P2-12.57B2-36.32F2 -15.07T2 + 1.56PF。?
其中，P表示峰值電流，A；B表示基值電流，A；F表示頻率，Hz；T表示時間。經(jīng)過試驗測定，該模型預(yù)測晶粒尺寸和硬度的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99% 的水平[8]。?
Balasubramanian 等[9]通過對脈沖TIG焊接參數(shù)對腐蝕行為影響的研究又發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖峰值電流的增加和脈沖頻率的增大，接頭的抗腐蝕能力上升，達(dá)到最優(yōu)值后，隨著脈沖峰值電流和脈沖頻率的繼續(xù)增加，抗腐蝕能力下降，同時隨著晶粒純度的增加抗腐蝕能力也會增大。但是對于能否在保證腐蝕最小的情況下，其他性能亦保持在較好的水平，可以通過上面公式計算出晶粒尺寸和硬度，從而預(yù)測其可能具有的性能。?
國內(nèi)較為關(guān)注的是A-TIG焊方法, 該方法是近10年來發(fā)展起來的增大焊接熔深，改善焊縫成形和焊接質(zhì)量，提高焊接生產(chǎn)效率的新技術(shù)。?
對A-TIG焊熔深，Liu等[10]采用單一活性焊劑試驗后發(fā)現(xiàn)，在相同的工藝參數(shù)下，A-TIG焊的熔深較傳統(tǒng)TIG焊大幅提高。進(jìn)一步的試驗結(jié)果表明氟氯化物活性劑能增加焊接熔深，即氟氯化物是增加鈦合金熔深的主要因素[11]。?
李曉紅等[12] 通過試驗確定，活性焊劑對鈦合金焊縫成形的影響是非常明顯的：在同等條件下不僅增大焊縫的熔深，減小焊縫的寬度，降低焊接時的熱輸入，還明顯減小焊縫的晶粒尺寸；對不同厚度的鈦合金材料進(jìn)行A-TIG焊時，其焊縫的結(jié)晶形態(tài)是一致的，呈對向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線上生長； A-TIG焊時焊縫的橫剖面形狀與TIG焊時有很大差異，其形狀呈現(xiàn)出單面焊雙面成形的杯狀特征，該形貌特征對焊縫力學(xué)性能有改善。?
作為技術(shù)核心的活性劑配方是制約該項技術(shù)發(fā)展的瓶頸。由于對配方的研究較為復(fù)雜，國內(nèi)通過引進(jìn)和正交試驗以及均勻試驗法等找尋合適的材料，由于作用機(jī)理不同，較好的單獨作用的材料混合后，效果可能下降，因此對活性劑的研究還需要進(jìn)一步的實驗研究探索。?
2 等離子弧焊?
由于等離子弧焊的焊接規(guī)范窄，焊接穩(wěn)定性及重復(fù)性差的缺點已經(jīng)成為制約等離子弧焊工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程及自身技術(shù)發(fā)展的突出障礙。20世紀(jì)90年代以來，由于等離子弧焊接設(shè)備制造水平及控制技術(shù)不斷提高，等離子弧焊接穩(wěn)定性問題在很大程度上得以改善。因此，在穿孔等離子弧焊過程中，掌握影響焊接穩(wěn)定性的因素及作用規(guī)律，利用先進(jìn)的控制技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接自動化及控制精確化程度，必然是今后的研究重點。?
廖志謙等[13] 的研究結(jié)果表明，等離子焊接接頭拉伸性能良好，與母材性能相當(dāng)，焊縫沖擊韌性較母材有所下降，焊縫組織為殘余β相和馬氏體針狀α相，與接頭拉伸性能、沖擊性能及接頭硬度分布相對應(yīng)，這些組織具有超過母材金屬的硬度和強(qiáng)度，但塑性低。?
穿孔焊接時，存在穿孔起弧不穩(wěn)定及穿孔后線能量不能維持在最小值等問題，這是實現(xiàn)穿孔穩(wěn)定焊接需要解決的問題。裴利程[14] 主要研究了起弧參數(shù)對穿孔加熱過程和挖掘過程的作用規(guī)律，并通過控制穿孔時刻的溫度場分布，實現(xiàn)了起弧的穩(wěn)定成形。該研究通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，焊接電流是影響穿孔加熱過程及溫度場分布狀態(tài)的決定因素，離子氣流量在焊接加熱過程中主要影響穿孔時間。焊接電流和離子氣流量對未穿透階段熔池深度和小孔形狀的影響同等重要。通過調(diào)節(jié)起弧程序，使穿孔時刻小孔周圍的溫度場分布接近優(yōu)良焊縫的穩(wěn)態(tài)溫度場分布，并保證送絲時刻提前于穿孔時刻1~2s，可實現(xiàn)起弧段的穩(wěn)定過渡及成形控制。?
Chen 等[15] 發(fā)現(xiàn)，動態(tài)控制等離子焊接可以在保證焊透的情況下，通過控制峰值電流和基態(tài)電流使得等離子弧焊在穿孔型焊接和熔透型焊接之間轉(zhuǎn)換，從而在最小的熱輸入條件下滿足焊縫使用條件。與常規(guī)等離子焊接相比，由于熱輸入減少，接頭熔合區(qū)減小而且晶粒尺寸減小，雖然微觀結(jié)構(gòu)變化不大但焊縫中先析出的β相晶粒大幅度減少，從而使馬氏體的形成得到抑制，焊接接頭具有更好的韌性和更高的硬度[15]。?
3 真空電子束焊?
真空電子束焊非常適合鈦及鈦合金的焊接。這主要是因為它具有一系列的優(yōu)點：焊接冶金質(zhì)量好、焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、焊縫及熱影響區(qū)晶粒細(xì)小、接頭性能好、焊縫和熱影響區(qū)不會被空氣污染、焊接厚件時效率高等。其缺點是焊縫中易出現(xiàn)氣孔，結(jié)構(gòu)尺寸易受真空室限制，不適合于大批量生產(chǎn)，但對小尺寸工件其質(zhì)量具有絕對優(yōu)勢。?
焊接接頭中會產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，并隨焊接件厚度的增大而增加，因此研究人員探尋了電子束局部熱處理降低殘余應(yīng)力的可能性。經(jīng)過試驗測定[16] 發(fā)現(xiàn)：電子束局部熱處理可以改善鈦合金焊縫組織性能，使焊縫區(qū)晶粒組織得到細(xì)化，不僅使焊縫中心的縱向拉應(yīng)力峰值外移，而且使得焊縫中心的橫向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，大大改善了焊接殘余應(yīng)力分布狀況，提高了焊接質(zhì)量。對于14.5mm 厚板也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[17],進(jìn)一步證明對厚板鈦合金來說，電子束局部熱處理對改善焊接殘余應(yīng)力狀況、提升焊接質(zhì)量有顯著的作用。?
