曹彬彬，李杜伟

（泰安市特种设备检验研究院，山东泰安 271000）

0 引言

压力容器使用过程中，介质作用复杂，要求材料具有较好的耐腐蚀性、较高的强度及较低的重量。钛、铝制压力容器可以在使用过程中满足上述要求。压力容器制造中，焊接是最重要的工艺过程，焊接质量的好坏取决于焊接方法的选择、焊接参数的确定及焊接过程中的控制。其中，焊接方法的选择在此过程控制中起决定性作用。

钛、铝制压力容器适用的焊接方法主要包括焊条电弧焊、非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊，目前常采用非熔化极气体保护焊进行铝、钛制压力容器的焊接[1]。

1 传统焊接方法

1.1 焊条电弧焊

焊条电弧焊焊接钛、铝合金成本相对较低，焊接速度快。但焊接过程中，钛、铝合金易氧化、导热快、熔点低，高温下表面易产生氧化膜，需要及时清理。在高温状态下，钛、铝以液体形式存在，在焊接过程中容易引起焊接金属下塌，需要配备背部成型的垫板，焊接准备工作较为复杂[2]。

图1 焊接裂纹射线底片图

焊条电弧焊焊接过程中，钛、铝合金表面的氧化膜易进入熔池，在焊缝金属中形成夹渣；焊接速度控制不当会产生气孔；焊接过程中热影响区较大，杂质较多易产生热裂纹，如图1所示[3]。

1.2 非熔化极气体保护焊

非熔化极气体保护焊(TIG)焊接钛、铝合金为现阶段最常见的焊接方法。在焊接钛、铝合金时，非熔化极气体保护焊一般采用交流电源，利用电流在负半波时的阴极雾化效应可以有效清理钛、铝合金表面的氧化膜，提高熔合性[4]。非熔化极气体保护焊焊接过程中线能量集中，在焊接过程中能量损失少，热影响区较小，焊后试件的力学性能优良。其缺点是非熔化极的电流承载能力较低、熔深较小，只适用于薄板、厚板打底焊，且保护气体较贵，劳动效率低，生产成本高。

非熔化极气体保护焊焊接钛、铝合金时，非熔化极受热熔化，易在焊缝中形成夹渣，影响焊缝承载动载荷的能力；保护气体流量不足，焊接过程中空气混入，焊接时生成气孔；焊接残余应力较大，降低接头的力学性能。

1.3 熔化极气体保护焊

相比非熔化极气体保护焊，熔化极气体保护焊(MIG)采用自动化操作，焊接效率高，解决了非熔化极气体保护焊生产成本高的缺点；焊接过程中不产生熔渣，焊接飞溅少，焊缝成形美观；由于其焊缝内在质量和外观质量都很高，该方法已成为焊接一些重要结构优先选用的焊接方法之一。

熔化极气体保护焊焊接钛、铝合金首选氩气，氩气售价高，成本相对较高，且该焊接方法对工件、焊丝的焊前清理要求较高，焊接过程对油、锈等污染比较敏感。熔化极气体保护焊焊接速度快，焊接中需要专用设备，设备投入高，且焊接速度快易产生气孔。通过采用氦氩混合气可以弥补此类焊接缺陷，同时增加焊缝的熔深[5]。

1.4 CMT冷金属熔滴过渡焊

CMT与其他的焊接方法相比，其热输入较低，实现了良好的冶金连接及无飞溅熔滴过渡。CMT焊接的特点为“冷”，即“热-冷-热”的冷、热交替循环。CMT焊接温度场较低，焊接接头软化减少，冲击韧性大幅度提高，晶粒细化，适合钛、铝合金的薄板和厚板的多层多道焊接[6]。CMT焊接是对MIG焊接方法的改良，相比传统的MIG焊，CMT焊后角变形小、气孔形成的倾向低、力学性能较高[7]，但该焊接方法对设备的要求较高、焊接成型工艺复杂、装配要求较高，特别适宜薄板焊接，现广泛应用于汽车与轨道交通行业，压力容器目前焊接工艺环境较为简陋，还未采用此焊接方法。

