舰船用TA5/TC4钛薄板钛合金板等钛合金焊接技术进展

前言

舰船由于长期浸泡在海水或者暴露于海洋高盐、高湿的大气环境中，其结构及设备易受腐蚀且保护困难，其 建造材料需要良好的耐蚀性、耐久性、牢固性、可靠性及稳定性。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要结 构金属，钛及钛合金因兼有高比强度、高熔化温度、小热膨胀系数、耐疲劳、非磁性、生物惰性、抗裂性等 优良特质被称作“海洋金属”，是一种理想的舰船用材[1-2]。另一方面，舰船结构规格一般厚大，大型材 的焊接成型是现代造船的关键技术之一[3]。因此，对于舰船常用钛合金及其焊接工艺研究与开发具有重要 的理论和工程应用意义。

1、钛及钛合金在舰船的应用

1.1舰船用钛及钛合金介绍

钛是继铝、铁、镁之后在地壳中含量最大的金属元素，为银白色高熔点轻金属，主要物理性能：密度 4.51g/cm³，熔点1688℃，比热容522J/（kg·K），热导率16J/（m·s·K）。纯钛常温下容易 与氧、氮、氢反应生成一系列稳定氧化物，而钛合金是指以钛为基体，加入铝、铬、锰、锡、钼等元素组成 的合金。按照合金退火组织状态可以将钛合金大致分成α型（近α型）、β（近β型）型、α+β型三大类 ，国内牌号分别以TA、TB、TC表示。

自20世纪60年代起，钛及钛合金逐渐被用于舰船工业，随着技术的发展，钛材在舰船上的应用越来越广泛， 从各类大、中、小水面舰艇、到水下潜艇和深潜器，从耐压主结构体到舰艇内部管系、热交换器、海水淡化 装置、发动机零部件等，钛及钛合金在舰船领域无处不在，是海洋工程的理想材料[4-6]。

美国、俄罗斯、日本、欧洲等国家和地区开展了一系列的舰船钛合金研究和应用，其中俄罗斯走在世界前列 。俄罗斯拥有专门的船用钛合金体系，也形成了系列强度级别的钛合金成熟产品，包含490MPa、585MPa、 680MPa、785MPa等级别。俄罗斯不仅在水面舰船、航母、深潜器制造中大量采用钛合金结构，甚至拥有多艘 全钛化的大深度核潜艇，其台风级核潜艇仅外壳用钛量高达9000t，最大下潜深度500m，潜行速度和持续潜 航时间远超常规高强钢潜艇[7-8]。美国海军主导开发了可进行大规格型材焊接的Ti-5111钛合金，名义成分 为Ti-5A1-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo，其冲击韧性高于传统TC4钛合金，广泛用于舰船制造业，包括各种动力潜艇、 水面艇动力装置、海水管路管道、冷却器、推进器、海水工作系统、消防泵、紧固件等。美国还致力于在海 军中开展低成本钛材应用技术研究，设立了专项低成本焊接技术课题，加速海军上钛及钛合金应用进程[9- 10]。日本主要将钛合金应用在民用渔船、高速警备艇、导弹快艇和载人深潜器方面，包括深海潜水调查船 的外壳骨架、管道、均压容器等[11]。日本还在收集纯钛及钛合金船体结构材料的数据和制订相应强度标准 方面做了大量工作，以期扩大钛在船舶上的应用[12]。

我国舰船用钛合金研究起步很早，在钛及钛合金的研制开发、舰船制造、装船试航等方面投入了相当精力并 取得大量成果。除了国外常用的TA2、TA5、TA7、TC4，国内高校、企业专门针对舰船应用特殊要求，研制出 具有不同强度的船用耐蚀钛合金，材料品种涵盖管材、型材、板材、铸件、锻件等，基本满足水面舰艇、潜 艇和深潜器不同强度级别及不同部位的使用要求。国内部分典型舰船用钛合金的牌号、合金强度级别以及应 用场合汇总如表1所示[13-14]。