由于大厚板較大的殘余應(yīng)力，使得真空電子束焊較多應(yīng)用在薄板上。對大厚板鈦合金的電子束焊接，Lu 等[18] 進(jìn)行了相關(guān)試驗，發(fā)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)是典型的包含α 相和薄片狀的（α+β）雙相結(jié)構(gòu)的TC4-DT，通過電子束焊接可以得到不含沉積缺陷的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。其中熔合區(qū)形成馬氏體的籃網(wǎng)組織，層層堆積的先析β相晶界在焊縫金屬的上層和中部清晰可見，但在底部不是那么明顯,而且β晶粒尺寸和馬氏體長度從熔合區(qū)頂部到底部逐漸減小。熱影響區(qū)的組織微觀結(jié)構(gòu)不均勻，靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)由針狀馬氏體和少量初生α相組成, 而靠近母材的熱影響區(qū)則由初生α相和含有針狀α的轉(zhuǎn)變β相組成。這兩部分熱影響區(qū)的邊界取決于焊縫冷卻過程中β相的轉(zhuǎn)變溫度。隨著板厚方向上深度的增加，熔合區(qū)晶粒尺寸減小，顯微硬度增加。該試驗為今后對大厚板鈦合金的深入研究和理論分析及應(yīng)用提供了很好的試驗基礎(chǔ)。?
4 激光焊?
激光焊的質(zhì)量和效率均優(yōu)于其他焊接方法。激光易用反射鏡或棱鏡改變光路，可在工件的任意位置上焊接。激光焊對于鈦及鈦合金的薄板及精密零件的焊接可能具有更廣泛的應(yīng)用前景。但激光焊也有其不足之處: 穿透力不如電子束強(qiáng)。?
對激光焊接鈦合金板材后的性能，相關(guān)研究表明，激光焊接接頭的力學(xué)性能受到焊縫成形和焊縫組織的影響[19-20]。當(dāng)焊接熱輸入量較大時，焊縫中存在密集散亂排布的針狀馬氏體，使得抗拉強(qiáng)度值提高。而當(dāng)焊縫中出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織時，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和相對位移量減小，降低接頭的塑韌性。通過合理的參數(shù)選擇，可以實現(xiàn)接頭抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等性能與母材相當(dāng)，而接頭的疲勞性能經(jīng)真空熱處理后能得到明顯改善。雖然真空熱處理后彎曲角改善但只能達(dá)到母材的1/2。因此，在鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)避免將焊縫置于最大彎矩處。?
激光焊接的優(yōu)勢很明顯，但目前來說，激光焊接涉及影響鈦合金焊接質(zhì)量的氣體保護(hù)、試件清理和光致等離子體控制等方面的工藝問題, 迫切需改進(jìn)和完善。由于激光焊接存在的問題，采用激光復(fù)合焊接技術(shù)可以減小甚至消除激光焊接中出現(xiàn)的缺陷，從而可以提高焊縫的焊接質(zhì)量。?
對激光復(fù)合焊接后的質(zhì)量，Li等[21] 試驗結(jié)果表明，在合適的焊接條件下可以形成沒有表面氧化、氣孔、裂紋和未焊透等焊接缺陷的優(yōu)良焊縫。與LBW 相比，laser-MIG焊接頭的延展性更好，采用低強(qiáng)度的TA10焊絲可以改善焊縫成形質(zhì)量降低微觀硬度, 但熱影響區(qū)的硬度可能由于較大的熱輸入而大幅度上升。J. Zhou 等[22] 認(rèn)為Laser-MIG 焊接技術(shù)可以消除微裂紋，阻礙氣孔的形成以及改善焊縫的組成。通過在焊絲中加入一些抗裂紋的元素可以減少和消除諸如焊縫熱裂紋敏感性高和強(qiáng)度降低等缺陷。而焊絲熔滴進(jìn)入母材的混合及擴(kuò)散程度受到熔池中液體流動動力學(xué)的影響很大[22]。這就需要在今后的研究中，注意找尋更為合適的焊絲和合理的工藝參數(shù)組合，從而保證良好的焊接質(zhì)量。?
激光與MIG或TIG等其他方法如何合理組合才能保證復(fù)合焊接的最優(yōu)性能，是科研工作者在不斷探尋的問題。Chen 等[23-24] 通過研究發(fā)現(xiàn)激光能量密度決定了鎖孔的形成與消失。為此，他們對激光在電弧中穿過時的傳播特性與吸收特性進(jìn)行了計算和定量的測量, 從而證實了激光-TIG 復(fù)合熱源焊接有限增強(qiáng)熔深、存在焊接機(jī)制轉(zhuǎn)變的觀點，從而為優(yōu)化復(fù)合焊接效果提供了依據(jù)。?
除了減少缺陷外，復(fù)合焊接后微觀組織也與單純的激光焊接后的組織有所不同。激光焊和復(fù)合焊接技術(shù)焊縫中均存在α相，在激光焊中含有粗糙的柱狀α相和少量細(xì)小的針狀α相，而復(fù)合焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)中包含針狀α、薄片狀α以及孿晶相，這種微觀結(jié)構(gòu)使得復(fù)合焊接頭具有良好的連接強(qiáng)度和延展性[25]。通過EDX 分析可以發(fā)現(xiàn)焊縫熔合區(qū)中氧的密度分?jǐn)?shù)的確比母材高，但不能以此認(rèn)為氧含量就是在給定焊速條件下影響焊縫能硬度的唯一因素。最終硬度應(yīng)與冷卻速度和氧氮含量的因素的交互影響有關(guān)。?
其他諸如保護(hù)氣體、氣流大小以及Laser與電極間的距離等都是需要進(jìn)行研究的參數(shù)，這樣可以使復(fù)合焊接更加優(yōu)化，從而產(chǎn)生最合乎需要的焊縫。相關(guān)知識庫的建立則有助于實現(xiàn)自動化。?
5 擴(kuò)散焊?
