钽棒钽管等钽合金的焊接技术工艺

前言

钽被誉为耐蚀性最好的金属，除氢氟酸外不被其他酸侵蚀，且熔点高达2996 ℃，富有延展性，热膨胀系数小，是典型的难熔金属之一，在超导、芯片、航空航天、化工、原子能、医疗器械等尖端技术领域具有不可替代的作用。钽棒、钽管、钽板等钽及钽合金的典型应用有：航空发动机或燃气轮机中的叶片、燃烧室耐热管道、耐热器件等，对撞机中的超导零部件、腔体，石油化工领域的耐蚀容器、管道，原子能工业中的中子防护板、核岛外壳、快中子反应堆控制材料，芯片行业的溅射靶材，医学上的人工骨材料、各类支架等，是一种重要的战略物资[1-2] 。

在尖端工程上，高可靠、免维护、长寿命零部件的需求与日俱增，用钽合金替代部分材料已成历史必然。工程应用中的钽通常作为关键功能件发挥作用，而功能件尤其是复杂结构功能件的生产往往需要经过焊接加工。钽的焊接面临三个关键技术难点：一是钽材熔点高，焊接难度大[3]；二是钽材一般应用在强酸、超高温等极端环境中，对焊缝质量要求极高[4]；三是钽在高温状态下极易与空气中的氧、氮反应，形成钽化合物脆化焊缝。因此，要得到可靠的钽焊缝极其困难。

国外少数核工业、航天工业发达的国家已掌握了钽的焊接技术，在焊接工艺、焊缝成形理论、焊接有限元模拟、焊缝组织/ 成分、腐蚀行为、工业化应用等方面取得了一定的成果    [1] 。相比较而言，国内钽的研究起步晚、研究机构少，仅个别科研院所开展了钽的焊接实验，且缺乏系统的理论研究。

文中综述了国内外研究机构在钽的焊接方面的最新研究进展，为国内特种焊接研究人员开展钽及其他难熔金属焊接提供参考。

1、钽的焊接研究进展

美国、德国、法国、俄罗斯等工业、军工业发达的国家均开展了钽金属焊接研究，尤其是美国对钽金属的研究起步早、深入、全面。目前，国际上钽的焊接研究主要集中在焊接工艺研究、焊接有限元分析、焊缝腐蚀和成形机理研究等方面，通过系统的组织性能表征评价焊缝质量，进而改进焊接工艺获得高质量焊缝，相关技术应用于航天、化工装备等领域。我国在钽焊接方面的研究集中在钽功能件的制备生产方面。

1.1　焊接热源及其焊接工艺研究

目前国际上主要的钽焊接方法包括钨极惰性气体保护焊、激光焊、电子束焊、爆炸焊等，由于热影响区组织调控的需求，高能量密度的激光焊、电子束焊成为目前主流的焊接方法；钨极惰性气体保护焊由于在高温阶段升温速度慢、易形成粗大的热影响区组织，作为第一代热源已逐步被替代；爆炸焊则主要用于制备钽复合板材。美国、德国等主要的钽焊接研究国家对其焊接工艺开展了较为深入的研究。

美国国家宇航局早在 1973 年就采用钨极惰性气体保护焊方法，在钽材焊接领域取得了重大进展，在氦气保护下焊接钽板熔深达 9.52mm，并开展了大量力学性能测试，形成了 93 页技术文件[5] 。但遗憾的是，弧焊在高温区时升温速度慢、加热时间长，极易造成焊缝晶粒粗大、内应力较高等问题，因此利用该技术得到的焊缝难以避免地存在热裂纹缺陷。

为缓解热裂纹问题，美国科研人员在钽的弧焊焊接工艺方面开展了一系列的研究，如电弧电磁振荡和电流脉冲对钽片焊缝组织影响规律的研究[6] 、表面硅化物涂层对焊缝性能影响规律的研究[7] 等，一定程度上改善了热裂纹缺陷的发生。

显然，弧焊并不是钽的理想热源，随着激光技术的发展，美国国家能源局劳伦斯利弗莫尔国家实验室（lawrence livermore national laboratory，LLNL）在1985 年首次将激光焊接应用于钽的焊接[8] ，打开了激光焊接钽及其合金的大门。在接下来的 30 年中，激光焊接成为钽焊接的主流方法。美国相关研究机构的激光焊接设备由固体激光器升级为光纤激光器[9] ，激光功率由最初的 400 W 提升至 6 kW [10] ，并在焊接工艺方面开展了大量研究[10-12] ，相关成果应用于航天器件、武器装备的生产与修复[9] ，部分焊接 效果如图 1 所示。法国钽焊接研究机构也采用了激光焊接路线，应用于钽- 钽[13] 、钽- 钛 [14]等同种、异种金属焊接，获得了高质量焊缝。

