面向承壓設(shè)備制造的Ta1/TA1異種金屬手工氬弧焊工藝優(yōu)化與接頭表征研究——系統(tǒng)分析焊接熱輸入、電弧偏向?qū)缚p成形的影響，探究接頭成分分布、力學(xué)性能及無損檢測適配性

鈦是一種銀白色的金屬，密度為4.5g/cm³，熔點(diǎn)為1668℃，具有良好的塑性與韌性。常溫下，鈦能夠與空氣中的氧反應(yīng)生成致密的氧化膜，從而保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性。然而，隨著溫度的升高，鈦吸收氧、氮、氫的能力明顯增強(qiáng)。鈦從250℃開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮。目前，鈦及鈦合金焊接多采用為鎢極氬弧焊，而熔化極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等方法也得到了不同程度的應(yīng)用[1]。

鉭是一種鋼灰色的金屬，密度為16.6g/cm3，熔點(diǎn)為2996℃，具有良好的韌性與延展性。鉭從300℃開始吸收氧，從350℃開始吸收氫，從700℃開始吸收氮。鉭具有高熔點(diǎn)、高密度、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗腐蝕能力極強(qiáng)和加工性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、化工、電子等領(lǐng)域。實驗證明，將鉭浸泡在200℃硫酸中，腐蝕速率僅為0.006mm/a，其耐腐蝕性能可與玻璃媲美，除了氟氣、氫氟酸、含氟離子的堿性溶液、發(fā)煙硫酸和強(qiáng)堿以外，幾乎能耐一切化學(xué)物質(zhì)的腐蝕[2-4]。但由于鉭金屬價格昂貴，在化工設(shè)備中使用時多采用復(fù)合板結(jié)構(gòu)形式。鉭復(fù)合板一般采用三層結(jié)構(gòu)，鉭為覆層，中間設(shè)置過渡層，鋼為基層[3-4]。國內(nèi)學(xué)者先后開展了鉭-過渡層-鋼三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)的鉭蓋板與鉭覆層焊接[3]、鉭-鋼復(fù)合管板與鉭管焊接[4]、16mm厚Ta2.5W合金板焊接[5]等研究。

為了降低設(shè)備的材料成本，某些鉭鋼復(fù)合板設(shè)備的管板或接管采用松襯結(jié)構(gòu)，會涉及鉭材與鈦材的焊接。目前國內(nèi)關(guān)于鉭與鈦異種金屬焊接的研究報道較少。陳國慶等[6]采用電子束焊接實現(xiàn)了TC4鈦合金與Ta-W合金的焊接。但由于電子束焊接對環(huán)境和設(shè)備的要求比較高，使用條件苛刻，不便于在承壓設(shè)備制造中的推廣應(yīng)用。為此，本研究采用手工鎢極氬弧焊技術(shù)焊接Ta1鉭板與TA1鈦板，并對焊接后的Ta1/TA1焊接接頭進(jìn)行顯微組織觀察與力學(xué)性能分析，以期推動鉭鈦復(fù)合板在工程中的應(yīng)用。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗材料為Ta1鉭板與TA1純鈦板，厚度均為1.2mm，力學(xué)性能見表1。

表 1 Ta1 鉭板與 TA1 鈦板的力學(xué)性能

1.2試樣加工

參照NB/T47014—2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)，分別制備規(guī)格為90mm×200mm×1.2mm的Ta1與TA1焊接試板各2塊。試板焊接坡口形式如圖1所示，Ta1鉭板為I型坡口，TA1鈦板為35°坡口。

1.3焊接

（1）焊前準(zhǔn)備焊接坡口采用機(jī)械加工的方式，坡口表面應(yīng)呈現(xiàn)金屬光澤；用無水乙醇清潔坡口表面及其兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的污物。

（2）組對與定位焊將Ta1鉭板與TA1鈦板在專用組對工裝上進(jìn)行組對，控制對口錯邊量≤0.2mm，不得強(qiáng)力組對。

采用手工氬弧焊進(jìn)行定位焊，定位焊間距為50~60mm，每段定位焊長度為3~5mm，定位焊縫不得有裂紋、氣孔等缺陷，否則應(yīng)清除后重新焊接。定位焊縫應(yīng)為銀白色，兩端平滑過渡。

點(diǎn)焊時用氬氣保護(hù)，正面氬氣流速為10~15L/min，背面為10L/min。引弧板和息弧板尺寸均為50mm×50mm×1.2mm。

（3）焊料焊絲選用熔點(diǎn)低的TA1鈦材對應(yīng)的ERTA1ELI焊絲，直徑1.2mm；焊接過程中用氬氣保護(hù)，氬氣純度≥99.99%；焊接電極選用鈰鎢電極，直徑2.5mm。

（4）焊接工藝采用手工氬弧焊，直流正接。選用較小的熱輸入，焊接電流60～80A，電弧電壓7~8V。氬氣流量：焊槍10~14L/min，正面保護(hù)12~16L/min，背面保護(hù)10~14L/min。層間溫度控制在60℃以下。對接焊縫焊兩層，單面焊雙面成形。