目前擴(kuò)散焊較多地應(yīng)用于鈦合金與不銹鋼間的焊接。優(yōu)點是空氣對焊縫污染少、變形小、節(jié)省材料，但要求待焊表面清潔度高，清除一切雜物。采用恒溫恒壓擴(kuò)散焊、相變超塑性擴(kuò)散焊和脈沖加壓擴(kuò)散焊實現(xiàn)了鈦合金和不銹鋼的焊接，物相分析發(fā)現(xiàn)鈦合金- 不銹鋼接頭中存在Fe2Ti和σ-(FeCr) 這兩種脆性金屬間化合物[26]。由于脈沖加壓擴(kuò)散焊能促進(jìn)擴(kuò)散過程的進(jìn)行，減少脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，并改善其分布，是一種較有應(yīng)用前景的擴(kuò)散焊方法。為避免和減少脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，擴(kuò)散焊接進(jìn)一步發(fā)展了的形式是在鈦件表面上先鍍一層銅或鎳，或夾一層0.05~0.03mm 的銅或鎳[27]。?
鈦合金與不銹鋼異質(zhì)接頭采用擴(kuò)散焊直接焊接時，很難避免接頭應(yīng)力和脆性的金屬間化合物相的出現(xiàn)，從而容易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋，因此大多采用了中間層金屬[28]，且采用中間過渡層并產(chǎn)生微觀機(jī)械咬合的接頭性能較好。通過對不同工藝下接頭和母材的微觀組織和抗拉性能的研究發(fā)現(xiàn)[29]，填加Ni 基合金作為中間層材料進(jìn)行擴(kuò)散焊接，其接頭的擴(kuò)散帶組織都較好，沒有出現(xiàn)孔洞和空隙等焊接缺陷。焊接溫度升高和保溫時間延長使擴(kuò)散層寬度增加，但也會造成所有組織晶粒長大，從而使接頭的性能下降。因此，在綜合考慮工藝參數(shù)對接頭性能的影響規(guī)律，從而確定可能的最佳工藝時，應(yīng)在保證接頭焊接質(zhì)量的前提下，優(yōu)先選擇焊接溫度較低，保溫時間較短的工藝。?
6 釬焊?
釬焊是鈦及其合金與其他金屬最簡單可靠的連接方法。純鈦在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從密排六方結(jié)構(gòu)的α相轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β相。鈦合金的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變決定了其釬焊工藝過程受限于溫度及時間，當(dāng)高于（α-β）相變溫度時，其組織和性能將發(fā)生重要變化。從冶金學(xué)角度分析，更重要的是由基體與釬料反應(yīng)生成脆性相，使得釬焊接頭性能惡化[30]。綜上幾點，選擇合適的釬料，盡可能保持在β 相轉(zhuǎn)變溫度以下對鈦合金進(jìn)行釬焊是基本原則。這樣既可以保持母材性能，也能形成優(yōu)良力學(xué)性能的釬焊接頭。?
針對高溫鈦合金TA15 材料淮軍鋒等[31] 率先開展了釬焊及擴(kuò)散處理的連接工藝研究工作, 通過采用先進(jìn)的釬焊材料及優(yōu)化的真空釬焊與擴(kuò)散處理工藝, 對該材料實施了有效的連接, 并采用電子顯微組織與能譜等手段, 分析了釬焊接頭界面的元素分布及釬焊接頭的組織。釬焊材料的成分設(shè)計合理, 真空釬焊工藝合理可行。釬料中的Cu、Ni元素屬于β相穩(wěn)定元素, 其含量在30% 左右, 釬焊的鈦合金焊縫可在釬焊溫度下熱處理使其組織趨于穩(wěn)定的片層狀組織[31]。?
陳樹海等[32] 以鋁硅共晶合金為填充材料, 采用激光熔釬焊的方法對鋁/ 鈦異種合金進(jìn)行焊接, 獲得了同時具有熔焊和釬焊雙重特征的焊接接頭。由于激光局部加熱并且有很高的冷卻速度, 發(fā)現(xiàn)在鈦合金附近的釬焊界面形成了特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)。焊縫上部界面金屬間化合物較厚, 主要呈鋸齒狀；焊縫下部界面金屬間化合物厚度不足1μm，呈薄層狀。界面金屬間化合物的主要成分為TiAl3, 以Ti(SixAl1-x)3 結(jié)構(gòu)的置換固溶體形式存在。底部界面容易成為裂紋產(chǎn)生的源頭，裂紋多沿界面附近焊縫中的共晶組織擴(kuò)展，接頭的平均抗拉強(qiáng)度約為鋁母材的85%[32] 。?
7 攪拌摩擦焊?
傳統(tǒng)條件下，鈦合金材料可以采用熔焊方法進(jìn)行焊接。但是由于熔焊條件苛刻、過程復(fù)雜，并且容易產(chǎn)生缺陷和接頭強(qiáng)度較低等原因，人們開始探索利用新型的攪拌摩擦焊技術(shù)（FSW）來解決和改善鈦合金材料的焊接。根據(jù)英國焊接研究所提供的資料和參考國外公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，鈦合金和鎳基高溫合金攪拌摩擦焊焊接所需要的攪拌頭，最好采用純鎢、鎢- 錸合金、鎢- 銥合金或者立方氮化硼（PCBN）材料。?
欒國紅等[33] 采用一種以粉末冶金成形的鎢- 錸合金材料作為鈦合金攪拌摩擦焊焊接頭對TC4鈦合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊的試驗研究。結(jié)果顯示TC4鈦合金攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度幾乎達(dá)到母材強(qiáng)度（895MPa），但是接頭的延伸率相對較低，焊接方法的工藝參數(shù)有待優(yōu)化，焊接過程保護(hù)有待完善。仔細(xì)測量和觀察發(fā)現(xiàn)，攪拌頭并未出現(xiàn)劇烈磨損，而是完全被焊縫鈦合金材料粘著和填充，焊縫中也容易出現(xiàn)孔洞缺陷[33]。這與材料超塑性、焊接工藝參數(shù)的選擇等有關(guān)，后續(xù)研究還需要對攪拌頭進(jìn)行改進(jìn)，如表面鍍膜等。?
進(jìn)一步研究顯示，用PCBN與W-Re合金制作攪拌頭能夠得到焊縫成形美觀、內(nèi)部無缺陷的攪拌摩擦焊接頭。鈦合金FSW接頭強(qiáng)度與母材相比有所下降。接頭的斷后伸長率與母材相比明顯降低：隨著焊接熱輸入的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均降低。在鈦合金的FSW過程中，攪拌頭前方軸肩附近的溫度梯度最大，而在攪拌頭后方軸肩附近的溫度梯度最小：焊縫中心的峰值溫度超過鈦合金的相變溫度區(qū)間，由焊縫中心向外峰值溫度逐漸降低[34]。這些研究為找尋合適的材料研制鈦合金FSW工具和相應(yīng)的裝備以及制定加工工藝提供了依據(jù)。?