与美国、法国等以激光作为主流焊接热源不同的是，德国采用电子束焊焊接钽及钽合金，其研究主要集中在钽泰克（Tantec）、世泰科（H.C.Starck）等企业中，专注于钽的换热器、管道、容器等化工装备的整体加工制造，研究内容涵盖焊工艺、钽焊缝腐蚀行为、耐蚀性等方面[15] ，其商用产品已经占据市场主导地位；俄罗斯则采用爆炸焊的方法制备钽 复合材料，在 2016 年制备出铜- 钽、铜- 钛复合板，并研究了结合界面的形貌及爆炸焊工艺规律[16] 。

中国经济的飞速发展为我国钽铌研究机构、企业奠定了坚实的经济基础，国内焊接装备水平达到行业先进水平[17] 。国内钽的焊接方法囊括了氩弧焊[18-22] 、电子束焊 [23-28] 、激光焊 [29-30] 、爆炸焊 [31]等，与国际主流焊接方法一致；但国内钽焊接研究的重点在攻克具体焊接焊接工艺、解决钽功能件具体生产制备技术方面[18-19，23-24]；部分科研院所如哈尔滨工业大学、北京工业大学等的研究重点在焊缝的组织、性能表征等方面[25-27，30] 。

综上所述，钽焊接热源的更新紧跟焊接装备发展的脚步，历经钨极惰性气体保护焊、固体激光/ 光纤激光焊、电子束焊、爆炸焊、等离子弧焊等，向高能量密度、短焊接流程的趋势发展；焊接工艺的研究围绕所采用焊接方法所涉及的参数开展，基于焊缝力学性能、组织形貌、成分变化等对焊缝质量进行评价，进而改进焊接工艺及其附加调控措施。

1.2　焊接数值模拟及焊缝材料计算

随着计算机及软件技术的发展，数值分析、材料计算对于预测焊接工艺、焊缝成形机理、组织变化规律的作用逐步提高。1980年，美国相关研究机构已经将有限元模拟应用于预测氩弧焊焊接钽板时的温度，建立了焊接温度场的二维模型，并通过焊接实验进行了验证[32-33] 。

随后，焊接有限元模拟的作用被进一步发掘，被用于预测温度场、应力场、熔池流场、焊缝形状等，如法国大学科技学院激光和材料实验室通过建立激光点焊焊接有限元模型并与实验结果相结合，阐明了钽焊接过程中缩孔的产生机理[13]；宾夕法尼亚大学通过建立钽的激光焊接熔池模型，准确预测出激光焊接熔池形状[34] ，并与实验结果相印证，验证情 况如图 2 所示。

更进一步的，材料计算被用于探索焊缝成形机理，如 2009 年美国橡树岭国家实验室基于Fact Sage热力学数据库分析钽焊缝组织的热力学稳定性，进而阐明焊缝凝固过程中的有利相，其计算结果被透射电镜分析结果所验证[35] 。

我国在钽的焊接有限元模拟、材料计算方面的研究较为薄弱，公开资料表明，仅有个别研究人员采用ANSYS 软件对钽钨合金等离子弧焊的温度场进行了数值分析[36] 。

综上所述，焊接有限元模拟对于焊接过程中所涉及到的各种场及多场耦合作用机制具有较好的预测作用，能够准确反映焊接变量变化趋势、指导焊接工艺的改进；而材料计算主要用于研究焊缝组织演变规律、焊缝成形机理。

1.3　焊缝破坏机制研究

钽焊缝一般服役于强酸、高温等严苛环境，焊缝极易发生破坏，开展焊缝破坏机制研究对于改善焊缝质量具有重要的指导意义。

目前国内外钽焊缝破坏机制研究主要集中在腐蚀行为研究、裂纹扩展机制研究等方面。如美国金属学会 2007 年出版的《Corrosion of weldments》[37] ，将钽焊缝腐蚀行为单列一节进行介绍，弥补了美国钽焊缝腐蚀行为研究匮乏的情况；2013 年，美国美敦力能源与部件中心对钽- 钛合金焊缝裂纹产生机理开展研究，阐明钽- 钛焊缝裂纹是由氢应力裂纹机制产生的[38]；德国世泰科采用酸、碱等多种环境对纯钽、Ta-2.5%W 合金等的焊缝开展了腐蚀实验研究[39]等；而钽焊缝在高温状态下的破坏机制尚无公开的文献。

