曹彬彬，李杜偉

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東泰安 271000）

0 引言

壓力容器使用過程中，介質(zhì)作用復(fù)雜，要求材料具有較好的耐腐蝕性、較高的強(qiáng)度及較低的重量。鈦、鋁制壓力容器可以在使用過程中滿足上述要求。壓力容器制造中，焊接是最重要的工藝過程，焊接質(zhì)量的好壞取決于焊接方法的選擇、焊接參數(shù)的確定及焊接過程中的控制。其中，焊接方法的選擇在此過程控制中起決定性作用。

鈦、鋁制壓力容器適用的焊接方法主要包括焊條電弧焊、非熔化極氣體保護(hù)焊、熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊，目前常采用非熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行鋁、鈦制壓力容器的焊接[1]。

1 傳統(tǒng)焊接方法

1.1 焊條電弧焊

焊條電弧焊焊接鈦、鋁合金成本相對較低，焊接速度快。但焊接過程中，鈦、鋁合金易氧化、導(dǎo)熱快、熔點(diǎn)低，高溫下表面易產(chǎn)生氧化膜，需要及時(shí)清理。在高溫狀態(tài)下，鈦、鋁以液體形式存在，在焊接過程中容易引起焊接金屬下塌，需要配備背部成型的墊板，焊接準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜[2]。

圖1 焊接裂紋射線底片圖

焊條電弧焊焊接過程中，鈦、鋁合金表面的氧化膜易進(jìn)入熔池，在焊縫金屬中形成夾渣；焊接速度控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生氣孔；焊接過程中熱影響區(qū)較大，雜質(zhì)較多易產(chǎn)生熱裂紋，如圖1所示[3]。

1.2 非熔化極氣體保護(hù)焊

非熔化極氣體保護(hù)焊(TIG)焊接鈦、鋁合金為現(xiàn)階段最常見的焊接方法。在焊接鈦、鋁合金時(shí)，非熔化極氣體保護(hù)焊一般采用交流電源，利用電流在負(fù)半波時(shí)的陰極霧化效應(yīng)可以有效清理鈦、鋁合金表面的氧化膜，提高熔合性[4]。非熔化極氣體保護(hù)焊焊接過程中線能量集中，在焊接過程中能量損失少，熱影響區(qū)較小，焊后試件的力學(xué)性能優(yōu)良。其缺點(diǎn)是非熔化極的電流承載能力較低、熔深較小，只適用于薄板、厚板打底焊，且保護(hù)氣體較貴，勞動(dòng)效率低，生產(chǎn)成本高。

非熔化極氣體保護(hù)焊焊接鈦、鋁合金時(shí)，非熔化極受熱熔化，易在焊縫中形成夾渣，影響焊縫承載動(dòng)載荷的能力；保護(hù)氣體流量不足，焊接過程中空氣混入，焊接時(shí)生成氣孔；焊接殘余應(yīng)力較大，降低接頭的力學(xué)性能。

1.3 熔化極氣體保護(hù)焊

相比非熔化極氣體保護(hù)焊，熔化極氣體保護(hù)焊(MIG)采用自動(dòng)化操作，焊接效率高，解決了非熔化極氣體保護(hù)焊生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)；焊接過程中不產(chǎn)生熔渣，焊接飛濺少，焊縫成形美觀；由于其焊縫內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量都很高，該方法已成為焊接一些重要結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用的焊接方法之一。

熔化極氣體保護(hù)焊焊接鈦、鋁合金首選氬氣，氬氣售價(jià)高，成本相對較高，且該焊接方法對工件、焊絲的焊前清理要求較高，焊接過程對油、銹等污染比較敏感。熔化極氣體保護(hù)焊焊接速度快，焊接中需要專用設(shè)備，設(shè)備投入高，且焊接速度快易產(chǎn)生氣孔。通過采用氦氬混合氣可以彌補(bǔ)此類焊接缺陷，同時(shí)增加焊縫的熔深[5]。

1.4 CMT冷金屬熔滴過渡焊

CMT與其他的焊接方法相比，其熱輸入較低，實(shí)現(xiàn)了良好的冶金連接及無飛濺熔滴過渡。CMT焊接的特點(diǎn)為“冷”，即“熱-冷-熱”的冷、熱交替循環(huán)。CMT焊接溫度場較低，焊接接頭軟化減少，沖擊韌性大幅度提高，晶粒細(xì)化，適合鈦、鋁合金的薄板和厚板的多層多道焊接[6]。CMT焊接是對MIG焊接方法的改良，相比傳統(tǒng)的MIG焊，CMT焊后角變形小、氣孔形成的傾向低、力學(xué)性能較高[7]，但該焊接方法對設(shè)備的要求較高、焊接成型工藝復(fù)雜、裝配要求較高，特別適宜薄板焊接，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于汽車與軌道交通行業(yè)，壓力容器目前焊接工藝環(huán)境較為簡陋，還未采用此焊接方法。