后續(xù)研究通過加入一定量的氫改變鈦合金的塑性，降低對攪拌頭性能的要求，從而更好地實現(xiàn)攪拌摩擦焊，爭取將攪拌摩擦焊的最高溫度控制在相變點附近，而氫可通過焊后去氫處理消除[35]。對置氫后鈦合金攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能的研究[36] 發(fā)現(xiàn)：置氫后，TC4 鈦合金攪拌摩擦焊比傳統(tǒng)鈦合金攪拌摩擦焊表面成形性更好，組織及力學(xué)性能良好，熱機(jī)加工性能得到明顯改善，接頭組織相對細(xì)小，熱影響區(qū)因熱和變形的共同作用使得α相與β相發(fā)生變化，進(jìn)而改善焊縫性能，但應(yīng)注意控制氫的量，置氫0.1％的鈦合金要比置氫0.4％的鈦合金塑性更好。?
結(jié)束語?
通過研制A-TIG焊可以使TIG高效地應(yīng)用在鈦合金焊接中，減少或消除了TIG等電弧焊接在鈦合金焊接中所可能產(chǎn)生的缺陷，使得其成為焊接鈦合金中最為便捷成本最低的焊接方法。改進(jìn)激光焊接方法采用復(fù)合熱源焊接，不僅彌補了激光焊焊接工作厚度相對較小的缺點，而且也減少了焊接中可能出現(xiàn)的缺陷，同時也降低了成本，提高了效率。對等離子焊接在焊接大厚度焊縫中依舊具有其獨特的優(yōu)勢，其穿孔深熔焊存在的監(jiān)控困難和熱輸入較大，焊縫質(zhì)量欠佳問題是亟需解決進(jìn)而提高焊接質(zhì)量的問題，穩(wěn)定起弧動態(tài)控制方法是一種較為合理可行的改進(jìn)方案。擴(kuò)散焊接在異種金屬焊接方面有優(yōu)異的表現(xiàn)，相比于釬焊，其優(yōu)點顯著，接頭使用溫度與強(qiáng)度不受限于釬料，焊接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同，在焊縫中不存在各種熔化焊缺陷，也不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)，工藝參數(shù)易控制，零件變形小，可焊接大斷面接頭，可焊接其他焊接方法難以焊接的材料，特別適合應(yīng)用于鈦合金與其他異種金屬及陶瓷材料的連接。對攪拌摩擦焊需要解決攪拌工具的開發(fā)，繼而完成相關(guān)加工工藝技術(shù)的研究，它會成為未來國內(nèi)較為重視的方法。其他諸如線性摩擦焊等方法在實際加工應(yīng)用中的效果也很好。?
其他一些焊接方法也在進(jìn)一步的研制開發(fā)中，如表面自納米化、相變超塑性擴(kuò)散連接及自蔓延技術(shù)的應(yīng)用，使得鈦合金的焊接方法可以多樣化、高效化，進(jìn)而滿足不同的焊接需求。今后的研究將以建立各方法中焊接參數(shù)對鈦合金焊縫成形和熔深的定量影響機(jī)理為核心，針對不同的被焊材料制定相應(yīng)的焊接工藝和操作規(guī)程，最終開發(fā)出一套鈦合金焊接技術(shù)應(yīng)用的知識庫，其主要內(nèi)容包括生產(chǎn)- 應(yīng)用情況、安全性、力學(xué)性能和冶金性能、抗腐蝕性、熔深再研性以及母材成分變化影響等諸多方面。
焊接作為一種重要的金屬加工工藝，在工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中起著重要作用。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的焊接結(jié)構(gòu)是降低材料消耗，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效途徑，各種焊接技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，其焊接技術(shù)也越來越引起人們的重視。鈦的熔點較高、導(dǎo)熱性較差，因此在焊接時易因參數(shù)選用不當(dāng)形成較大的熔池，并且熔池溫度高，這使得焊縫及熱影響區(qū)金屬在高溫停留的時間較長，晶粒長大傾向明顯，使接頭塑性和韌性降低，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。所以鈦及鈦合金的焊接工藝方法是一個需要不斷解決完善的問題。?
鈦及其合金焊接特點?
1 鈦及其合金的物理化學(xué)性能?
鈦具有2種同素異形體，分別以α和β來表示，轉(zhuǎn)變溫度為882.5℃，其低溫晶體α為密排六方晶格，在882.5℃以上穩(wěn)定的β晶體為體心立方晶格。?
鈦的導(dǎo)熱性較差，其導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼略低。當(dāng)鈦中存在雜質(zhì)時，其導(dǎo)熱系數(shù)則有所下降。表1 列出了工業(yè)純鈦與其他金屬材料主要物理性能的比較。
工業(yè)純鈦及α鈦合金的焊接組織在常溫下是單相，根據(jù)冷卻速度的不同，生成鋸齒狀或針狀組織。各種機(jī)械性能與母材相比沒有大的變化，焊接性能良好。α+β鈦合金在從β相冷卻的過程中，形成馬氏體（α'相），α'相的數(shù)量和性質(zhì)按合金組成和冷卻速度發(fā)生變化。一般情況下，隨α' 相的增加，合金的延伸性、韌性降低，即使是焊接性良好的Ti-6Al-4V，當(dāng)β穩(wěn)定元素釩含量在5%以上時，焊接性能下降。β鈦合金的馬氏體生成溫度低于室溫，焊接處是亞穩(wěn)定β相，所以焊接性不劣化。但因合金元素添加過多，往往缺乏延伸性。另外，時效和冷加工使合金強(qiáng)度提高，而焊接會使強(qiáng)度有所損失，故不大采用焊接接合[4]。?
3 鈦合金的焊接缺陷?
3.1 焊接接頭區(qū)的脆化?
鈦及鈦合金焊接區(qū)易受氣體等雜質(zhì)的污染而產(chǎn)生脆化。造成脆化的主要元素有O、N、H、C 等。常溫下鈦及鈦合金比較穩(wěn)定，但隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收O、N、H 的能力也隨之明顯上升。Ti從250℃開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮。氮和氧對接頭強(qiáng)度和彎曲塑性影響較大，隨著焊縫中氮氧含量的增加，接頭強(qiáng)度升高，彎曲塑性降低，氮的影響大于氧。氫主要影響接頭的沖擊韌性。?
