面向承压设备制造的Ta1/TA1异种金属手工氩弧焊工艺优化与接头表征研究——系统分析焊接热输入、电弧偏向对焊缝成形的影响，探究接头成分分布、力学性能及无损检测适配性

钛是一种银白色的金属，密度为4.5g/cm³，熔点为1668℃，具有良好的塑性与韧性。常温下，钛能够与空气中的氧反应生成致密的氧化膜，从而保持高的稳定性和耐蚀性。然而，随着温度的升高，钛吸收氧、氮、氢的能力明显增强。钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。目前，钛及钛合金焊接多采用为钨极氩弧焊，而熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等方法也得到了不同程度的应用[1]。

钽是一种钢灰色的金属，密度为16.6g/cm3，熔点为2996℃，具有良好的韧性与延展性。钽从300℃开始吸收氧，从350℃开始吸收氢，从700℃开始吸收氮。钽具有高熔点、高密度、化学性能稳定、抗腐蚀能力极强和加工性能好等特点，广泛应用在航空航天、化工、电子等领域。实验证明，将钽浸泡在200℃硫酸中，腐蚀速率仅为0.006mm/a，其耐腐蚀性能可与玻璃媲美，除了氟气、氢氟酸、含氟离子的碱性溶液、发烟硫酸和强碱以外，几乎能耐一切化学物质的腐蚀[2-4]。但由于钽金属价格昂贵，在化工设备中使用时多采用复合板结构形式。钽复合板一般采用三层结构，钽为覆层，中间设置过渡层，钢为基层[3-4]。国内学者先后开展了钽-过渡层-钢三层复合板结构的钽盖板与钽覆层焊接[3]、钽-钢复合管板与钽管焊接[4]、16mm厚Ta2.5W合金板焊接[5]等研究。

为了降低设备的材料成本，某些钽钢复合板设备的管板或接管采用松衬结构，会涉及钽材与钛材的焊接。目前国内关于钽与钛异种金属焊接的研究报道较少。陈国庆等[6]采用电子束焊接实现了TC4钛合金与Ta-W合金的焊接。但由于电子束焊接对环境和设备的要求比较高，使用条件苛刻，不便于在承压设备制造中的推广应用。为此，本研究采用手工钨极氩弧焊技术焊接Ta1钽板与TA1钛板，并对焊接后的Ta1/TA1焊接接头进行显微组织观察与力学性能分析，以期推动钽钛复合板在工程中的应用。

1、实验

1.1实验材料

实验材料为Ta1钽板与TA1纯钛板，厚度均为1.2mm，力学性能见表1。

表 1 Ta1 钽板与 TA1 钛板的力学性能

1.2试样加工

参照NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》标准，分别制备规格为90mm×200mm×1.2mm的Ta1与TA1焊接试板各2块。试板焊接坡口形式如图1所示，Ta1钽板为I型坡口，TA1钛板为35°坡口。

1.3焊接

（1）焊前准备焊接坡口采用机械加工的方式，坡口表面应呈现金属光泽；用无水乙醇清洁坡口表面及其两侧各50mm范围内的污物。

（2）组对与定位焊将Ta1钽板与TA1钛板在专用组对工装上进行组对，控制对口错边量≤0.2mm，不得强力组对。

采用手工氩弧焊进行定位焊，定位焊间距为50~60mm，每段定位焊长度为3~5mm，定位焊缝不得有裂纹、气孔等缺陷，否则应清除后重新焊接。定位焊缝应为银白色，两端平滑过渡。

点焊时用氩气保护，正面氩气流速为10~15L/min，背面为10L/min。引弧板和息弧板尺寸均为50mm×50mm×1.2mm。

（3）焊料焊丝选用熔点低的TA1钛材对应的ERTA1ELI焊丝，直径1.2mm；焊接过程中用氩气保护，氩气纯度≥99.99%；焊接电极选用铈钨电极，直径2.5mm。

（4）焊接工艺采用手工氩弧焊，直流正接。选用较小的热输入，焊接电流60～80A，电弧电压7~8V。氩气流量：焊枪10~14L/min，正面保护12~16L/min，背面保护10~14L/min。层间温度控制在60℃以下。对接焊缝焊两层，单面焊双面成形。