Ta1鉭材比TA1鈦材的熔點(diǎn)高1328℃，二者熔點(diǎn)相差特別大。TA1鈦材的熱導(dǎo)率低，約為Ta1鉭材的1/4。焊接時，應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入與電弧偏向。焊接速度過快時，熱輸入較低，易造成熔點(diǎn)低的TA1鈦板熔化，而熔點(diǎn)高的Ta1鉭板仍為固態(tài)，導(dǎo)致二者未熔合。反之，焊接速度過慢時，熱輸入較高，Ta1鉭板發(fā)生軟化或熔化，而熔點(diǎn)低的TA1鈦板發(fā)生流失或燒損。因此，在焊接過程中氬弧焊電弧應(yīng)偏向Ta1鉭板一側(cè)，并采用熔點(diǎn)低的TA1鈦材對應(yīng)的ERTA1ELI焊絲進(jìn)行加絲焊接，避免出現(xiàn)未熔合或焊漏現(xiàn)象。

TA1鈦板變形后回彈能力強(qiáng)，焊接后很難通過矯正恢復(fù)原狀態(tài)，所以組對時應(yīng)預(yù)留反變形，焊接時應(yīng)利用工裝約束板材變形，并采用小電流焊接，以減少焊接變形。TA1鈦板與Ta1鉭板極易氧化，焊槍需要具有良好的保護(hù)作用，噴嘴要大，保護(hù)氣體要有一定的挺度。焊接過程中，焊槍后面要設(shè)置焊接保護(hù)拖罩，防止焊槍保護(hù)氣體移走后，焊縫還未冷卻下來，因無保護(hù)而氧化。板材背面的焊縫也要進(jìn)行保護(hù)，制作專用銅保護(hù)罩，背面焊縫50mm寬度范圍內(nèi)，通入均勻的氬氣進(jìn)行保護(hù)。在焊接過程中，焊縫的正面與背面均進(jìn)行持續(xù)的氬氣保護(hù)。焊接完成后，持續(xù)用氬氣保護(hù)一段時間，直至焊縫冷卻。

1.4檢測

對焊接后的試板進(jìn)行外觀檢查。按照NB/T47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲透檢測》標(biāo)準(zhǔn)要求，對焊接試板焊縫及熱影響區(qū)域進(jìn)行滲透檢測。參照NB/T47014—2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)要求，按圖2所示分別切取金相、拉伸、面彎、背彎試樣。

依據(jù)GB/T228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行室溫拉伸性能測試；依據(jù)GB/T2653—2008標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行彎曲性能檢測，試驗過程中，彎心直徑為12mm，彎曲角度為180°。依據(jù)GB/T4340.1—2024標(biāo)準(zhǔn)要求測量焊縫硬度。采用光學(xué)顯微鏡觀察焊接試樣不同區(qū)域的顯微組織。采用JSM-6460掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌，并用其附帶的能譜儀（EDS）對焊接試樣不同區(qū)域進(jìn)行成分分析。

2、結(jié)果與討論

2.1外觀

圖3為焊接后的試板照片。從圖3可以看出，焊縫表面無裂紋、氣孔、弧坑、夾雜等缺陷，呈銀白色，無氧化，焊接質(zhì)量良好。

2.2滲透檢測

因Ta1鉭材與TA1鈦材均不具有磁性，無法實施磁粉檢測，故選擇滲透檢測。通過滲透檢測可有效發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的表面裂紋。經(jīng)滲透檢測，焊接試板焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)有裂紋，符合I級要求。

2.3射線探傷

對焊接試板進(jìn)行100%射線探傷檢測，射線檢測技術(shù)等級為AB級，未發(fā)現(xiàn)有裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等缺陷，檢測結(jié)果符合I級要求。

圖4為焊接試樣射線探傷照片，圖中上部明亮區(qū)域為Ta1母材，下部黑暗區(qū)域為TA1母材，焊縫亮度居于二者之間。由于鉭的原子序數(shù)為73，鈦的原子序數(shù)為22，在進(jìn)行射線檢測時，鉭與鈦對射線的吸收程度差異大，造成探傷影像差別較大。Ta1母材與焊縫之間有一條非常直的亮度分界線，此分界線為Ta1母材機(jī)加工形成的坡口輪廓，表明焊接過程中Ta1母材邊緣僅發(fā)生了少量熔化。而TA1母材與焊縫之間的亮度分界線不規(guī)則，是由于焊接過程中TA1母材邊緣完全熔化，加之手工氬弧焊焊接速度不均勻，導(dǎo)致TA1母材熔化量不一致，從而呈現(xiàn)出不規(guī)則的亮度分界線。