3.2 焊接區(qū)裂紋傾向?
（1）熱裂紋。?
由于鈦及鈦合金中含S、P、C 等雜質(zhì)較少，很少有低熔點共晶在晶界處生成，而且結(jié)晶溫度區(qū)間很窄，焊縫凝固時收縮量小，因此熱裂紋敏感性低。?
（2）冷裂紋和延遲裂紋。?
當(dāng)焊縫含氧、氮量較高時，焊縫性能變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下，會出現(xiàn)裂紋，這種裂紋是在較低溫度下形成的。?
在焊接鈦合金時，熱影響區(qū)有時也會出現(xiàn)延遲裂紋，氫是引起延遲裂紋形成的主要原因。防止延遲裂紋的辦法，主要是減少焊接接頭處氫的來源，必要時可進(jìn)行真空退火處理，以減少焊接接頭的氫含量。?
3.3 焊縫氣孔?
氣孔是鈦及鈦合金焊接中較為常見的缺陷，O2、N2、H2、CO2、H2O都可能引起氣孔。鈦及鈦合金焊縫氣孔大多分布在熔合區(qū)附近，這是鈦及鈦合金氣孔的一個特點。 焊縫中的氣孔不僅造成應(yīng)力集中，而且使氣孔周圍金屬的塑性降低，甚至導(dǎo)致整個焊接接頭的斷裂破壞，因此須嚴(yán)格控制氣孔的生成[5]。?
鈦及其合金焊接方法與研究現(xiàn)狀?
1 鎢極氬弧焊?
鎢極氬弧焊是鈦及其合金最常用的方法, 它是連接薄板和打底焊的一種極好的方法，通過選用合適的工藝參數(shù)可以實現(xiàn)較為良好的焊接。其不足是焊速較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大[6]；焊縫中易生產(chǎn)氣孔以及鎢夾雜等焊接缺陷；焊接過程易出現(xiàn)氣體保護(hù)不良而影響焊縫質(zhì)量等。TIG焊的脈沖頻率對鈦合金的晶粒尺寸和形態(tài)都有影響，脈沖頻率過高或過低時，焊縫區(qū)均為柱狀晶，強(qiáng)度較低，頻率適中時為等軸晶，對應(yīng)的強(qiáng)度也高一些。近些年來印度對鈦合金的TIG 焊研究相對較為全面[7]。?
M. Balasubramaniana 等通過對鈦合金（Ti-6Al-4V）進(jìn)行脈沖電弧焊實驗研究發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸和硬度與焊接參數(shù)之間具有如下關(guān)系:?
晶粒尺寸G S = 81.43-18.33P -14.17B-10.83F+15T+25.68P2+18.18B2 + 61.93F2 +25.68T2；硬度H=472.15+8.54P-6.87B+4.38F-5.62T 17.57P2-12.57B2-36.32F2 -15.07T2 + 1.56PF。?
其中，P表示峰值電流，A；B表示基值電流，A；F表示頻率，Hz；T表示時間。經(jīng)過試驗測定，該模型預(yù)測晶粒尺寸和硬度的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99% 的水平[8]。?
Balasubramanian 等[9]通過對脈沖TIG焊接參數(shù)對腐蝕行為影響的研究又發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖峰值電流的增加和脈沖頻率的增大，接頭的抗腐蝕能力上升，達(dá)到最優(yōu)值后，隨著脈沖峰值電流和脈沖頻率的繼續(xù)增加，抗腐蝕能力下降，同時隨著晶粒純度的增加抗腐蝕能力也會增大。但是對于能否在保證腐蝕最小的情況下，其他性能亦保持在較好的水平，可以通過上面公式計算出晶粒尺寸和硬度，從而預(yù)測其可能具有的性能。?
國內(nèi)較為關(guān)注的是A-TIG焊方法, 該方法是近10年來發(fā)展起來的增大焊接熔深，改善焊縫成形和焊接質(zhì)量，提高焊接生產(chǎn)效率的新技術(shù)。?
對A-TIG焊熔深，Liu等[10]采用單一活性焊劑試驗后發(fā)現(xiàn)，在相同的工藝參數(shù)下，A-TIG焊的熔深較傳統(tǒng)TIG焊大幅提高。進(jìn)一步的試驗結(jié)果表明氟氯化物活性劑能增加焊接熔深，即氟氯化物是增加鈦合金熔深的主要因素[11]。?
李曉紅等[12] 通過試驗確定，活性焊劑對鈦合金焊縫成形的影響是非常明顯的：在同等條件下不僅增大焊縫的熔深，減小焊縫的寬度，降低焊接時的熱輸入，還明顯減小焊縫的晶粒尺寸；對不同厚度的鈦合金材料進(jìn)行A-TIG焊時，其焊縫的結(jié)晶形態(tài)是一致的，呈對向式從兩側(cè)母材向焊縫中心線上生長； A-TIG焊時焊縫的橫剖面形狀與TIG焊時有很大差異，其形狀呈現(xiàn)出單面焊雙面成形的杯狀特征，該形貌特征對焊縫力學(xué)性能有改善。?
作為技術(shù)核心的活性劑配方是制約該項技術(shù)發(fā)展的瓶頸。由于對配方的研究較為復(fù)雜，國內(nèi)通過引進(jìn)和正交試驗以及均勻試驗法等找尋合適的材料，由于作用機(jī)理不同，較好的單獨作用的材料混合后，效果可能下降，因此對活性劑的研究還需要進(jìn)一步的實驗研究探索。?
2 等離子弧焊?
由于等離子弧焊的焊接規(guī)范窄，焊接穩(wěn)定性及重復(fù)性差的缺點已經(jīng)成為制約等離子弧焊工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程及自身技術(shù)發(fā)展的突出障礙。20世紀(jì)90年代以來，由于等離子弧焊接設(shè)備制造水平及控制技術(shù)不斷提高，等離子弧焊接穩(wěn)定性問題在很大程度上得以改善。因此，在穿孔等離子弧焊過程中，掌握影響焊接穩(wěn)定性的因素及作用規(guī)律，利用先進(jìn)的控制技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接自動化及控制精確化程度，必然是今后的研究重點。?
廖志謙等[13] 的研究結(jié)果表明，等離子焊接接頭拉伸性能良好，與母材性能相當(dāng)，焊縫沖擊韌性較母材有所下降，焊縫組織為殘余β相和馬氏體針狀α相，與接頭拉伸性能、沖擊性能及接頭硬度分布相對應(yīng)，這些組織具有超過母材金屬的硬度和強(qiáng)度，但塑性低。?