1.2舰船用钛及钛合金焊接性分析

为了满足船舶结构的使用要求，舰船用钛合金需要强度、塑性、韧性最佳配合以及良好的焊接加工性能，多 数采用β稳定系数Kβ较小的α型和近α型钛合金以及α+β型钛合金，不同钛合金的性能特征如表2所示 [15-16]。α型钛合金是Ti-Al系钛合金，Al的添入提高了α型钛合金的比强度、热强性以及细化合金晶粒， 相比于其他钛合金其加工性能和焊接性能更好，可焊性优异。α+β型钛合金属于两相合金，既含大量密排 六方晶格的α稳定相，又含一定量的体心立方晶格的β相，保证可焊性的同时提高了工艺塑性和实现了可热处理性。

钛合金特有的物理化学性能决定了其焊接性与钢、铝等常规金属不同，其主要焊接特性[17-18]有：（1）钛 的高温化学活性强。对杂质和水分比较敏感，极易被空气、水分、油脂和氧化皮等污染形成夹杂，降低塑性 和韧性。钛与H、O、N元素的亲合力很强，从250℃开始吸氢，形成TiH2低强度相，增大焊缝脆性，继续升温 至400℃和600℃开始吸氧、吸氮，进一步降低合金塑性。

（2）气孔及冷裂纹倾向严重。高温状态氢易溶入焊接熔池，冷却结晶时过饱和的氢来不及从熔池逸出会在 焊缝中形成气孔缺陷。同时钛及钛合金膨胀系数较大，温升引起较大的内应力，导致冷裂纹和延迟裂纹敏感 性较高。

（3）焊接易过热。钛的熔点约为1668℃，热容量大，与钢相比，熔化焊接时需要更多的热量输入，熔池尺 寸更大且温度更高，热导率低，传热系数约为钢的50%，焊缝及热影响区金属在高温下的停留时间较长，易 引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，甚至引起局部相变，恶化接头塑韧性和组织均一性。

（4）钛合金的焊接变形大。钛的纵向弹性模量约为不锈钢的50%，冷变形的回弹能力强，约为不锈钢的2~3 倍，因此钛合金校形难度大，在焊接过程中需采取有效措施预防焊接变形，对工装夹具要求更加严格。

2、舰船钛合金焊接工艺

2.1TIG焊

舰船钛合金最常用的焊接工艺是TIG焊，即钨极氩弧焊。TIG焊接利用高纯度氩气隔绝空气，保护钛合金焊接 熔池免受杂质污染，然后利用钨电极与钛合金焊件间产生的电弧热熔化母材和焊丝，形成良好的冶金结合， 得到质量优异的焊缝。根据不同的钛合金焊接厚度及成型品质要求，可以选择不同的TIG焊接工艺，各类TIG 焊接工艺及其技术特征 如表3所示。

手工TIG焊因其设备简单、适用性强，应用场合十分广泛，一般厚度小于10mm的薄板以及厚板的打底焊接均 可采用。另外，TIG多层焊可以胜任中厚钛合金板材的焊接，此时每一道焊缝的保护都对最后的成形质量起 到至关重要的作用，焊接质量控制更为困难和严格。

活性焊剂氩弧焊简称A-TIG焊，最早由乌克兰巴顿焊接研究所在20世纪60年代研制，英国和美国在20世纪末 也相继开展有关研究。A-TIG焊的主要特征是在施焊板材表面覆上一层活性剂，使得电弧收缩和改变熔池流 态，增加焊接熔深[19]。与常规TIG相比，在焊接参数不变的条件下，A-TIG可以形成窄而深的熔池，熔宽减 小，熔深提高，如图1所示[20]。在焊接厚板时能够减少焊接道次，提高焊接效率和成型质量。焊接薄板时 ，A-TIG可以提高焊接速度，减少薄板热应力变形，改善薄板焊接质量。

