馬青軍，王澤軍，韋 晨，武鵬博，曹 浩，徐亦楠，方乃文

1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，天津 300192

2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

鈦合金具有無磁、比強度高、耐腐蝕性能良好、加工性能優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于船舶、海洋工程、航空航天及生物醫(yī)療等重點領(lǐng)域，成為當(dāng)前應(yīng)用最多的合金之一，近幾十年來，為滿足各個領(lǐng)域?qū)︹伜辖鹦阅芴岢龅牟煌枨?，國?nèi)對鈦合金的研究極其活躍［1］。鈦合金根據(jù)化學(xué)成分可分為α型鈦合金、近α型鈦合金、β型鈦合金、近β型鈦合金及αβ型鈦合金共五類［2］。隨著鈦合金體系進(jìn)一步完善，新型鈦合金不斷應(yīng)用，對鈦合金結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的需求也越來越迫切。

近年來，與鈦合金焊接相關(guān)的裝置、工藝與材料等方面的創(chuàng)新研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。創(chuàng)新不僅是企業(yè)賴以生存和發(fā)展的關(guān)鍵，更是國家科技進(jìn)步的動力，我國已經(jīng)把自主創(chuàng)新能力作為調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式、提高國家競爭力的中心環(huán)節(jié)，把提高自主創(chuàng)新能力擺在了全部科技工作的首位［3］。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程加快及科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，與創(chuàng)新密切相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)制度在經(jīng)濟(jì)和社會活動的地位得到了極大提升，專利就是對科技創(chuàng)新成果進(jìn)行法律保護(hù)的主要載體之一［4］。因此，研發(fā)機構(gòu)在掌握一些鈦合金產(chǎn)品焊接核心技術(shù)后，會形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利。專利作為一種文獻(xiàn)類型是全球最大的技術(shù)信息資源，在科技研發(fā)與行業(yè)情況分析中具有重要作用。

因此，文中基于專利角度淺析了我國鈦合金焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，使用國家知識產(chǎn)權(quán)局的新版專利檢索與分析系統(tǒng)并結(jié)合中國知網(wǎng)以“鈦合金焊接”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，針對鈦合金焊接專利申請量的變化趨勢、主要技術(shù)領(lǐng)域、區(qū)域分布、重點專利類型等進(jìn)行了統(tǒng)計分析，旨在了解目前國內(nèi)鈦合金焊接知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀與發(fā)展方向。

1 鈦合金焊接專利申請總體情況

截止2021年12月31日，經(jīng)檢索得到與鈦合金焊接相關(guān)專利申請共計450件?！吨腥A人民共和國專利法》規(guī)定經(jīng)初步審查符合專利法要求的發(fā)明專利，自申請日起滿18個月，即行公布，行政部門可以根據(jù)申請人的請求早日公布其申請。由于此條款規(guī)定使部分已經(jīng)提出申請的專利未被數(shù)據(jù)庫收錄，同時由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在時滯性，因此文中統(tǒng)計數(shù)據(jù)具有不完全性，但是統(tǒng)計分析結(jié)果仍具有代表性意義［5］。

1.1 年度申請量變化趨勢

我國鈦合金焊接專利年度申請量變化趨勢如圖1所示。研究樣本表明，我國早在1987年由航空部成都發(fā)動機公司申請了一種適用于焊接薄至0.3mm的不銹鋼及鈦合金材料的直流氬弧焊機控制箱，并在1992年獲得實用新型專利授權(quán)，直至2008年我國關(guān)于鈦合金焊接專利申請數(shù)量每年都小于10件，這表明該時間段內(nèi)國內(nèi)鈦合金焊接技術(shù)研究尚處于起步階段，屬于萌芽期。自2009年開始，每年專利申請件數(shù)突破10件，并于2017年達(dá)到了33件，申請數(shù)量有了明顯提高。2017年以后，專利申請量快速增加，在不能完全統(tǒng)計的情況下，2021年申請量達(dá)到了80件以上?？傮w來看，我國鈦合金焊接技術(shù)經(jīng)過20余年的探索與研究，從2007年開始研究熱度不斷提高，專利申請量呈現(xiàn)快速增加態(tài)勢，表明鈦合金焊接已經(jīng)引起了企業(yè)、科研院所及研究機構(gòu)的重視，吸引了很多科研工作者進(jìn)入該領(lǐng)域從事研究工作。

