面向承壓設備制造的Ta1/TA1異種金屬手工氬弧焊工藝優化與接頭表征研究——系統分析焊接熱輸入、電弧偏向對焊縫成形的影響，探究接頭成分分布、力學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生成致密的氧化膜，從而保持高的穩定性和耐蝕性。然而，隨著溫度的升高，鈦吸收氧、氮、氫的能力明顯增強。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用[1]。

鉭是一種鋼灰色的金屬，密度為16.6g/cm3，熔點為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、高密度、化學性能穩定、抗腐蝕能力極強和加工性能好等特點，廣泛應用在航空航天、化工、電子等領域。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、發煙硫酸和強堿以外，幾乎能耐一切化學物質的腐蝕[2-4]。但由于鉭金屬價格昂貴，在化工設備中使用時多采用復合板結構形式。鉭復合板一般采用三層結構，鉭為覆層，中間設置過渡層，鋼為基層[3-4]。國內學者先后開展了鉭-過渡層-鋼三層復合板結構的鉭蓋板與鉭覆層焊接[3]、鉭-鋼復合管板與鉭管焊接[4]、16mm厚Ta2.5W合金板焊接[5]等研究。

為了降低設備的材料成本，某些鉭鋼復合板設備的管板或接管采用松襯結構，會涉及鉭材與鈦材的焊接。目前國內關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了TC4鈦合金與Ta-W合金的焊接。但由于電子束焊接對環境和設備的要求比較高，使用條件苛刻，不便于在承壓設備制造中的推廣應用。為此，本研究采用手工鎢極氬弧焊技術焊接Ta1鉭板與TA1鈦板，并對焊接后的Ta1/TA1焊接接頭進行顯微組織觀察與力學性能分析，以期推動鉭鈦復合板在工程中的應用。

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，力學性能見表1。

表 1 Ta1 鉭板與 TA1 鈦板的力學性能

1.2試樣加工

參照NB/T47014—2023《承壓設備焊接工藝評定》標準，分別制備規格為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）焊前準備焊接坡口采用機械加工的方式，坡口表面應呈現金屬光澤；用無水乙醇清潔坡口表面及其兩側各50mm范圍內的污物。

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

采用手工氬弧焊進行定位焊，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，否則應清除后重新焊接。定位焊縫應為銀白色，兩端平滑過渡。

點焊時用氬氣保護，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）焊料焊絲選用熔點低的TA1鈦材對應的ERTA1ELI焊絲，直徑1.2mm；焊接過程中用氬氣保護，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12~16L/min，背面保護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鈦材的熔點高1328℃，二者熔點相差特別大。TA1鈦材的熱導率低，約為Ta1鉭材的1/4。焊接時，應嚴格控制熱輸入與電弧偏向。焊接速度過快時，熱輸入較低，易造成熔點低的TA1鈦板熔化，而熔點高的Ta1鉭板仍為固態，導致二者未熔合。反之，焊接速度過慢時，熱輸入較高，Ta1鉭板發生軟化或熔化，而熔點低的TA1鈦板發生流失或燒損。因此，在焊接過程中氬弧焊電弧應偏向Ta1鉭板一側，并采用熔點低的TA1鈦材對應的ERTA1ELI焊絲進行加絲焊接，避免出現未熔合或焊漏現象。

TA1鈦板變形后回彈能力強，焊接后很難通過矯正恢復原狀態，所以組對時應預留反變形，焊接時應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作用，噴嘴要大，保護氣體要有一定的挺度。焊接過程中，焊槍后面要設置焊接保護拖罩，防止焊槍保護氣體移走后，焊縫還未冷卻下來，因無保護而氧化。板材背面的焊縫也要進行保護，制作專用銅保護罩，背面焊縫50mm寬度范圍內，通入均勻的氬氣進行保護。在焊接過程中，焊縫的正面與背面均進行持續的氬氣保護。焊接完成后，持續用氬氣保護一段時間，直至焊縫冷卻。

