大熔深焊接技術研究及其應用進展*

李代龍，趙 干，張建勛

（1.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安710049；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 新鄉453000）

0 前 言

焊接技術作為制造業生產中的一個環節，在支撐國民經濟中扮演著重要的角色[1]，隨著時代的不斷進步，出現了各種不同的焊接技術。大熔深焊接技術因其熔深大而得名，作為一種新型的焊接技術，其對于厚板或者中厚板焊接質量的保證和生產效率的提高有著極其重要的意義。目前對于板材厚度大、坡口尺寸大、焊縫質量要求高的產品，國內外依然主要采用普通的熔化極氣體保護焊進行焊接，這在一定程度上限制了產品的生產效率，特別是對于鈍邊尺寸較長的厚板，普通的熔化極氣體保護焊很難一次性穿透，而大熔深焊接電流變化范圍較大，可以實現普通焊機無法達到的深度（一次性穿透3 mm以上），大大提高了生產效率。

國內外對于大熔深焊接技術的研究，主要從大熔深工藝探索及相關設備開發等方面進行。但很多情況下，設備進步伴隨著新工藝開發，而探索先進工藝也需成熟的設備，因此，二者相輔相成，不可分割。大熔深焊接技術主要分為兩大類：一種是以激光、電子束為主的高能束深熔焊；另一種是在傳統氣體保護焊接基礎上升級而來的高效大熔深焊接技術。無論是高效的打底穿透技術還是填充、蓋面技術，除施加外部輔助措施外，其熔深增加的主要機理都是電流密度的提高[2]。本研究從以上兩個方面綜述了國內外大熔深焊接技術的研究現狀，為相關科研人員提供一定的參考。

1 高能束深熔焊技術

高能束按照形成原理主要分為激光束、電子束、離子束三類，由此也產生了常用的三種焊接技術，即激光焊接、電子束焊接、等離子弧焊接。高能束焊接熱輸入大，能量密度集中，焊縫熔深大，焊接效率較高。

1.1 激光深熔焊

激光焊接是近年發展起來的新型焊接技術，圖1（a）為激光深熔焊示意圖。自1916年愛因斯坦提出受激發射和輻射吸收（激光）的概念后[3]，隨著科技的進步，各種激光器層出不窮，從功率只有幾毫瓦的微型激光器到幾萬瓦、幾十萬瓦的超高功率激光器[4]，其基本原理都是一致的，即當激光能量作用在材料上，使其表面發生汽化，從而形成匙孔；孔內金屬蒸汽壓力與四周液體的靜壓力和表面張力達到動態平衡時，激光可通過匙孔照射到孔底；隨著激光束的運動，形成連續的焊縫[5]。

圖1 激光焊接示意圖

由于激光深熔焊的諸多優點，大量研究人員采用激光深熔焊進行了大熔深焊接研究。方榮超等[6]采用圖1（b）所示的超窄間隙擺動填絲焊裝置實現了22 mm 厚Q355B 鋼與35 鋼異種管的環形工件焊縫成形，其自熔焊的最大熔深達到了4.87 mm。滕彬等[7]對比了GH536 合金激光焊與鎢極氬弧焊接頭組織性能，發現采用激光焊接可以實現3 mm 厚GH536 合金的單面焊雙面成形，相比氬弧焊的雙面填絲焊接成形，顯著地提高焊接效率。德國亞琛工業大學焊接研究所采用真空激光進行星齒輪軸架的焊接，在激光功率7.5 kW、焊接速度0.42 m/min、環境壓力2 kPa 條件下獲得了熔深25 mm的高質量焊縫[8]。

1.2 電子束深熔焊

電子束焊接是一種利用電子束作為熱源的深熔焊技術。其基本原理為：處于高真空環境中的電子槍陰極被加熱后，表面發射電子，形成能量密度極高的電子束，電子束高速撞擊待焊工件，其巨大的動能轉化成熱能，使撞擊部位的溫度瞬時升高，迅速熔化金屬，形成熔池[9]，圖2（a）所示為電子束深熔焊示意圖。與激光焊一樣，電子束焊接也存在著高能束焊接都有的小孔效應。高功率的電子束焊接在厚板焊接中占據著極其重要的地位，對于厚度200 mm 的鈦、250 mm 的鋼以及500 mm 的鋁可實現無需開坡口，一次性焊透，焊接效率極高[10]。

