鈦、鋁制壓力容器制造中焊接方法的應用分析

曹彬彬，李杜偉

（泰安市特種設備檢驗研究院，山東泰安 271000）

0 引言

壓力容器使用過程中，介質作用復雜，要求材料具有較好的耐腐蝕性、較高的強度及較低的重量。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，焊接質量的好壞取決于焊接方法的選擇、焊接參數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、非熔化極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、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焊進行鋁、鈦制壓力容器的焊接[1]。

1 傳統焊接方法

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、導熱快、熔點低，高溫下表面易產生氧化膜，需要及時清理。在高溫狀態下，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，焊接準備工作較為復雜[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入熔池，在焊縫金屬中形成夾渣；焊接速度控制不當會產生氣孔；焊接過程中熱影響區較大，雜質較多易產生熱裂紋，如圖1所示[3]。

1.2 非熔化極氣體保護焊

非熔化極氣體保護焊(TIG)焊接鈦、鋁合金為現階段最常見的焊接方法。在焊接鈦、鋁合金時，非熔化極氣體保護焊一般采用交流電源，利用電流在負半波時的陰極霧化效應可以有效清理鈦、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，熱影響區較小，焊后試件的力學性能優良。其缺點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，且保護氣體較貴，勞動效率低，生產成本高。

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

1.3 熔化極氣體保護焊

相比非熔化極氣體保護焊，熔化極氣體保護焊(MIG)采用自動化操作，焊接效率高，解決了非熔化極氣體保護焊生產成本高的缺點；焊接過程中不產生熔渣，焊接飛濺少，焊縫成形美觀；由于其焊縫內在質量和外觀質量都很高，該方法已成為焊接一些重要結構優先選用的焊接方法之一。

熔化極氣體保護焊焊接鈦、鋁合金首選氬氣，氬氣售價高，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。熔化極氣體保護焊焊接速度快，焊接中需要專用設備，設備投入高，且焊接速度快易產生氣孔。通過采用氦氬混合氣可以彌補此類焊接缺陷，同時增加焊縫的熔深[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，實現了良好的冶金連接及無飛濺熔滴過渡。CMT焊接的特點為“冷”，即“熱-冷-熱”的冷、熱交替循環。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，相比傳統的MIG焊，CMT焊后角變形小、氣孔形成的傾向低、力學性能較高[7]，但該焊接方法對設備的要求較高、焊接成型工藝復雜、裝配要求較高，特別適宜薄板焊接，現廣泛應用于汽車與軌道交通行業，壓力容器目前焊接工藝環境較為簡陋，還未采用此焊接方法。

1.5 激光焊

激光焊是一種先進的材料連接技術，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，達到控制熱輸入、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，可在大氣中進行焊接[8]。激光焊焊接鈦、鋁合金時，由于其對激光較高的反射率、鈦鋁合金本身較高的導熱性等因素的作用，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行焊接的熔焊方法，主要通過機械壓縮效應、熱壓縮效應及電磁收縮效應形成能量高度集中、高溫的電弧。對比熔化極氣體保護焊（MIG）與非熔化極氣體保護焊(TIG)，其熱影響區窄、焊接速度快、焊接應力應變小、生產速率較高、成本降低。

鈦、鋁合金等離子弧焊目前常采用變極性電源進行焊接，變極性等離子弧焊（VPPAW）具有穿透力強、熱輸入低、焊接效率高、焊接應力和應變小等特點，特有的陰極清理作用可除去熔池內的氧化物和雜質，可獲得焊接質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主要應用在鋼制壓力容器焊接中，多應用于中厚板的焊接，已有較多成功應用的案例。鑒于等離子弧焊焊接鈦、鋁合金過程中的優越性，其在鈦、鋁壓力容器制造中有較廣闊的應用前景。

2 固態焊接-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的攪拌頭與工件摩擦產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，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，焊縫兩側的母材分子間相互結合形成致密的焊縫。在整個焊接過程中，未形成熔化的熔池，焊接為固態焊接。

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點在于，固態焊接未經過一次結晶過程，焊接過程中不會產生夾渣、氣孔及裂紋等缺陷。其具有較高的機械化、自動化，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、鋁合金應用廣泛的航空航天行業，攪拌摩擦焊已進行了廣泛應用。

攪拌摩擦焊焊縫組織由晶粒更加細小的等軸晶組成，且Mg、Mn等合金元素的燒損明顯減少，力學性能得到有效改良，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，加工成型的設備的殘余應變、應力較小，避免了工件的二次整形，提高了焊接效率，降低了生產費用。

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

3 結束語

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