圖1 我國鈦合金焊接專利年度申請量Fig.1 Annual application quantity of titanium alloy welding patents in China

1.2 技術(shù)領(lǐng)域衍變趨勢分析

IPC分類是國際唯一通用的專利文獻(xiàn)分類與檢索工具，我國一般使用該分類，一個完整的分類號由部、大類、小類、大組或小組符號構(gòu)成。其中，部一共有8種，分別為A部——人類生活必需（農(nóng)、輕、醫(yī)）；B部——作業(yè)、運輸；C部——化學(xué)、冶金；D部——紡織、造紙；E部——固定建筑物（建筑、采礦）；F部——機械工程；G部——物理；H部——電學(xué)。通過對分類號中部的分析可以在一定程度上體現(xiàn)某類型專利在不同技術(shù)領(lǐng)域的演變趨勢，圖2是依據(jù)部統(tǒng)計分析的鈦合金焊接專利技術(shù)領(lǐng)域的衍變情況。

圖2 鈦合金焊接專利技術(shù)領(lǐng)域衍變情況Fig.2 Evolution of titanium alloy welding patent technology fields

由圖2可知，在萌芽期鈦合金焊接專利涉及到的技術(shù)領(lǐng)域基本為B部，只有在2000年和2001年分別涉及到了少量F部和G部；經(jīng)過十幾年不斷發(fā)展，鈦合金焊接專利現(xiàn)已涉及到除D部以外的全部領(lǐng)域，其中B部最多，C部次之。這說明鈦合金焊接技術(shù)作為一種基本熱加工工藝已經(jīng)廣泛服務(wù)于各行各業(yè)，同時也表明不同領(lǐng)域鈦合金的快速發(fā)展對其焊接技術(shù)不斷提出新的需求與挑戰(zhàn)，促使其不斷發(fā)展，焊接已經(jīng)成為鈦合金必不可少的連接技術(shù)。

1.3 主要申請人及區(qū)域分析

圖3是鈦合金焊接專利申請量排名前10位的申請人。中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所位居榜首，哈爾濱工業(yè)大學(xué)次之，第3位是中國兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司所屬國有大型一類骨干企業(yè)江麓機電集團(tuán)有限公司，該公司是重點保軍企業(yè)。申請人排名表明，目前國內(nèi)關(guān)于鈦合金焊接技術(shù)研發(fā)主體是科研院所及高校，前10位申請人共計申請了117件專利，占總數(shù)的26%，剩余74%共有232個申請人，這間接說明了國內(nèi)企業(yè)在鈦合金焊接方向自主研發(fā)能力不強，可能與企業(yè)較難獲得項目與基金支撐有關(guān)。另外，通過對申請人類型分析表明鈦合金焊接技術(shù)應(yīng)用較多的是船舶、航空航天及軍工行業(yè)。

圖3 鈦合金焊接專利申請量排名前10位的申請人Fig.3 Top 10 applicants for titanium alloy welding patents application quantity

圖4表明除了3件專利申請區(qū)域在國外，其余均在國內(nèi)，北京市申請數(shù)最多為62件，遼寧省、陜西省和江蘇省數(shù)量較為接近，分別為47、44和42件。然而區(qū)域內(nèi)申請量多并不一定表明該區(qū)域內(nèi)鈦合金焊接產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，比如河南省申請量為34件，但是中國船舶重工集團(tuán)第七二五研究所就申請了24件。因此，為了更充分地表征鈦合金焊接在不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及研究情況，使用排名前10申請人所在區(qū)域申請量減去排名前10申請人的申請量，結(jié)果如表1所示，去除排名前10申請人的申請量后，北京市仍有43件，陜西和江蘇分別為36件和34件，而黑龍江省最低只有8件。