窄间隙TIG焊接是由美国率先提出的为解决大厚度结构件焊接的一种新型技术，其坡口间隙窄而深，可以大 幅减小焊缝截面积，降低焊缝金属填充量，用较小的线能量实现较高的生产效℃，同时保留常规TIG特性， 焊接过程电弧稳定、飞溅少，适用全位置焊接，焊接质量高，焊缝极限深度可达200mm。

“蛟龙”号7000m深潜器的钛合金耐压舱体就是采用手工TIG窄间隙焊接成型，厚度达到114mm。20世纪末， 乌克兰巴顿焊接研究所创造性地将磁场引入到窄间隙焊接过程中，开发出磁控窄间隙TIG焊接技术，其原理 如图2所示[21]，该技术是在TIG焊电弧前端、焊接方向上添加铁心和线圈，在线圈中通以交变电流提供电弧 周期变化的洛伦兹力，从而解决常规窄间隙焊接中的侧壁熔合不良问题，单面焊接厚度可达80~120mm。窄间 隙焊缝接头横截面宏观形貌如图3所示，侧壁熔合良好，接头无明显缺陷[22]。

哈尔滨工业大学从巴顿焊接研究所引进TIG自动焊接设备，通过消化吸收，自行设计了厚板钛合金窄间隙自 动化焊接系统，形成了技术领先的国产厚板钛合金焊接技术，完成了设备国产化，最大焊接厚度可达110mm ，坡口宽度不大于12mm。山东大学基于PLC建立了一套适用于厚板窄间隙磁控TIG焊接自动控制系统，集成了 焊接过程视频监控功能，能够对窄间隙磁控电弧TIG焊接过程实现有效和可靠控制，成功试焊了110mm厚板钛 合金。中船重工725所在2005年启动大厚度钛合金窄间隙焊接技术研究，并在2012年获得相关授权专利。广 东省焊接技术研究所余陈、张宇鹏等人采用磁控窄间隙TIG焊接方法焊接30mm和100mm厚TC4钛合金，分析了 磁场强度、电弧摆动、电极位置对焊 缝组织成形的影响[23]。

2.2真空电子束焊

电子束焊接是利用聚焦的高速运动的电子轰击工件待焊处所产生的金属熔合的一种高能束焊接方法。它一般 在高真空环境下进行，既避免了电子受到磁场影响而无法聚焦，又防止了大气环境对焊接区的污染，加上其 设备精准度和自动化程度高，再现性良好，非常适合焊接具有高熔点、易氧化的钛合金金属。另外，电子束 焊接方法能量密度极高、加工速度极快且焊接过程精确可控，因此可获得大深宽比的焊缝，且焊缝热影响区 窄，可在不开坡口情况下对大厚板件实现穿透焊接，因此成为焊接钛合金大厚板的优选方法。典型的真空电 子束焊接设备、焊缝以及焊接过程如图4所示。

钛合金电子束焊接在深海载人装备领域应用广泛，中国的深海勇士号、日本的深海6500号、法国的鹦鹉螺号 、美国的阿尔文号等国内外众多典型载人潜水器耐压球壳以及部分浮力球都是由真空电子束焊接完成。巴顿 焊接研究所利用60kV\60kW的中压电子束设备完成了厚100~200mm的钛合金舰艇舱类结构以及大型燃机发动机 、热交换器管及管板结构的焊接制造[24]。中船重工725所采用大功率电子束焊接Ti80厚板焊缝熔深达56mm ，焊接TB19厚板焊缝熔深接近130mm，焊缝深宽比大，热影响区（HAZ）宽度远远小于传统TIG焊HAZ宽度，焊 缝表面成形良好，焊缝质量优异[25]。

2.3激光焊

激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高效精密焊接方法，其特征是激光 束能量密度高，可获得大熔深和较高的焊接速度，且焊缝和焊接热影响区窄，焊接变形和残余应力很小。另 外，激光易用反射镜或棱镜改变光路，可在工件任意位置上焊接。因此，激光焊接技术研究受到广泛重视， 在钛合金结构件焊接中扮演着越来越重要的角色，尤其是钛合金热传导率较低，且对红外线光的吸收率较高 ，激光焊在钛及钛合金薄板及精密零件的焊接上拥有良好的应用前景[26]。