穿孔焊接時，存在穿孔起弧不穩(wěn)定及穿孔后線能量不能維持在最小值等問題，這是實現(xiàn)穿孔穩(wěn)定焊接需要解決的問題。裴利程[14] 主要研究了起弧參數(shù)對穿孔加熱過程和挖掘過程的作用規(guī)律，并通過控制穿孔時刻的溫度場分布，實現(xiàn)了起弧的穩(wěn)定成形。該研究通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，焊接電流是影響穿孔加熱過程及溫度場分布狀態(tài)的決定因素，離子氣流量在焊接加熱過程中主要影響穿孔時間。焊接電流和離子氣流量對未穿透階段熔池深度和小孔形狀的影響同等重要。通過調(diào)節(jié)起弧程序，使穿孔時刻小孔周圍的溫度場分布接近優(yōu)良焊縫的穩(wěn)態(tài)溫度場分布，并保證送絲時刻提前于穿孔時刻1~2s，可實現(xiàn)起弧段的穩(wěn)定過渡及成形控制。?
Chen 等[15] 發(fā)現(xiàn)，動態(tài)控制等離子焊接可以在保證焊透的情況下，通過控制峰值電流和基態(tài)電流使得等離子弧焊在穿孔型焊接和熔透型焊接之間轉(zhuǎn)換，從而在最小的熱輸入條件下滿足焊縫使用條件。與常規(guī)等離子焊接相比，由于熱輸入減少，接頭熔合區(qū)減小而且晶粒尺寸減小，雖然微觀結(jié)構(gòu)變化不大但焊縫中先析出的β相晶粒大幅度減少，從而使馬氏體的形成得到抑制，焊接接頭具有更好的韌性和更高的硬度[15]。?
3 真空電子束焊?
真空電子束焊非常適合鈦及鈦合金的焊接。這主要是因為它具有一系列的優(yōu)點：焊接冶金質(zhì)量好、焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、焊縫及熱影響區(qū)晶粒細(xì)小、接頭性能好、焊縫和熱影響區(qū)不會被空氣污染、焊接厚件時效率高等。其缺點是焊縫中易出現(xiàn)氣孔，結(jié)構(gòu)尺寸易受真空室限制，不適合于大批量生產(chǎn)，但對小尺寸工件其質(zhì)量具有絕對優(yōu)勢。?
焊接接頭中會產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，并隨焊接件厚度的增大而增加，因此研究人員探尋了電子束局部熱處理降低殘余應(yīng)力的可能性。經(jīng)過試驗測定[16] 發(fā)現(xiàn)：電子束局部熱處理可以改善鈦合金焊縫組織性能，使焊縫區(qū)晶粒組織得到細(xì)化，不僅使焊縫中心的縱向拉應(yīng)力峰值外移，而且使得焊縫中心的橫向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，大大改善了焊接殘余應(yīng)力分布狀況，提高了焊接質(zhì)量。對于14.5mm 厚板也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[17],進(jìn)一步證明對厚板鈦合金來說，電子束局部熱處理對改善焊接殘余應(yīng)力狀況、提升焊接質(zhì)量有顯著的作用。?
由于大厚板較大的殘余應(yīng)力，使得真空電子束焊較多應(yīng)用在薄板上。對大厚板鈦合金的電子束焊接，Lu 等[18] 進(jìn)行了相關(guān)試驗，發(fā)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)是典型的包含α 相和薄片狀的（α+β）雙相結(jié)構(gòu)的TC4-DT，通過電子束焊接可以得到不含沉積缺陷的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。其中熔合區(qū)形成馬氏體的籃網(wǎng)組織，層層堆積的先析β相晶界在焊縫金屬的上層和中部清晰可見，但在底部不是那么明顯,而且β晶粒尺寸和馬氏體長度從熔合區(qū)頂部到底部逐漸減小。熱影響區(qū)的組織微觀結(jié)構(gòu)不均勻，靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)由針狀馬氏體和少量初生α相組成, 而靠近母材的熱影響區(qū)則由初生α相和含有針狀α的轉(zhuǎn)變β相組成。這兩部分熱影響區(qū)的邊界取決于焊縫冷卻過程中β相的轉(zhuǎn)變溫度。隨著板厚方向上深度的增加，熔合區(qū)晶粒尺寸減小，顯微硬度增加。該試驗為今后對大厚板鈦合金的深入研究和理論分析及應(yīng)用提供了很好的試驗基礎(chǔ)。?
4 激光焊?
激光焊的質(zhì)量和效率均優(yōu)于其他焊接方法。激光易用反射鏡或棱鏡改變光路，可在工件的任意位置上焊接。激光焊對于鈦及鈦合金的薄板及精密零件的焊接可能具有更廣泛的應(yīng)用前景。但激光焊也有其不足之處: 穿透力不如電子束強(qiáng)。?
對激光焊接鈦合金板材后的性能，相關(guān)研究表明，激光焊接接頭的力學(xué)性能受到焊縫成形和焊縫組織的影響[19-20]。當(dāng)焊接熱輸入量較大時，焊縫中存在密集散亂排布的針狀馬氏體，使得抗拉強(qiáng)度值提高。而當(dāng)焊縫中出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織時，焊接接頭的屈服強(qiáng)度和相對位移量減小，降低接頭的塑韌性。通過合理的參數(shù)選擇，可以實現(xiàn)接頭抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等性能與母材相當(dāng)，而接頭的疲勞性能經(jīng)真空熱處理后能得到明顯改善。雖然真空熱處理后彎曲角改善但只能達(dá)到母材的1/2。因此，在鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)避免將焊縫置于最大彎矩處。?
激光焊接的優(yōu)勢很明顯，但目前來說，激光焊接涉及影響鈦合金焊接質(zhì)量的氣體保護(hù)、試件清理和光致等離子體控制等方面的工藝問題, 迫切需改進(jìn)和完善。由于激光焊接存在的問題，采用激光復(fù)合焊接技術(shù)可以減小甚至消除激光焊接中出現(xiàn)的缺陷，從而可以提高焊縫的焊接質(zhì)量。?