圖2 電子束焊接示意圖

電子束在19世紀中后期被發現[11-12]，20世紀三四十年代應用在焊接領域，1956年世界上出現了第一臺電子束焊機，在那之后，電子束焊接技術迅速發展[13]。國內最早對電子束深熔焊的研究可以追溯到20世紀八九十年代，劉方軍等[14]研究了大熔深電子束紫銅焊縫，采用橫槍電子束焊接方法在含氣量較高的試件上獲得了25 mm 熔深的焊縫。Lu 等[15]采用電子束焊接技術對50 mm厚的TC4 試板進行了焊接，與母材相比，TC4焊縫展現出更高的強度和硬度，隨著焊縫深度的增加，強度和硬度增加。滕新顏[16]采用圖2（b）所示的偏束電子束焊接對直徑9.5 mm 的R60702/N6（鋯、鎳）進行了焊接，研究發現采用偏束焊接的接頭強度相比于非偏束的36.4 MPa 提升至180 MPa。

1.3 等離子弧深熔焊

等離子弧焊接是在傳統的鎢極氬弧焊的基礎上，增加了水冷噴嘴，并將鎢極內縮到水冷噴嘴內，通過噴嘴對電極進行三重壓縮，高溫等離子體從噴嘴中以很快的速度噴出，獲得了密度更為集中、電弧挺度更大的等離子弧，其在焊接過程中也存在小孔效應，因此也屬于高能束焊接的一大類。根據焊接電流的大小和對工件形成的焊接狀態不同可分為微束等離子焊接、熔透等離子焊接和穿孔等離子焊接三類，三種焊接方式適用于不同的使用場景，當電流小于30 A 時稱為微束等離子焊接；電流在15～150 A 時稱為熔透等離子焊接；電流大于150 A 時稱為穿孔等離子焊接，此時電弧可直接穿透工件[17-18]，圖3[19]為穿孔等離子弧焊接示意圖。

圖3 穿孔等離子弧焊接示意圖

等離子弧深熔焊相比于激光焊、電子束焊更加普遍，適用性更強，因此國內外研究人員從等離子弧焊接的原理、設備等方面展開研究。NASA工程師[20]開發了三重氣體等離子弧焊槍，其使用了空心鎢極代替傳統的鎢極，使等離子氣體可同時從鎢極中心和旁邊通過，從而提高電弧的穩定性。韓永全等[21]以雙逆變型鋁合金變極性等離子弧穿孔立焊設備實現了15 mm厚LD10鋁合金焊接，其研究結果表明：鋁合金變極性等離子穿孔焊接中正極性電弧對力更具影響，而反極性電弧對熱更具影響。山東大學賈傳寶課題組[19,22]針對大熔深穿孔等離子弧焊接技術展開了系列研究，最終成功獲得了正背面成形良好的14 mm厚不銹鋼焊縫。

1.4 高能束-電弧復合深熔焊

高能束-電弧復合深熔焊是將高能束與普通的氣體保護焊技術（TIG、MIG/MAG、CMT 等）通過旁軸、同軸或串聯等方式結合形成的一種復合焊接技術，其綜合了兩種焊接方式的優點，在各種材料的焊接中得到了廣泛的應用。圖4[23]和圖5[24]分別為激光-電弧復合焊與等離子-電弧復合焊接示意圖。