表1 排名前10申請人所在區(qū)域的申請量減去排名前10申請人的申請量Table 1 Application quantity of the top 10 applicants in the region minus the application quantity of the top 10 applicants

圖4 鈦合金焊接專利申請區(qū)域分布Fig.4 Distribution of titanium alloy welding patent applications

2 鈦合金專利重點方向分析

2.1 保護(hù)裝置

鈦合金的化學(xué)性質(zhì)很活潑，與氧有很強的親和力，室溫下其表面會形成穩(wěn)定且堅固的氧化膜，如圖5所示，氧化膜的存在會使鈦合金具有較好的耐腐性能，但是當(dāng)溫度高于648℃時，其抗氧化能力急劇降低［6］。當(dāng)鈦合金暴露在大氣中時，如果溫度超過250℃會開始吸收氫、400℃時開始吸收氧、600℃時開始吸收氮，這些小間隙元素會以原子形式進(jìn)入晶格中，使鈦合金的強度與硬度升高［7］。氫是β相穩(wěn)定元素，隨著焊縫中氫含量增加，焊縫中片狀或針狀γ相（TiH2）增加，降低了焊縫沖擊性能。另外，TiH2的析出會導(dǎo)致應(yīng)力增加，高應(yīng)力會誘導(dǎo)氫擴(kuò)散聚集，從而引起延遲裂紋［8］。氧和氮都是α相穩(wěn)定元素，在鈦的α相和β相中溶解度高，并能形成間隙固溶相，使鈦晶格嚴(yán)重扭曲，焊縫中氧含量超過3 000×10-6可能導(dǎo)致焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)橫向裂紋。700℃時氮會與鈦生成脆硬的TiN，顯著降低鈦合金塑性。圖6中的裂紋缺陷就是由于鈦合金焊接過程中焊縫被污染導(dǎo)致，所以在焊接鈦合金時必須妥善保護(hù)焊接區(qū)域（包括熔池背面）以防止焊縫被污染［9］。

圖5 鈦合金表面氧化層（最上層）Fig.5 Oxidation layer on titanium alloy surface（top layer）

圖6 鈦合金焊接接頭焊縫與熱影響區(qū)裂紋Fig.6 Cracks in weld and heat affected zone of titanium alloy welded joint

通過對專利分析發(fā)現(xiàn)，焊接鈦合金時對焊接區(qū)域保護(hù)方式主要是采用惰性氣體隔絕大氣或真空環(huán)境。但真空保護(hù)成本過高，工件尺寸也受到很大限制，多是配合真空焊、擴(kuò)散焊及釬焊等特殊焊接方法使用，所以鈦合金焊接通常采用惰性氣體隔絕大氣的保護(hù)方法，該方法主要分為局部保護(hù)和整體保護(hù)，且必要時需配置冷卻裝置，如方乃文［10］等人設(shè)計了一種大厚度鈦合金板窄間隙激光填絲焊接用氣體保護(hù)裝置（公開號：CN212946025U），使保護(hù)氣體通過送氣銅管向下排放，對焊接熔池進(jìn)行全方位的保護(hù)，保護(hù)氣體經(jīng)送氣銅管可在短距離內(nèi)有效降低紊流，提高保護(hù)氣流挺度與平穩(wěn)性，抑制金屬蒸氣羽輝，并充分利用銅導(dǎo)熱性快的特性來降低焊接區(qū)域溫度。圖7是一種GTAW焊接用整體保護(hù)裝置，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，內(nèi)部空間有限，多適用于小構(gòu)件焊接。圖8是一種典型MIG焊用局部保護(hù)裝置示意圖，大部分專利均是基于此種保護(hù)形式，目的是為了更好地適應(yīng)焊接方法及被焊構(gòu)件的多樣化，設(shè)計了不同裝置結(jié)構(gòu)，所以對于保護(hù)裝置申請的專利而言，實用新型專利要多于發(fā)明專利。

