深远海战略背景下深海装备制造关键焊接技术发展与展望——立足海洋强国战略需求，阐述载人耐压舱体、仪器耐压壳体等核心结构材料演进路线，聚焦钛合金先进连接工艺缺陷控制环境适配性及工程应用，为深海装备长寿命高安全制造提供系统性综述支撑

1、引言

海洋覆盖地球表面积的 71%，是人类社会可持续发展的战略新疆域。其中，深远海（通常指水深超过 1000 米的海域）环境极端恶劣、资源储量丰富，已成为各国科技与经济发展的竞争焦点。我国 “十五五” 规划及 “海洋强国” 战略明确提出，需强化深海科技引领，突破深海探测与开发关键技术。在此背景下，研发先进、可靠的深海装备体系成为支撑国家经略深海能力的核心举措。

深海装备主要分为深海防护装备（如深海空间站耐压舱体、海底观测网防护壳体）与深海探索装备（如载人 / 无人潜水器、ROV/AUV 等）两大类。这些装备在深海环境中面临由极高的静水压力、接近 0℃的低温、高盐度腐蚀介质以及复杂流体载荷共同构成的极端服役条件，对结构完整性提出了严峻挑战。

焊接作为实现大型复杂金属结构成型的关键制造工艺，其质量直接决定了深海装备的耐压性能、结构安全性与服役可靠性。焊接过程是局部快速熔化与凝固的冶金过程，导致接头区域在化学成分、微观组织与力学性能上存在不均匀性，常成为装备结构的 “薄弱环节”。在深海长期高压、低温及腐蚀介质协同作用下，常规环境下合格的焊接接头可能出现氢致开裂、应力腐蚀开裂及疲劳性能衰减等早期失效现象，严重威胁装备与人员安全。

因此，深海装备焊接已超越传统制造范畴，发展成为一门涉及材料科学、固体力学、腐蚀科学与先进制造工艺的交叉学科前沿。本文从材料体系、焊接方法、环境适应性及智能化发展等多个维度，对深海装备焊接技术进行系统综述，旨在揭示其科学本质与技术特征，为相关技术攻关与未来发展提供清晰的学术参考与技术路径。

2、深海装备体系与关键材料

2.1 深潜器载人耐压壳体材料

全球深潜器载人耐压壳体的材料技术演进总体遵循 “钢材￫中强钛合金￫高强钛合金 / 透明材料” 的发展路径。国外技术起步于 20 世纪 60 年代，而国内在 “十一五” 期间依托 “蛟龙号” 载人潜水器实现了技术跨越，显著缩小了与国际先进水平的差距。

国际大深度潜水器材料应用中，钛合金已成为主流选择。美国早期 “Alvin 号” 曾采用 HY100 钢（作业深度 2200 米），1974 年升级为 Ti6211 钛合金（强度等级 780MPa，作业深度拓展至 4500 米）。20 世纪 80 年代后，强度等级 800MPa 的 Ti64 钛合金（Ti-6Al-4V）因成本优势得到广泛应用，法国 “Nautile 号”、日本 “深海 6500 号” 及升级后的新 “Alvin 号” 均采用该材料。全海深（11000 米级）装备中，美国 “Limiting Factor 号” 沿用 Ti64 钛合金制造双人载人舱（内径 1.5m，壁厚 90mm），并以螺栓连接替代焊接降低制造难度。

国内 7000 米级 “蛟龙号” 与 4500 米级 “深海勇士号” 两款载人潜水器，均选用 800MPa 级 Ti64 钛合金作为载人舱体的核心结构材料，为我国深潜领域材料的应用与发展筑牢了技术根基。在全海深探测技术的攻坚过程中，中国科学院金属研究所通过自主攻关取得重大突破，成功研发出 950MPa 级高强韧钛合金，并基于该材料研制出全球首个可搭载 3 人的全海深钛合金球舱。这一关键技术成果，为 “奋斗者号” 于 2020 年创下 10909 米载人深潜世界纪录提供了核心材料与结构保障。该潜水器自 2021 年起开展常态化科考作业。在透明材料领域，我国于 2012 年启动首型全通透载客潜水器的研制工作，2015-2016 年完成 “寰岛蛟龙” 型潜水器的海上试验与交付，推动了有机玻璃在浅海观测场景的工程化应用。