圖4 激光-電弧復合焊接示意圖

圖5 等離子-電弧復合焊接示意圖

高能束-電弧復合深熔焊技術起源于20世紀70 年代，Steen 等[25]首次提出電弧可以強化激光焊的概念，同一時期，荷蘭的Philips公司提出了等離子-MIG 復合焊[26]，隨后國內外眾多研究學者針對高能束-電弧復合焊接技術展開研究。DIL THEY等[27]將激光與雙MIG電弧進行復合焊接，發現與單MIG 復合焊相比，雙MIG 焊接速度更快、熱輸入更小、裝配要求更低。朱曉明等[28]采用15 kW 大功率CO2激光對20 mm 厚的AH32 船用高強鋼進行了激光-電弧復合焊接，研究發現：通過激光功率等焊接規范匹配，激光-電弧復合焊接能實現20 mm 厚板的全熔透單道對接。樸圣君等[24]模擬了穩態等離子-MIG/MAG 復合電弧的行為特征及焊接熔池的形態，結果顯示等離子體電弧可以與MIG/MAG 電弧形成非常良好的復合效果，二者在電磁力的作用下相互耦合，形成形態較好的電弧高溫區。張強[29]分別采用了MAG焊、電子束焊、激光-MAG復合焊對10 mm厚的調制高強鋼HG785D 進行焊接，發現激光-電弧復合焊接可實現在較高速度下的高質高效焊接，同時通過光譜診斷結果表明，整體上復合焊產生的光譜強度高于單MAG 焊接時產生的光譜強度。

綜上所述，高能束深熔焊是當下主流的焊接技術，但其復雜的焊接工序、昂貴的焊接設備、較為嚴苛的焊接條件是限制其廣泛應用的主要因素，因此未來如何簡化焊接流程及焊接條件、降低焊接成本是其主要的發展方向。

2 高效氣體保護焊接技術

氣體保護焊技術主要分為兩大類，一類是非熔化極氣體保護焊（TIG 焊），另一類是熔化極氣體保護焊。傳統的氣體保護焊技術電流較小，難以實現大熔深焊接（一次性熔透深度>3 mm），因此如何提高電弧的穿透能力是高效氣體保護焊技術發展的方向。

2.1 高效TIG焊

常規的TIG 焊由于鎢極的載流能力有限，因此導致熔深淺，焊接效率低，制約了TIG焊的應用。國內外學者經過長期實踐研究開發了各種高效的大熔深TIG焊接技術，如K-TIG 焊、磁控窄間隙TIG 焊、A-TIG 焊、DP-TIG 焊、熱絲TIG焊、脈沖TIG焊等[2,30]，本節針對常用且發展較為成熟的K-TIG 焊、磁控窄間隙TIG 焊、A-TIG 焊進行簡要介紹。

2.1.1 K-TIG焊

20 世紀90 年代末，澳大利亞學者提出通過增大鎢電極的直徑來提高鎢極的載流能力，由此發明了K-TIG 焊。K-TIG 焊的電流通常在300～1 000 A，大的電流使K-TIG 焊產生了類似高能束焊的小孔的焊接過程，極大地提高了焊接效率[31-32]，K-TIG焊原理如圖6[33]所示。

圖6 K-TIG焊原理示意圖

K-TIG焊在保留了TIG焊的優點外，還具有焊接速度快、節省填充材料等優點。因此在不銹鋼、鈦合金、鋯合金等材料的焊接中得到了廣泛的應用。趙方方等[34]采用K-TIG 焊對10 mm 厚C-276哈氏合金進行了單面焊雙面成形，焊縫表面無氣孔、未熔合、裂紋等缺陷，接頭的平均抗拉強度為735.5 MPa，接頭的硬度一致性也較好。唐君才等[35]對3 mm、5 mm、8 mm、10 mm厚的304不銹鋼平板進行了K-TIG焊接試驗，得出了不同板厚的臨界焊接電流。盡管K-TIG焊有以上諸多優點，但是由于其焊接電流大，導致焊接穩定性較差，同時在進行碳鋼等合金鋼的焊接時，工藝窗口小，焊接可重復性不高，因此在如何提高其焊接穩定性和擴大工藝窗口等方面，還有待研究。