對激光復(fù)合焊接后的質(zhì)量，Li等[21] 試驗結(jié)果表明，在合適的焊接條件下可以形成沒有表面氧化、氣孔、裂紋和未焊透等焊接缺陷的優(yōu)良焊縫。與LBW 相比，laser-MIG焊接頭的延展性更好，采用低強(qiáng)度的TA10焊絲可以改善焊縫成形質(zhì)量降低微觀硬度, 但熱影響區(qū)的硬度可能由于較大的熱輸入而大幅度上升。J. Zhou 等[22] 認(rèn)為Laser-MIG 焊接技術(shù)可以消除微裂紋，阻礙氣孔的形成以及改善焊縫的組成。通過在焊絲中加入一些抗裂紋的元素可以減少和消除諸如焊縫熱裂紋敏感性高和強(qiáng)度降低等缺陷。而焊絲熔滴進(jìn)入母材的混合及擴(kuò)散程度受到熔池中液體流動動力學(xué)的影響很大[22]。這就需要在今后的研究中，注意找尋更為合適的焊絲和合理的工藝參數(shù)組合，從而保證良好的焊接質(zhì)量。?
激光與MIG或TIG等其他方法如何合理組合才能保證復(fù)合焊接的最優(yōu)性能，是科研工作者在不斷探尋的問題。Chen 等[23-24] 通過研究發(fā)現(xiàn)激光能量密度決定了鎖孔的形成與消失。為此，他們對激光在電弧中穿過時的傳播特性與吸收特性進(jìn)行了計算和定量的測量, 從而證實了激光-TIG 復(fù)合熱源焊接有限增強(qiáng)熔深、存在焊接機(jī)制轉(zhuǎn)變的觀點，從而為優(yōu)化復(fù)合焊接效果提供了依據(jù)。?
除了減少缺陷外，復(fù)合焊接后微觀組織也與單純的激光焊接后的組織有所不同。激光焊和復(fù)合焊接技術(shù)焊縫中均存在α相，在激光焊中含有粗糙的柱狀α相和少量細(xì)小的針狀α相，而復(fù)合焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)中包含針狀α、薄片狀α以及孿晶相，這種微觀結(jié)構(gòu)使得復(fù)合焊接頭具有良好的連接強(qiáng)度和延展性[25]。通過EDX 分析可以發(fā)現(xiàn)焊縫熔合區(qū)中氧的密度分?jǐn)?shù)的確比母材高，但不能以此認(rèn)為氧含量就是在給定焊速條件下影響焊縫能硬度的唯一因素。最終硬度應(yīng)與冷卻速度和氧氮含量的因素的交互影響有關(guān)。?
其他諸如保護(hù)氣體、氣流大小以及Laser與電極間的距離等都是需要進(jìn)行研究的參數(shù)，這樣可以使復(fù)合焊接更加優(yōu)化，從而產(chǎn)生最合乎需要的焊縫。相關(guān)知識庫的建立則有助于實現(xiàn)自動化。?
5 擴(kuò)散焊?
目前擴(kuò)散焊較多地應(yīng)用于鈦合金與不銹鋼間的焊接。優(yōu)點是空氣對焊縫污染少、變形小、節(jié)省材料，但要求待焊表面清潔度高，清除一切雜物。采用恒溫恒壓擴(kuò)散焊、相變超塑性擴(kuò)散焊和脈沖加壓擴(kuò)散焊實現(xiàn)了鈦合金和不銹鋼的焊接，物相分析發(fā)現(xiàn)鈦合金- 不銹鋼接頭中存在Fe2Ti和σ-(FeCr) 這兩種脆性金屬間化合物[26]。由于脈沖加壓擴(kuò)散焊能促進(jìn)擴(kuò)散過程的進(jìn)行，減少脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，并改善其分布，是一種較有應(yīng)用前景的擴(kuò)散焊方法。為避免和減少脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，擴(kuò)散焊接進(jìn)一步發(fā)展了的形式是在鈦件表面上先鍍一層銅或鎳，或夾一層0.05~0.03mm 的銅或鎳[27]。?
鈦合金與不銹鋼異質(zhì)接頭采用擴(kuò)散焊直接焊接時，很難避免接頭應(yīng)力和脆性的金屬間化合物相的出現(xiàn)，從而容易使焊接接頭產(chǎn)生裂紋，因此大多采用了中間層金屬[28]，且采用中間過渡層并產(chǎn)生微觀機(jī)械咬合的接頭性能較好。通過對不同工藝下接頭和母材的微觀組織和抗拉性能的研究發(fā)現(xiàn)[29]，填加Ni 基合金作為中間層材料進(jìn)行擴(kuò)散焊接，其接頭的擴(kuò)散帶組織都較好，沒有出現(xiàn)孔洞和空隙等焊接缺陷。焊接溫度升高和保溫時間延長使擴(kuò)散層寬度增加，但也會造成所有組織晶粒長大，從而使接頭的性能下降。因此，在綜合考慮工藝參數(shù)對接頭性能的影響規(guī)律，從而確定可能的最佳工藝時，應(yīng)在保證接頭焊接質(zhì)量的前提下，優(yōu)先選擇焊接溫度較低，保溫時間較短的工藝。?
6 釬焊?
釬焊是鈦及其合金與其他金屬最簡單可靠的連接方法。純鈦在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從密排六方結(jié)構(gòu)的α相轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β相。鈦合金的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變決定了其釬焊工藝過程受限于溫度及時間，當(dāng)高于（α-β）相變溫度時，其組織和性能將發(fā)生重要變化。從冶金學(xué)角度分析，更重要的是由基體與釬料反應(yīng)生成脆性相，使得釬焊接頭性能惡化[30]。綜上幾點，選擇合適的釬料，盡可能保持在β 相轉(zhuǎn)變溫度以下對鈦合金進(jìn)行釬焊是基本原則。這樣既可以保持母材性能，也能形成優(yōu)良力學(xué)性能的釬焊接頭。?
針對高溫鈦合金TA15 材料淮軍鋒等[31] 率先開展了釬焊及擴(kuò)散處理的連接工藝研究工作, 通過采用先進(jìn)的釬焊材料及優(yōu)化的真空釬焊與擴(kuò)散處理工藝, 對該材料實施了有效的連接, 并采用電子顯微組織與能譜等手段, 分析了釬焊接頭界面的元素分布及釬焊接頭的組織。釬焊材料的成分設(shè)計合理, 真空釬焊工藝合理可行。釬料中的Cu、Ni元素屬于β相穩(wěn)定元素, 其含量在30% 左右, 釬焊的鈦合金焊縫可在釬焊溫度下熱處理使其組織趨于穩(wěn)定的片層狀組織[31]。?