圖7 整體保護(hù)裝置Fig.7 Overall protection device

圖8 局部保護(hù)裝置示意Fig.8 Schematic diagram of local protection device

2.2 鈦合金與異種材料的焊接

鈦合金與異種材料的焊接難點主要是兩者的晶格類型、晶格參數(shù)、原子半徑及外層電子結(jié)構(gòu)不同，組織成分、物化性能差異大，使兩者存在“冶金學(xué)上的不相容性”［11］。焊接時由于母材熔化量不同，容易導(dǎo)致焊縫偏移且產(chǎn)生較大應(yīng)力，另外焊接過程中生成的金屬間化合物是惡化焊接接頭性能的主要因素之一。

通過專利檢索發(fā)現(xiàn)，鈦合金與異種材料的焊接已經(jīng)成為當(dāng)今研究熱點之一，這些材料種類包括但不限于不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、高溫合金、復(fù)合材料及非金屬材料。焊接方法主要包括真空擴(kuò)散焊、釬焊、電子束焊、激光焊、氬弧焊、攪拌摩擦焊、氬弧焊-釬焊復(fù)合焊等。對專利進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，鈦合金和不銹鋼、銅及銅合金焊接的專利件數(shù)較多，因此對部分專利進(jìn)行了分析。

鈦合金和不銹鋼的焊接研究開始較早且已經(jīng)相對成熟。早在2008年，中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院發(fā)明了“用于鈦合金與鋼連接的氬弧焊-釬焊復(fù)合焊接方法”（公開號：CN1012 84336B），用Nb作為中間層，先在充氬箱中使用鈦焊絲對鈦合金和Nb中間層進(jìn)行氬弧焊接，再對鈦合金+Nb中間層與鋼進(jìn)行釬焊，該方法利用熔焊和釬焊分別進(jìn)行Nb和鈦合金、鋼兩種母材的焊接，阻隔了兩種母材中鈦原子與鐵原子的直接接觸，避免了鈦合金和鋼直接焊接時形成脆性相從而產(chǎn)生裂紋，這種方法的焊接接頭抗拉強度為266.6 MPa［12］。發(fā)明名稱為“焊接異種金屬的方法”（公開號：CN 102632324A）公開了一種使用V形對接接頭和鎢極氣體保護(hù)電弧焊連接鈦和不銹鋼的方法，焊接時將釩和鋁銅的中間物雙焊條填充到鈦和不銹鋼之間的熔池，釩焊條鄰近鈦放置，鋁銅焊條鄰近不銹鋼放置，焊接接頭的抗拉強度可達(dá)282 MPa，斷裂位置為預(yù)堆邊焊處，為脆性斷裂［13］。

王廷［14］等人采用電子束焊接TA15鈦合金與304不銹鋼時，發(fā)現(xiàn)二者很難通過直接熔化焊進(jìn)行連接，需要使用中間層來改善冶金條件；直接進(jìn)行電子束焊接時，較小的熱應(yīng)力就會使焊縫內(nèi)出現(xiàn)如圖9所示的大量裂紋，XRD分析結(jié)果表明生成的連續(xù)分布脆性相TiFe2、TiFe2及Cr2Ti是裂紋產(chǎn)生的根本原因。因此，王廷［15］等人在2013年發(fā)明了“鈦合金與不銹鋼電子束焊接填充材料、制備工藝及其方法”（公開號：CN103192195B），通過改變填充材料成分，有效地將Ti、Fe元素隔離開來而避免焊縫中形成脆性金屬間化合物，從而獲得致密度高、脆性小、無氣孔和裂紋的焊縫，解決了鈦合金與不銹鋼焊接過程中，因兩者冶金不相容性和物理性能的差異難以獲得高強度接頭的問題。

圖9 焊縫橫截面裂紋Fig.9 Crack in welding cross section

為了解決鈦合金和不銹鋼焊接接頭抗拉強度低、韌性差，無法應(yīng)用于需要高強度工況的情況，林鐵松［16］等人發(fā)明了“一種鈦合金與不銹鋼的真空微擴(kuò)散連接方法”（公開號：CN103920987B），該方法的焊接接頭抗拉強度可達(dá)到450～620 MPa，韌性為80～120 J/cm2。