Ta1钽材比TA1钛材的熔点高1328℃，二者熔点相差特别大。TA1钛材的热导率低，约为Ta1钽材的1/4。焊接时，应严格控制热输入与电弧偏向。焊接速度过快时，热输入较低，易造成熔点低的TA1钛板熔化，而熔点高的Ta1钽板仍为固态，导致二者未熔合。反之，焊接速度过慢时，热输入较高，Ta1钽板发生软化或熔化，而熔点低的TA1钛板发生流失或烧损。因此，在焊接过程中氩弧焊电弧应偏向Ta1钽板一侧，并采用熔点低的TA1钛材对应的ERTA1ELI焊丝进行加丝焊接，避免出现未熔合或焊漏现象。

TA1钛板变形后回弹能力强，焊接后很难通过矫正恢复原状态，所以组对时应预留反变形，焊接时应利用工装约束板材变形，并采用小电流焊接，以减少焊接变形。TA1钛板与Ta1钽板极易氧化，焊枪需要具有良好的保护作用，喷嘴要大，保护气体要有一定的挺度。焊接过程中，焊枪后面要设置焊接保护拖罩，防止焊枪保护气体移走后，焊缝还未冷却下来，因无保护而氧化。板材背面的焊缝也要进行保护，制作专用铜保护罩，背面焊缝50mm宽度范围内，通入均匀的氩气进行保护。在焊接过程中，焊缝的正面与背面均进行持续的氩气保护。焊接完成后，持续用氩气保护一段时间，直至焊缝冷却。

1.4检测

对焊接后的试板进行外观检查。按照NB/T47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分：渗透检测》标准要求，对焊接试板焊缝及热影响区域进行渗透检测。参照NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》标准要求，按图2所示分别切取金相、拉伸、面弯、背弯试样。

依据GB/T228.1—2021标准要求进行室温拉伸性能测试；依据GB/T2653—2008标准要求进行弯曲性能检测，试验过程中，弯心直径为12mm，弯曲角度为180°。依据GB/T4340.1—2024标准要求测量焊缝硬度。采用光学显微镜观察焊接试样不同区域的显微组织。采用JSM-6460扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌，并用其附带的能谱仪（EDS）对焊接试样不同区域进行成分分析。

2、结果与讨论

2.1外观

图3为焊接后的试板照片。从图3可以看出，焊缝表面无裂纹、气孔、弧坑、夹杂等缺陷，呈银白色，无氧化，焊接质量良好。

2.2渗透检测

因Ta1钽材与TA1钛材均不具有磁性，无法实施磁粉检测，故选择渗透检测。通过渗透检测可有效发现焊缝及热影响区的表面裂纹。经渗透检测，焊接试板焊缝及热影响区均未发现有裂纹，符合I级要求。

2.3射线探伤

对焊接试板进行100%射线探伤检测，射线检测技术等级为AB级，未发现有裂纹、未熔合、未焊透、气孔等缺陷，检测结果符合I级要求。

图4为焊接试样射线探伤照片，图中上部明亮区域为Ta1母材，下部黑暗区域为TA1母材，焊缝亮度居于二者之间。由于钽的原子序数为73，钛的原子序数为22，在进行射线检测时，钽与钛对射线的吸收程度差异大，造成探伤影像差别较大。Ta1母材与焊缝之间有一条非常直的亮度分界线，此分界线为Ta1母材机加工形成的坡口轮廓，表明焊接过程中Ta1母材边缘仅发生了少量熔化。而TA1母材与焊缝之间的亮度分界线不规则，是由于焊接过程中TA1母材边缘完全熔化，加之手工氩弧焊焊接速度不均匀，导致TA1母材熔化量不一致，从而呈现出不规则的亮度分界线。

2.4力学性能

焊接试样的室温拉伸性能见表2。从表2可以看出，焊接试样的抗拉强度、屈服强度均与Ta1母材相近，塑性有所下降，但下降幅度不大。拉伸性能检测结果符合NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》中“试样母材为两种材料金属代号时，每个试样的抗拉强度应不低于两种母材抗拉强度最低值中的最小值；试样如果断在熔合线以外的母材上，其抗拉强度值不得低于母材抗拉强度最低值的95%”的要求。