陳樹海等[32] 以鋁硅共晶合金為填充材料, 采用激光熔釬焊的方法對鋁/ 鈦異種合金進(jìn)行焊接, 獲得了同時具有熔焊和釬焊雙重特征的焊接接頭。由于激光局部加熱并且有很高的冷卻速度, 發(fā)現(xiàn)在鈦合金附近的釬焊界面形成了特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)。焊縫上部界面金屬間化合物較厚, 主要呈鋸齒狀；焊縫下部界面金屬間化合物厚度不足1μm，呈薄層狀。界面金屬間化合物的主要成分為TiAl3, 以Ti(SixAl1-x)3 結(jié)構(gòu)的置換固溶體形式存在。底部界面容易成為裂紋產(chǎn)生的源頭，裂紋多沿界面附近焊縫中的共晶組織擴(kuò)展，接頭的平均抗拉強(qiáng)度約為鋁母材的85%[32] 。?
7 攪拌摩擦焊?
傳統(tǒng)條件下，鈦合金材料可以采用熔焊方法進(jìn)行焊接。但是由于熔焊條件苛刻、過程復(fù)雜，并且容易產(chǎn)生缺陷和接頭強(qiáng)度較低等原因，人們開始探索利用新型的攪拌摩擦焊技術(shù)（FSW）來解決和改善鈦合金材料的焊接。根據(jù)英國焊接研究所提供的資料和參考國外公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，鈦合金和鎳基高溫合金攪拌摩擦焊焊接所需要的攪拌頭，最好采用純鎢、鎢- 錸合金、鎢- 銥合金或者立方氮化硼（PCBN）材料。?
欒國紅等[33] 采用一種以粉末冶金成形的鎢- 錸合金材料作為鈦合金攪拌摩擦焊焊接頭對TC4鈦合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊的試驗研究。結(jié)果顯示TC4鈦合金攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度幾乎達(dá)到母材強(qiáng)度（895MPa），但是接頭的延伸率相對較低，焊接方法的工藝參數(shù)有待優(yōu)化，焊接過程保護(hù)有待完善。仔細(xì)測量和觀察發(fā)現(xiàn)，攪拌頭并未出現(xiàn)劇烈磨損，而是完全被焊縫鈦合金材料粘著和填充，焊縫中也容易出現(xiàn)孔洞缺陷[33]。這與材料超塑性、焊接工藝參數(shù)的選擇等有關(guān)，后續(xù)研究還需要對攪拌頭進(jìn)行改進(jìn)，如表面鍍膜等。?
進(jìn)一步研究顯示，用PCBN與W-Re合金制作攪拌頭能夠得到焊縫成形美觀、內(nèi)部無缺陷的攪拌摩擦焊接頭。鈦合金FSW接頭強(qiáng)度與母材相比有所下降。接頭的斷后伸長率與母材相比明顯降低：隨著焊接熱輸入的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均降低。在鈦合金的FSW過程中，攪拌頭前方軸肩附近的溫度梯度最大，而在攪拌頭后方軸肩附近的溫度梯度最小：焊縫中心的峰值溫度超過鈦合金的相變溫度區(qū)間，由焊縫中心向外峰值溫度逐漸降低[34]。這些研究為找尋合適的材料研制鈦合金FSW工具和相應(yīng)的裝備以及制定加工工藝提供了依據(jù)。?
后續(xù)研究通過加入一定量的氫改變鈦合金的塑性，降低對攪拌頭性能的要求，從而更好地實現(xiàn)攪拌摩擦焊，爭取將攪拌摩擦焊的最高溫度控制在相變點附近，而氫可通過焊后去氫處理消除[35]。對置氫后鈦合金攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能的研究[36] 發(fā)現(xiàn)：置氫后，TC4 鈦合金攪拌摩擦焊比傳統(tǒng)鈦合金攪拌摩擦焊表面成形性更好，組織及力學(xué)性能良好，熱機(jī)加工性能得到明顯改善，接頭組織相對細(xì)小，熱影響區(qū)因熱和變形的共同作用使得α相與β相發(fā)生變化，進(jìn)而改善焊縫性能，但應(yīng)注意控制氫的量，置氫0.1％的鈦合金要比置氫0.4％的鈦合金塑性更好。?
結(jié)束語?
通過研制A-TIG焊可以使TIG高效地應(yīng)用在鈦合金焊接中，減少或消除了TIG等電弧焊接在鈦合金焊接中所可能產(chǎn)生的缺陷，使得其成為焊接鈦合金中最為便捷成本最低的焊接方法。改進(jìn)激光焊接方法采用復(fù)合熱源焊接，不僅彌補了激光焊焊接工作厚度相對較小的缺點，而且也減少了焊接中可能出現(xiàn)的缺陷，同時也降低了成本，提高了效率。對等離子焊接在焊接大厚度焊縫中依舊具有其獨特的優(yōu)勢，其穿孔深熔焊存在的監(jiān)控困難和熱輸入較大，焊縫質(zhì)量欠佳問題是亟需解決進(jìn)而提高焊接質(zhì)量的問題，穩(wěn)定起弧動態(tài)控制方法是一種較為合理可行的改進(jìn)方案。擴(kuò)散焊接在異種金屬焊接方面有優(yōu)異的表現(xiàn)，相比于釬焊，其優(yōu)點顯著，接頭使用溫度與強(qiáng)度不受限于釬料，焊接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同，在焊縫中不存在各種熔化焊缺陷，也不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)，工藝參數(shù)易控制，零件變形小，可焊接大斷面接頭，可焊接其他焊接方法難以焊接的材料，特別適合應(yīng)用于鈦合金與其他異種金屬及陶瓷材料的連接。對攪拌摩擦焊需要解決攪拌工具的開發(fā)，繼而完成相關(guān)加工工藝技術(shù)的研究，它會成為未來國內(nèi)較為重視的方法。其他諸如線性摩擦焊等方法在實際加工應(yīng)用中的效果也很好。?
其他一些焊接方法也在進(jìn)一步的研制開發(fā)中，如表面自納米化、相變超塑性擴(kuò)散連接及自蔓延技術(shù)的應(yīng)用，使得鈦合金的焊接方法可以多樣化、高效化，進(jìn)而滿足不同的焊接需求。今后的研究將以建立各方法中焊接參數(shù)對鈦合金焊縫成形和熔深的定量影響機(jī)理為核心，針對不同的被焊材料制定相應(yīng)的焊接工藝和操作規(guī)程，最終開發(fā)出一套鈦合金焊接技術(shù)應(yīng)用的知識庫，其主要內(nèi)容包括生產(chǎn)- 應(yīng)用情況、安全性、力學(xué)性能和冶金性能、抗腐蝕性、熔深再研性以及母材成分變化影響等諸多方面。
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