2、存在的问题

通过文献调研可以发现，美国对钽的焊接研究比较全面、自成体系，焊装装备历经钨极惰性气体保护焊、固体激光焊、光纤激光焊等，研究内容涵盖焊接工艺研究，焊缝组织/ 性能表征、腐蚀行为、焊接有限元模拟、焊缝成形机制、缺陷形成机理研究等，其相关研究成果应用于航空航天、原子能、医疗器械等工程领域。

与美国相比，虽然中国钽铌骨干企业经过 20年的飞速发展，但在钽铌焊接研究领域，其研究主体为国有钽铌生产企业及其配套的研发体系，偏向应用研究的定位决定了其研究主要面向于解决具体的生产技术难题，也因此凸显基础研究薄弱、研究深度不足等问题。尤其是焊缝成形机理研究、焊缝组织调控方法、有限元分析等方面几乎处于空白阶段，尚需大量深入的理论研究突破技术壁垒。我国钽铌焊接领域现阶段存在的主要问题为：

（1）焊缝破坏机制研究极度匮乏，导致难以确定研究重点。对钽焊缝服役环境及其相对应的破坏机制缺乏系统的研究，如高温、高腐蚀、核辐射环境下的高温组织演变机制、腐蚀行为、辐照效应等，这些研究内容直接决定着钽零部件服役寿命。

（2）焊缝成形机理研究较为匮乏，如气氛保护状态下熔池- 气氛界面反应机制、焊缝组织调控机制、真空状态下焊缝成形机理及其组织演变规律等，制约了钽铌企业进入高附加值的电子、加工材、高端装备制造领域。

（3）钽及其合金的基础研究较为薄弱，造成对钽的应用领域、应用场景认识不清晰，从而难以把握钽焊接的研究方向、研究难点、研究重点，这也进一步限制了钽在工业中的应用范围。

虽然在基础研究方面，我国与部分发达国家的差距较为明显，但值得肯定的是，目前国内钽的焊接装备水平已达到国际先进水平，焊接方法与国外主流的焊接方法一致。

3、发展趋势

与国内情况截然不同的是，部分发达国家如美国、德国等，将钽及其合金用于航空、航天、武器装备、核电、发动机、化工装备等具体场景，并根据服役环境开展一系列系统的研究，涵盖焊接工艺、焊缝组织成分、力学性能、有限元模拟、腐蚀行为等；焊接装备历经氩/ 氦弧焊、爆炸焊、电子束焊、激光焊等，连续性、传承性较强。经过文献调研国外发展历程表明，目前钽焊接的主要发展趋势为：

（1）基于数值分析的钽焊缝组织调控方法、焊接工艺研究和焊缝成形机理研究。建立准确的分析模型仿真高难度的焊接实验，进而指导焊缝组织的调控及焊接工艺的调整；通过材料计算分析焊缝组织演变规律进而阐明焊缝成形机理。

（2）焊缝组织与性能表征之间的内在联系研究。钽焊缝晶粒的微观组织与焊缝电化学性能、力学性能密切相关，获得高可靠性焊缝的关键在于有效的焊缝组织调控。

（3）钽焊缝的破坏机制研究。目前，国内外在钽焊缝损坏机制方面的研究均较为薄弱，而钽服役于高温、强腐蚀环境下，钽焊缝的损坏机制研究能够有效指导焊接工艺改进和组织调控，是钽焊接研究的主要方向之一。

（4）焊接装备趋势：焊接热源向能量密度更高的装备发展，激光焊、电子束焊成为目前钽的理想焊接热源。

4、结论

综上所述，钽及其合金在航空、航天、武器装备、原子能、化工装备等领域具有重要的应用价值，但钽的焊接限制了复杂结构零部件的加工制造，如何获得高质量、高可靠的钽焊缝是该领域亟需解决的技术瓶颈。

国内外研究人员在钽的焊接领域开展了大量研究，采用钨极惰性气体保护焊、爆炸焊、电子束焊、激光焊等方法实现钽材连接，研究内容涵盖了焊接工艺、焊缝组织/ 成分、力学性能、有限元模拟、腐蚀行为等方面。近 50 年的研究历程表明，高能量密度的焊接热源如电子束焊、激光焊更适合焊接钽及其合金；另外，借助数值模拟、材料计算方法能够有 效指导焊缝组织的调控及焊接工艺的调整。随着研究的深入，下一步钽焊接研究的主要方向和有效途径是围绕具体服役环境分析焊缝的破坏机制，进而研究相应的组织调控机理，获得高质量焊缝。

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