表 2 焊接试样室温拉伸性能

经检测，焊缝区域硬度为183.3HB，高于Ta1母材与TA1母材的硬度。

焊接试样拉伸断裂后的照片和断口形貌如图5所示。从图5a可以看出，拉伸试样的断裂发生在强度较低的Ta1母材一侧，且具有明显的“双颈缩”特征。从图5b可以看出，拉伸断口表现为典型的韧性断口，韧窝多且深，撕裂面占比小且边缘较窄，滑移台阶较为明显。

图6为焊接试样弯曲试验后的照片。从图6可以看出，面弯和背弯试样均具有良好的弯曲工艺性能，焊缝及母材均未发现裂纹，符合NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》标准要求。

2.5显微组织

图7为焊接试样的低倍照片。由于钽与钛的熔点相差较大，在焊接过程中，氩弧焊电弧偏向Ta1钽板一侧，随着温度升高，TA1钛板首先熔化，Ta1钽板边缘有少量钽材熔化，进入熔池中，未熔化的Ta1母材受高温影响发生软化，并在重力作用下边部出现下坠。第二遍焊接盖面时，靠近Ta1侧的焊缝覆盖在Ta1母材表面。

焊接试样在经历焊接热循环以后，由TA1母材、TA1热影响区、焊缝区、TA1/Ta1界面反应区、Ta1热影响区和Ta1母材组成。图8为焊接试样不同区域的显微组织。从图8可知，TA1母材区域金相组织主要由等轴α晶粒构成，晶粒尺寸约为25μm（图8a）；TA1热影响区受焊接热影响很大，冷却后生成粗大的等轴α晶粒和板条状晶粒（图8b）；焊缝区分为两部分，靠近TA1一侧金相组织主要由针状α´马氏体构成（图8b），而靠近Ta1一侧的边缘出现了小部分铸态组织（图8d）；Ta1热影响区组织为粗大的等轴α晶粒，晶粒尺寸为300~1000μm，较Ta1母材区的晶粒尺寸（约100μm）显著增大（图8c、8d）。这是由于在焊接过程中，电弧偏向Ta1一侧，电弧能量高，加之焊接高温停留时间长，导致晶粒粗大。

2.6能谱分析

采用能谱仪对焊接试样进行点扫描成分分析，检测部位见图9。其中，区域1为靠近TA1母材熔合线附近区域，区域2为焊缝中心区域，区域3为靠近Ta1母材熔合线附近区域。

表3为焊接试样的能谱分析结果。从表3可以看出，焊缝成分以Ti元素为主，其主要来自于TA1母材与填充的ERTA1ELI焊丝。焊缝中心及靠近TA1母材侧Ta元素含量约为20%，靠近Ta1母材侧Ta元素含量约为17%。焊缝中Ta元素含量低于相关文献[6]，这是由于氩弧焊相比于电子束焊接，能量密度低，焊接时钽材的熔化量少。

表 3 焊接试样能谱分析结果（质量分数，w/%）

3、结论

(1)由于Ta1钽材和TA1钛材熔点相差较大，利用氩弧焊焊接时，应严格控制焊接热输入与焊接速度，电弧应偏向Ta1母材一侧，用ERTA1ELI焊丝填充焊缝。

(2)焊接接头中，焊缝中心及靠近TA1母材一侧的Ta元素含量约为20%，靠近Ta1母材一侧的Ta元素含量约为17%。焊接接头的X射线探伤影像明亮度居于Ta1母材、TA1母材亮度之间，焊缝硬度大于Ta1和TA1母材。

(3)Ta1/TA1焊接试样的拉伸、弯曲力学性能均符合NB/T47014—2023《承压设备焊接工艺评定》标准要求，说明氩弧焊可用于Ta1钽材和TA1钛材异种金属的焊接，能够满足承压设备的制造要求。

参考文献References

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[5]刘玉銮.一种钽钨合金厚板焊接工艺分析[J].中国机械,2023(35):18-21.

[6]陈国庆,张秉刚,吴双辉,等.TC4/Ta-W合金异种金属电子束焊接[J].焊接学报,2011,32(8):1-24.

（注，原文标题：钽与钛异种金属氩弧焊焊接接头的组织与性能）