2.4力學(xué)性能

焊接試樣的室溫拉伸性能見表2。從表2可以看出，焊接試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均與Ta1母材相近，塑性有所下降，但下降幅度不大。拉伸性能檢測結(jié)果符合NB/T47014—2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中“試樣母材為兩種材料金屬代號時，每個試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于兩種母材抗拉強(qiáng)度最低值中的最小值；試樣如果斷在熔合線以外的母材上，其抗拉強(qiáng)度值不得低于母材抗拉強(qiáng)度最低值的95%”的要求。

表 2 焊接試樣室溫拉伸性能

經(jīng)檢測，焊縫區(qū)域硬度為183.3HB，高于Ta1母材與TA1母材的硬度。

焊接試樣拉伸斷裂后的照片和斷口形貌如圖5所示。從圖5a可以看出，拉伸試樣的斷裂發(fā)生在強(qiáng)度較低的Ta1母材一側(cè)，且具有明顯的“雙頸縮”特征。從圖5b可以看出，拉伸斷口表現(xiàn)為典型的韌性斷口，韌窩多且深，撕裂面占比小且邊緣較窄，滑移臺階較為明顯。

圖6為焊接試樣彎曲試驗后的照片。從圖6可以看出，面彎和背彎試樣均具有良好的彎曲工藝性能，焊縫及母材均未發(fā)現(xiàn)裂紋，符合NB/T47014—2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5顯微組織

圖7為焊接試樣的低倍照片。由于鉭與鈦的熔點(diǎn)相差較大，在焊接過程中，氬弧焊電弧偏向Ta1鉭板一側(cè)，隨著溫度升高，TA1鈦板首先熔化，Ta1鉭板邊緣有少量鉭材熔化，進(jìn)入熔池中，未熔化的Ta1母材受高溫影響發(fā)生軟化，并在重力作用下邊部出現(xiàn)下墜。第二遍焊接蓋面時，靠近Ta1側(cè)的焊縫覆蓋在Ta1母材表面。

焊接試樣在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)以后，由TA1母材、TA1熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、TA1/Ta1界面反應(yīng)區(qū)、Ta1熱影響區(qū)和Ta1母材組成。圖8為焊接試樣不同區(qū)域的顯微組織。從圖8可知，TA1母材區(qū)域金相組織主要由等軸α晶粒構(gòu)成，晶粒尺寸約為25μm（圖8a）；TA1熱影響區(qū)受焊接熱影響很大，冷卻后生成粗大的等軸α晶粒和板條狀晶粒（圖8b）；焊縫區(qū)分為兩部分，靠近TA1一側(cè)金相組織主要由針狀α′馬氏體構(gòu)成（圖8b），而靠近Ta1一側(cè)的邊緣出現(xiàn)了小部分鑄態(tài)組織（圖8d）；Ta1熱影響區(qū)組織為粗大的等軸α晶粒，晶粒尺寸為300~1000μm，較Ta1母材區(qū)的晶粒尺寸（約100μm）顯著增大（圖8c、8d）。這是由于在焊接過程中，電弧偏向Ta1一側(cè)，電弧能量高，加之焊接高溫停留時間長，導(dǎo)致晶粒粗大。

2.6能譜分析

采用能譜儀對焊接試樣進(jìn)行點(diǎn)掃描成分分析，檢測部位見圖9。其中，區(qū)域1為靠近TA1母材熔合線附近區(qū)域，區(qū)域2為焊縫中心區(qū)域，區(qū)域3為靠近Ta1母材熔合線附近區(qū)域。

表3為焊接試樣的能譜分析結(jié)果。從表3可以看出，焊縫成分以Ti元素為主，其主要來自于TA1母材與填充的ERTA1ELI焊絲。焊縫中心及靠近TA1母材側(cè)Ta元素含量約為20%，靠近Ta1母材側(cè)Ta元素含量約為17%。焊縫中Ta元素含量低于相關(guān)文獻(xiàn)[6]，這是由于氬弧焊相比于電子束焊接，能量密度低，焊接時鉭材的熔化量少。

表 3 焊接試樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w/%）

3、結(jié)論

(1)由于Ta1鉭材和TA1鈦材熔點(diǎn)相差較大，利用氬弧焊焊接時，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入與焊接速度，電弧應(yīng)偏向Ta1母材一側(cè)，用ERTA1ELI焊絲填充焊縫。

(2)焊接接頭中，焊縫中心及靠近TA1母材一側(cè)的Ta元素含量約為20%，靠近Ta1母材一側(cè)的Ta元素含量約為17%。焊接接頭的X射線探傷影像明亮度居于Ta1母材、TA1母材亮度之間，焊縫硬度大于Ta1和TA1母材。

(3)Ta1/TA1焊接試樣的拉伸、彎曲力學(xué)性能均符合NB/T47014—2023《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)要求，說明氬弧焊可用于Ta1鉭材和TA1鈦材異種金屬的焊接，能夠滿足承壓設(shè)備的制造要求。

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（注，原文標(biāo)題：鉭與鈦異種金屬氬弧焊焊接接頭的組織與性能）