鈦合金和銅合金連接時焊縫會出現(xiàn)連續(xù)分布的Ti-Cu金屬間合物，嚴(yán)重惡化焊接接頭性能，為解決該問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了深入研究。劉偉［17］等人發(fā)明了“一種電子束焊接TA15鈦合金與鉻青銅異種材料的方法”（公開號：CN101913022A），先采用現(xiàn)有焊接方法對TA15鈦合金母材與QCr0.8鉻青銅合金母材的接頭處進(jìn)行焊接，然后將電子束聚焦位置向QCr0.8鉻青銅合金母材側(cè)移動0.2～1.0 mm進(jìn)行第二次焊接，通過設(shè)計電子束聚焦焊接位置，利用疊加焊接的方法改善了接頭組織結(jié)構(gòu)，降低了金屬間化合物的不利影響，獲得優(yōu)質(zhì)高強的連接接頭。王廷［18］利用V不與Ti、Cu形成脆性相的機理，研發(fā)了Cu2V填充金屬，并將其作為填充層，使用電子束雙道焊接技術(shù)成功焊接了QCr0.8與TA15，抗拉強度達(dá)到銅合金母材的80%以上，拉伸斷裂發(fā)生在銅母材的熱影響區(qū)，如圖10所示。

圖10 粉末冶金環(huán)形填充層及鈦/銅管材對接件Fig.10 Powder metallurgy annular filling layer and titanium/copper pipe butt joint

南京理工大學(xué)公開了“一種鈦合金和紫銅異種金屬電子束焊接方法”（公開號：CN106346126B），成功焊接了TC4鈦合金和T2紫銅，首先在銅母材側(cè)進(jìn)行焊接（偏置量：1～3 mm），然后用小束流對背部快速對中焊，強化根部成形，最后用電子束焊接偏鈦一側(cè)（偏置量：1.5～3.5 mm），焊接結(jié)構(gòu)及焊縫橫截面如圖11所示。該方法的第1道焊接可以控制金屬間化合物的分布及含量；第2道焊接提高了焊接接頭的可靠性；第3道焊接在不破壞第1道焊接的連接界面基礎(chǔ)上，再次改變初生不利取向的金屬間化合物的生長方向、成分及含量，焊接接頭強度高達(dá)220 MPa［19］。郭順［20］等人使用在鈦側(cè)進(jìn)行二次焊接的方法構(gòu)建了鈦/銅結(jié)合界面金屬間化合物的重熔溫度場，對金屬間化合物進(jìn)行重熔改性。研究表明，鈦側(cè)焊接使結(jié)合界面產(chǎn)生約1 000℃的高溫，引起金屬間化合物層局部重熔，獲得的接頭截面如圖12所示，焊接接頭強度為210 MPa。

圖11 焊接結(jié)構(gòu)及焊縫橫截面示意Fig.11 Schematic diagram of welding structure and weld cross section

圖12 鈦/銅復(fù)合鈦側(cè)重熔工藝接頭截面Fig.12 Cross section diagram of titanium/copper welded joint with remelting process

3 結(jié)論

（1）隨著鈦合金體系持續(xù)發(fā)展，鈦合金焊接專利申請件數(shù)總體呈現(xiàn)增加趨勢，技術(shù)領(lǐng)域由最初B部增加到A、B、C、E、F、G、H等多部，其中船舶、航空航天與軍工行業(yè)申請量較多，通過對申請人分析發(fā)現(xiàn)，我國鈦合金焊接技術(shù)的研究主體是科研院所及高校，企業(yè)研發(fā)能力薄弱，導(dǎo)致我國鈦合金焊接行業(yè)未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，因此，需加強對企業(yè)自主研發(fā)的支撐，鼓勵校企聯(lián)合來促進(jìn)發(fā)展。

（2）鈦合金與異種材料焊接技術(shù)的研究已成為當(dāng)今熱點之一，鈦合金與不銹鋼、銅及銅合金焊接技術(shù)相對成熟，但與其他材料焊接專利申請量較少，尤其是與非金屬材料焊接研究處于起步階段，這些非金屬材料包括但不限于陶瓷、玻璃及C/SiC復(fù)合材料。