2.2 深潜器设备仪器耐压壳体材料

深潜器配套的各类观测与探测装备，其外壳需依靠耐压结构抵御深海环境下的极端静水压力。和载人耐压舱体不同，这类设备的壳体更强调成本可控性与结构轻量化特性，为此钛合金、铝合金以及高抗压强度陶瓷等多种材料均已投入实际工程应用。美国在 2007 年成功研制的 “Nereus 号” 全海深无人混合潜水器，便大量采用了陶瓷材质的耐压舱体结构。该潜水器的陶瓷耐压舱为圆柱构型，外径尺寸分别为 355mm 与 191mm，舱体端部选用钛合金进行密封处理，同时借助高强度环氧树脂实现了陶瓷与金属构件的稳固连接。除此之外，陶瓷舱段的长度一般会限制在 500mm 以内，以保障其耐压性能与结构稳定性。

鉴于钛合金在深海潜水器中的主导地位及其焊接质量对整体结构完整性的关键影响，下文将重点探讨其焊接技术，深入分析工艺难点与最新进展，以评估并保障其在水下极端环境中的服役可靠性。

3、钛合金先进连接技术及成型方案

3.1 钛合金焊接的重要性与挑战

钛合金因具有高强度、低密度和卓越的耐腐蚀性能，已成为深海装备关键结构的首选材料。在我国自主研发的全海深载人潜水器 “奋斗者号” 中，950MPa 级高强韧钛合金成功应用于载人舱球壳制造，为下潜至 10909 米提供了材料基础。随着深海装备向更大深度、更长寿命与更高可靠性方向发展，钛合金焊接技术已成为制约装备性能与寿命的关键技术瓶颈。

钛合金焊接面临的主要挑战源于其特殊的物理化学特性：高温下化学活性高，易与氧、氮等气体反应导致接头脆化；高热导率与低比热容导致焊接过程温度梯度大，残余应力显著；固态相变行为使焊接接头组织性能控制复杂化。上述因素共同导致钛合金焊接接头易出现气孔、裂纹、未熔合等缺陷，严重制约焊接质量的提升。

为应对上述挑战，国内外研究机构开展了大量钛合金焊接技术研究，主要聚焦于激光焊、电子束焊、增材制造等先进焊接方法，并在异种材料连接与大厚度结构焊接等领域进行了创新探索。近年来，随着数字化与智能化技术的不断发展，焊接过程精确控制与质量在线监测也取得了显著进展，为实现深海装备高性能、长寿命焊接接头的制备提供了新的技术路径。

3.2 激光焊接技术研究进展

激光焊接技术凭借高能量密度、低热输入和小变形等优势，已成为钛合金连接的重要工艺手段。根据焊接原理与工艺特点，钛合金激光焊接主要包括常规激光焊、窄间隙激光焊和双光束激光焊等类型。

在石油化工与船舶制造领域，中厚板钛合金应用广泛。全球范围内对中厚板钛合金激光焊接技术的研究仍处于探索发展阶段，当前研究焦点多集中于 TC4 钛合金，且涉及的板厚大多不超过 10mm。相关研究表明，中厚板钛合金激光焊接过程中易出现羽辉现象、表面氧化、气孔缺陷及裂纹等问题，这些技术难题亟待通过针对性研究加以解决。此外，钛合金激光焊接接头的力学性能与焊接过程中的热输入参数调控存在显著相关性，这一关联特性也是该领域的核心研究方向之一。经焊接工艺优化后，可获得几乎无缺陷的焊接接头，其强度系数可达母材的 90% 以上。

有学者采用激光焊技术实现了高强钛合金的可靠焊接，分析表明：激光焊接头中无气孔、裂纹等缺陷；焊缝区域由粗大针状 α 马氏体和少量 β 相组成，激光焊缝区域显微硬度高于母材，接头抗拉强度均在 910MPa 以上，激光焊技术适合于高强钛合金焊接。

3.3 钛合金真空电子束焊接

电子束焊接技术的核心原理为：高能电子流轰击工件表面时，将自身动能转化为热能，使待焊材料快速熔化并实现冶金连接。该技术具备功率密度高、加工精度优异及焊缝深宽比大等显著优势。然而 α 型钛合金的电子束焊接过程中，易生成硬脆且不稳定的相组织，进而导致焊接接头塑韧性劣化，这一问题已成为制约其应用的关键瓶颈。针对此缺陷，当前研究多聚焦于两类技术路径：一是通过焊后热处理工艺调控组织，促使不稳定的 α 相转变为稳定的 α 相和 β 相，同时释放焊接残余应力；二是在电子束焊接前对钛合金母材实施预热处理，并配合焊后热处理工艺，从源头抑制 α 相的生成。