1.5 激光焊

激光焊是一种先进的材料连接技术，是利用高能的激光束通过热辐射加工材料表面；通过材料的传热达到熔化母材的作用；通过控制激光脉冲的宽度、能量、频率等参数，达到控制热输入、熔宽及熔深的目的。激光焊接属于无接触焊接，不受电磁干扰，可在大气中进行焊接[8]。激光焊焊接钛、铝合金时，由于其对激光较高的反射率、钛铝合金本身较高的导热性等因素的作用，因此要求钛、铝合金焊接用的激光器功率大、成本高，且由于气体的作用，激光焊易产生气孔及热裂纹[9]。

1.6 等离子弧焊

等离子弧焊是使用受外界约束的电弧进行焊接的熔焊方法，主要通过机械压缩效应、热压缩效应及电磁收缩效应形成能量高度集中、高温的电弧。对比熔化极气体保护焊（MIG）与非熔化极气体保护焊(TIG)，其热影响区窄、焊接速度快、焊接应力应变小、生产速率较高、成本降低。

钛、铝合金等离子弧焊目前常采用变极性电源进行焊接，变极性等离子弧焊（VPPAW）具有穿透力强、热输入低、焊接效率高、焊接应力和应变小等特点，特有的阴极清理作用可除去熔池内的氧化物和杂质，可获得焊接质量良好的单面焊双面成型的焊缝[10]。目前等离子弧焊在压力容器制造时主要应用在钢制压力容器焊接中，多应用于中厚板的焊接，已有较多成功应用的案例。鉴于等离子弧焊焊接钛、铝合金过程中的优越性，其在钛、铝压力容器制造中有较广阔的应用前景。

2 固态焊接-搅拌摩擦焊

2.1 搅拌摩擦焊（FSW）

搅拌摩擦焊是利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的摩擦热与塑性变形热熔化焊接材料，随着搅拌头的移动，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，焊缝两侧的母材分子间相互结合形成致密的焊缝。在整个焊接过程中，未形成熔化的熔池，焊接为固态焊接。

2.2 搅拌摩擦焊与熔化焊对比

搅拌摩擦焊相比熔化焊的优点在于，固态焊接未经过一次结晶过程，焊接过程中不会产生夹渣、气孔及裂纹等缺陷。其具有较高的机械化、自动化，功效高，无需添加焊丝，且焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。目前在钛、铝合金应用广泛的航空航天行业，搅拌摩擦焊已进行了广泛应用。

搅拌摩擦焊焊缝组织由晶粒更加细小的等轴晶组成，且Mg、Mn等合金元素的烧损明显减少，力学性能得到有效改良，而MIG焊缝晶粒粗大，组织不均匀[11]。相比MIG等熔焊方法，搅拌摩擦焊焊接过程中热输入量较少，受到热源的不均匀加热与冷却较少，工件的不均匀膨胀与收缩也较少，加工成型的设备的残余应变、应力较小，避免了工件的二次整形，提高了焊接效率，降低了生产费用。

目前，搅拌摩擦焊焊接钛、铝制压力容器的应用较少，限制其应用的因素主要为设备成本较高，焊接装配比较复杂，焊接成型所使用的搅拌针加工复杂，需要根据板厚、焊缝宽度配备不同的搅拌针。鉴于搅拌摩擦焊为固态焊接，可避免容器生产中绝大多数的焊接缺陷，该焊接方法仍在压力容器制造中有广阔的应用前景。未来可先将此焊接方法用于可成批次生产的压力容器，可大幅度提高生产效率、降低成本，提高焊接接头的力学性能。

3 结束语

本文针对钛、铝压力容器焊接方法进行研究。熔焊方法焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊、冷金属熔滴过渡焊、激光焊、等离子弧焊焊接过程中易产生气孔、夹渣及热裂纹等缺陷；固态焊接方法搅拌摩擦焊在焊接时不经过一次结晶过程，有效避免了焊接过程中各种缺陷的产生，且焊接效率较高，未来在钛、铝制压力容器生产中有广阔的应用前景。