1.4檢測

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

依據GB/T228.1—2021標準要求進行室溫拉伸性能測試；依據GB/T2653—2008標準要求進行彎曲性能檢測，試驗過程中，彎心直徑為12mm，彎曲角度為180°。依據GB/T4340.1—2024標準要求測量焊縫硬度。采用光學顯微鏡觀察焊接試樣不同區域的顯微組織。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）對焊接試樣不同區域進行成分分析。

2、結果與討論

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現焊縫及熱影響區的表面裂紋。經滲透檢測，焊接試板焊縫及熱影響區均未發現有裂紋，符合I級要求。

2.3射線探傷

對焊接試板進行100%射線探傷檢測，射線檢測技術等級為AB級，未發現有裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等缺陷，檢測結果符合I級要求。

圖4為焊接試樣射線探傷照片，圖中上部明亮區域為Ta1母材，下部黑暗區域為TA1母材，焊縫亮度居于二者之間。由于鉭的原子序數為73，鈦的原子序數為22，在進行射線檢測時，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母材機加工形成的坡口輪廓，表明焊接過程中Ta1母材邊緣僅發生了少量熔化。而TA1母材與焊縫之間的亮度分界線不規則，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，導致TA1母材熔化量不一致，從而呈現出不規則的亮度分界線。

2.4力學性能

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

表 2 焊接試樣室溫拉伸性能

經檢測，焊縫區域硬度為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，拉伸試樣的斷裂發生在強度較低的Ta1母材一側，且具有明顯的“雙頸縮”特征。從圖5b可以看出，拉伸斷口表現為典型的韌性斷口，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，焊縫及母材均未發現裂紋，符合NB/T47014—2023《承壓設備焊接工藝評定》標準要求。

2.5顯微組織

圖7為焊接試樣的低倍照片。由于鉭與鈦的熔點相差較大，在焊接過程中，氬弧焊電弧偏向Ta1鉭板一側，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，進入熔池中，未熔化的Ta1母材受高溫影響發生軟化，并在重力作用下邊部出現下墜。第二遍焊接蓋面時，靠近Ta1側的焊縫覆蓋在Ta1母材表面。

焊接試樣在經歷焊接熱循環以后，由TA1母材、TA1熱影響區、焊縫區、TA1/Ta1界面反應區、Ta1熱影響區和Ta1母材組成。圖8為焊接試樣不同區域的顯微組織。從圖8可知，TA1母材區域金相組織主要由等軸α晶粒構成，晶粒尺寸約為25μm（圖8a）；TA1熱影響區受焊接熱影響很大，冷卻后生成粗大的等軸α晶粒和板條狀晶粒（圖8b）；焊縫區分為兩部分，靠近TA1一側金相組織主要由針狀α′馬氏體構成（圖8b），而靠近Ta1一側的邊緣出現了小部分鑄態組織（圖8d）；Ta1熱影響區組織為粗大的等軸α晶粒，晶粒尺寸為300~1000μm，較Ta1母材區的晶粒尺寸（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，電弧能量高，加之焊接高溫停留時間長，導致晶粒粗大。

2.6能譜分析

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

表3為焊接試樣的能譜分析結果。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Ta元素含量約為20%，靠近Ta1母材側Ta元素含量約為17%。焊縫中Ta元素含量低于相關文獻[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果（質量分數，w/%）

3、結論

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

(2)焊接接頭中，焊縫中心及靠近TA1母材一側的Ta元素含量約為20%，靠近Ta1母材一側的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、彎曲力學性能均符合NB/T47014—2023《承壓設備焊接工藝評定》標準要求，說明氬弧焊可用于Ta1鉭材和TA1鈦材異種金屬的焊接，能夠滿足承壓設備的制造要求。

參考文獻References

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[6]陳國慶,張秉剛,吳雙輝,等.TC4/Ta-W合金異種金屬電子束焊接[J].焊接學報,2011,32(8):1-24.

（注，原文標題：鉭與鈦異種金屬氬弧焊焊接接頭的組織與性能）