1.5 激光焊

激光焊是一種先進(jìn)的材料連接技術(shù)，是利用高能的激光束通過熱輻射加工材料表面；通過材料的傳熱達(dá)到熔化母材的作用；通過控制激光脈沖的寬度、能量、頻率等參數(shù)，達(dá)到控制熱輸入、熔寬及熔深的目的。激光焊接屬于無接觸焊接，不受電磁干擾，可在大氣中進(jìn)行焊接[8]。激光焊焊接鈦、鋁合金時(shí)，由于其對激光較高的反射率、鈦鋁合金本身較高的導(dǎo)熱性等因素的作用，因此要求鈦、鋁合金焊接用的激光器功率大、成本高，且由于氣體的作用，激光焊易產(chǎn)生氣孔及熱裂紋[9]。

1.6 等離子弧焊

等離子弧焊是使用受外界約束的電弧進(jìn)行焊接的熔焊方法，主要通過機(jī)械壓縮效應(yīng)、熱壓縮效應(yīng)及電磁收縮效應(yīng)形成能量高度集中、高溫的電弧。對比熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）與非熔化極氣體保護(hù)焊(TIG)，其熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接應(yīng)力應(yīng)變小、生產(chǎn)速率較高、成本降低。

鈦、鋁合金等離子弧焊目前常采用變極性電源進(jìn)行焊接，變極性等離子弧焊（VPPAW）具有穿透力強(qiáng)、熱輸入低、焊接效率高、焊接應(yīng)力和應(yīng)變小等特點(diǎn)，特有的陰極清理作用可除去熔池內(nèi)的氧化物和雜質(zhì)，可獲得焊接質(zhì)量良好的單面焊雙面成型的焊縫[10]。目前等離子弧焊在壓力容器制造時(shí)主要應(yīng)用在鋼制壓力容器焊接中，多應(yīng)用于中厚板的焊接，已有較多成功應(yīng)用的案例。鑒于等離子弧焊焊接鈦、鋁合金過程中的優(yōu)越性，其在鈦、鋁壓力容器制造中有較廣闊的應(yīng)用前景。

2 固態(tài)焊接-攪拌摩擦焊

2.1 攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的摩擦熱與塑性變形熱熔化焊接材料，隨著攪拌頭的移動(dòng)，焊接方向上的塑性化材料在摩擦力的作用下，由前部流向后部，焊縫兩側(cè)的母材分子間相互結(jié)合形成致密的焊縫。在整個(gè)焊接過程中，未形成熔化的熔池，焊接為固態(tài)焊接。

2.2 攪拌摩擦焊與熔化焊對比

攪拌摩擦焊相比熔化焊的優(yōu)點(diǎn)在于，固態(tài)焊接未經(jīng)過一次結(jié)晶過程，焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生夾渣、氣孔及裂紋等缺陷。其具有較高的機(jī)械化、自動(dòng)化，功效高，無需添加焊絲，且焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射。目前在鈦、鋁合金應(yīng)用廣泛的航空航天行業(yè)，攪拌摩擦焊已進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

攪拌摩擦焊焊縫組織由晶粒更加細(xì)小的等軸晶組成，且Mg、Mn等合金元素的燒損明顯減少，力學(xué)性能得到有效改良，而MIG焊縫晶粒粗大，組織不均勻[11]。相比MIG等熔焊方法，攪拌摩擦焊焊接過程中熱輸入量較少，受到熱源的不均勻加熱與冷卻較少，工件的不均勻膨脹與收縮也較少，加工成型的設(shè)備的殘余應(yīng)變、應(yīng)力較小，避免了工件的二次整形，提高了焊接效率，降低了生產(chǎn)費(fèi)用。

目前，攪拌摩擦焊焊接鈦、鋁制壓力容器的應(yīng)用較少，限制其應(yīng)用的因素主要為設(shè)備成本較高，焊接裝配比較復(fù)雜，焊接成型所使用的攪拌針加工復(fù)雜，需要根據(jù)板厚、焊縫寬度配備不同的攪拌針。鑒于攪拌摩擦焊為固態(tài)焊接，可避免容器生產(chǎn)中絕大多數(shù)的焊接缺陷，該焊接方法仍在壓力容器制造中有廣闊的應(yīng)用前景。未來可先將此焊接方法用于可成批次生產(chǎn)的壓力容器，可大幅度提高生產(chǎn)效率、降低成本，提高焊接接頭的力學(xué)性能。

3 結(jié)束語

本文針對鈦、鋁壓力容器焊接方法進(jìn)行研究。熔焊方法焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、非熔化極氣體保護(hù)焊、冷金屬熔滴過渡焊、激光焊、等離子弧焊焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、夾渣及熱裂紋等缺陷；固態(tài)焊接方法攪拌摩擦焊在焊接時(shí)不經(jīng)過一次結(jié)晶過程，有效避免了焊接過程中各種缺陷的產(chǎn)生，且焊接效率較高，未來在鈦、鋁制壓力容器生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。