苗金芳等学者以 7mm 厚 TC4 钛合金为研究对象，开展电子束焊接工艺试验，并系统探究了焊接接头的微观组织与力学性能。研究结果表明：在优化的焊接工艺参数下，可获得成型稳定的焊接接头；焊缝区域组织发生显著转变，由母材的 β 相转变为 α' 相，且呈现粗大柱状晶形貌；硬度测试显示，焊缝区域硬度高于母材，且沿焊缝厚度方向呈现从顶部到底部逐渐降低的分布特征；力学性能测试数据显示，焊缝抗拉强度可达 948MPa，与母材相当；断口形貌分析表明，断口存在均匀分布的韧窝，属于典型的塑性断裂；此外，接头弯曲角度可达 150°，冲击功为 28J/cm²，综合表明所获得的焊缝成型质量良好且性能可靠。

王维贤等研究者采用真空电子束焊接工艺，对 30mm 厚 TC4 钛合金板材进行对接焊试验。为探究热处理工艺对焊接接头性能的调控作用，研究团队分别对焊接接头实施去应力退火与完全退火处理，系统分析了两种热处理工艺对接头微观组织及力学性能的影响规律，相关研究结论为实际工程构件的生产制造提供了理论支撑与技术参考。微观组织分析表明，焊接接头不同区域组织存在显著差异：母材区主要为双相组织，由等轴 α 相、板条状 α 相及晶间 β 相共同构成；热影响区组织组成较为复杂，包含初生 α 相、针状马氏体 α 相以及板条 α+β 双相组织；焊缝区则以大量针状马氏体 α' 相为主要组织特征，仅在原始 β 晶界处分布少量 α 相。

3.4 钛合金增材制造技术

在航空航天领域，增材制造技术主要用于制造在极端环境下运行的高性能关键零部件，如航空发动机部件及航天器结构组件。这一技术不仅能大幅减少材料消耗，还能实现复杂结构的一体化成形。

然而，针对水下极端环境的钛合金增材制造研究相对较少，该领域的探索尚待深化。钛合金增材制造过程中将不可避免地产生各类冶金缺陷，其中气孔缺陷最为典型且危害突出。对于长期处于高压、腐蚀水环境中的水下装备而言，这类带气孔缺陷的部件存在极大安全隐患，可能导致密封失效、结构断裂等严重事故，因此气孔缺陷在水下装备用钛合金制件中属于绝对无法接受的质量问题，必须进行严格把控。

当前，控制钛合金增材制造气孔缺陷的核心思路集中在工艺调控与后处理优化两大维度。在工艺调控层面，气孔的形成与增材制造过程中的层厚、能量输入、扫描策略、扫描速率等参数密切相关，例如冷却速率过快导致熔融金属中的气体无法及时溢出，便会在制件内部形成滞留气孔。

与此同时，针对性的后处理技术也是弥补前期工艺不足、进一步消除气孔的关键手段。诸如热等静压、超声波处理等技术，能够有效压实制件内部微小气孔，或通过能量作用促进气孔融合逸出，显著提升钛合金制件的致密度。这类后处理技术不仅是解决当前钛合金增材制造气孔问题的有效路径，更为水下装备用钛合金制件的质量保障提供了核心支撑，推动钛合金增材制造技术在水下装备领域的安全应用与深度发展。

4、总结与展望

钛合金先进连接与增材制造技术作为深海装备制造领域的核心支撑技术，凭借激光焊接、电子束焊接及增材制造等工艺的高效性与精准性，不仅为深海装备大型复杂结构的一体化制造提供了突破性解决方案，更以其广阔的应用前景，成为提升深海装备制造水平的关键抓手。

然而，面向深海极端服役环境，当前技术仍面临多重核心挑战：气孔抑制的稳定性不足、焊接及增材组织均匀性难以精准控制、残余应力调控效果有限，以及腐蚀可靠性与深海环境的适配性有待提升，这些问题共同制约着深海装备的服役安全性与寿命。

未来，深海装备用材料焊接技术的发展需以 “工艺 - 组织 - 性能” 的内在关联机制为核心研究方向，聚焦深海极端环境需求，研发兼具高强度、高耐蚀性的新型焊接与增材制造技术。

通过上述技术路径的突破，可全面破解深海装备制造中的技术瓶颈，显著提升我国深海装备的自主制造能力与核心部件服役可靠性，为我国在深海资源开发、海洋权益维护等领域的战略发展提供坚实的技术保障。

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（注，原文标题：深海装备用材料焊接技术研究现状及发展前景展望）