随着大功率激光器的开发与应用，激光焊接的优势也越来越明显，其质量和效率均优于其他熔焊方法。激光 焊已成功应用于钛合金焊接中，只要工艺参数匹配合理，激光焊TC4钛合金焊缝内部质量可达到GB3233-87K 级焊缝要求[27]。

钛合金激光焊技术的不足之处在于，易产生咬边、凹陷和气孔缺陷，接装配精度要求高等，为此出现了激光 -电弧复合焊技术。激光-TIG电弧复合焊接过程如图5所示[28]，该焊接工艺结合了激光与电弧这两个独立热 源的优势，同时在很大程度上避免了二者的弊端，产生了1+1>2的效果，兼具高能量密度、高能量利用率 、高电弧稳定性等特点。

3、存在的问题

3.1焊材质量

国产钛合金焊材质量有待提升，高尖端船舶用钛合金焊材种类不全。目前钛合金越来越广泛地在舰船上普及 应用，国内钛合金生产企业也拥有各类普通规格板材、环材、棒材的制备能力，但在批次稳定性和焊接操作 工艺性能上与进口钛合金材料相比仍存在一定差距，尤其是大规格宽厚板材、型材、复杂的铸件。国内大规 格钛合金材料同一批次不同位置的组织成分呈现差异化，不同批次的质量稳定性很难保证。另外，国内配套 钛合金焊丝种类较少，潜舰、钻井管等使用的大量钛合金焊材仍需进口。

国产配套焊材发展相对滞后，基本通过引进国外焊材后吸收消化，缺乏高尖端高质量钛合金配套焊材自主研 发能力。

3.2焊接工艺及装备

大厚度钛合金深熔焊工艺和机理基础科学研究不足，焊接自动化专机和焊接机器人开发不充分。对于大型承 力舰船用钛合金结构件而言，其主要承载焊缝长度和厚度规格大，因此对焊接接头性能和结构可靠性要求较 高，然而国内从1992年才开始致力于10mm以上厚板钛合金在舰船中的应用及其焊接技术的研究，到现在仍处 于探索阶段，缺乏对大厚度、大规格钛合金深熔焊系统性的工艺规范研究，无法从理论角度阐明沿熔深和熔 宽方向大厚度钛合金接头力学性能的分散差异性，未充分认识焊接工艺、焊缝形状特征、微观组织性能与接 头力学行为之间的相关性规律，缺乏有效的大厚度钛合金焊接性能调控技术方法，钛合金焊缝控氢和焊接残 余应力消除等关键技术与国外差距明显，需要加深对合金元素作用机理、服役可靠性、安全寿命评估等基础 科学的研究[29-30]。另外国内舰船钛合金焊接方式仍然以手工气体保护焊为主，窄间隙焊接技术近年也在 大厚板钛合金焊接中发挥作用，但是国内造船及相关研究单位整体焊接自动化水平与国外存在差距，无法满 足高标准作战技术性能的现代舰船制造要求，尚缺乏高可靠性、高效率的自动化焊接专机和智能化焊接机器 人。

4、结论

目前我国舰船用钛合金体系已经初步建立，形成了各类型钛合金牌号，在水面舰艇、潜艇和深潜器各系统中 都有应用案例，近年来国内舰船用钛及钛合金焊接技术研究也取得了一定成果，但在高端钛合金焊接材料、 工艺技术以及自动化智能化集成焊接设备方面与国外还有明显差距，需要我国钛工业和焊接技术专家、学者 共同努力，立足基础科学问题，积累工程经验，研发新型舰船钛合金牌号，降低钛合金材料制备成本、优化 现有焊接工艺，重点突破大型钛合金的高效自动化焊接新工艺、设备，扩大钛及钛合金在舰船用材中的比例 。

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