2.1.2 磁控窄間隙TIG焊

窄間隙焊接技術是在焊接過程中采用U形或者I形的坡口，可有效減少焊接材料、降低能耗，其坡口深且窄，因此焊縫金屬得到保護，純度較高[36]。窄間隙TIG 焊在焊接過程中采用小尺寸I形坡口或者小角度U形坡口，焊絲通常選擇雜質含量較少、與母材成分相同或相近的合金作為填充金屬，從而可以降低熱輸入和減少焊接耗材，由此可以獲得高質量的焊接接頭，在厚板焊接中極具優勢[37]。但厚板窄間隙焊接坡口狹窄，極易造成電弧沿壁厚爬升，導致側壁熔合不良，烏克蘭巴頓研究所首次將交變磁場引入窄間隙TIG焊中，磁場的引入改變了電弧形態和分布，有效地解決了側壁熔合不良的問題[38]，圖7[39]所示為巴頓研究所的磁控窄間隙TIG焊設備。

圖7 磁控窄間隙焊接設備

磁場的引入不僅改變電弧形態，還可以通過壓縮電弧來提高電弧的能量密度，從而提高焊縫的熔深，因而，國內外學者針對磁控窄間隙大熔深TIG焊展開了相關研究。叢成明等[39]采用磁控窄間隙TIG焊技術對100 mm厚的Ti-6Al-4V板進行了焊接，研究發現：接頭的整體強度達893 MPa，但延伸率僅為3.8%，熱影響區是整個接頭最薄弱的區域。胡金亮等[40]對120 mm的TA17鈦合金板進行了磁控窄間隙TIG焊接試驗，研究結果表明：沿著接頭橫向明顯存在著顯微組織不均勻性，熔合區為整個接頭最薄弱的區域。磁控窄間隙TIG焊在厚板焊接有顯著的優勢，但目前主要應用在鈦合金領域，在其他材料的焊接研究還相對比較少，同時自動化程度也相對較低，未來應重點在其適用領域和設備自動化程度方面展開研究。

2.1.3 A-TIG焊

20 世紀60 年代，巴頓研究所為了解決傳統TIG 焊接熔深潛的缺點，通過向熔池中引入活性劑，實現了增大焊縫熔深的目的。隨著時間的推移，出現了各種較為成熟的活性-TIG 焊接技術，如A-TIG、FZ-TIG 焊、FB-TIG 焊、AATIG 焊、GPCA-TIG 焊、GTFA-TIG 焊 等，其 中應用最為廣泛的是A-TIG 焊接技術。A-TIG 焊是在待焊接工件的表面涂覆一層活性劑，然后再進行TIG焊接操作，通過活性劑引起電弧收縮或熔池表面張力梯度的改變，從而使焊縫熔深增加[2]，相比于傳統的TIG 焊，A-TIG 焊的效率可增加1～3倍。

選擇和開發適合不同材料的活性劑以及明確活性劑增加熔深的機理是目前A-TIG 焊的研究熱點。在活性劑選擇方面，Balos[41]使用金屬氧化物的納米顆粒作為活性劑進行A-TIG 焊，不僅提高了焊縫熔深，而且增加了接頭的力學性能。楊成剛等[42]使用了4 種不同成分的活性劑進行了A-TIG 焊，發現相比于不加活性劑，涂敷活性劑后的接頭強度和焊縫熔深均有增加。關于活性劑機理方面的研究目前主要有電弧收縮理論、表面張力梯度理論和熱輸入增加理論三個方面[43]，但尚沒有形成國際上統一的理論基礎，因此未來對活性劑增加熔深的機理還有待更深一步研究。

2.2 高效MIG/MAG焊

前文所述高效大熔深MIG/MAG 焊基本原理都是電流的提高，但當電流過大時，一方面，熔滴過渡方式會轉變為旋轉射流過渡導致電弧不穩[2]，另一方面持續的熱輸入會使得熔池金屬飛濺嚴重，從而導致焊縫成形變差。因此如何在增大焊接電流的同時保持電弧的穩定性成為了研究學者關注的焦點。目前常用的方式是通過改變焊接電源的波形來解決這個問題，也就是常說的脈沖MIG/MAG 焊。脈沖熔化極氣體保護焊能夠使低于臨界電流的平均電流值實現穩定的噴射過渡，通過擴大電流范圍能夠有效控制熔滴過渡、熔池尺寸和熱輸入，同時可以攪拌熔池、改變接頭性能[44]。

Wu 等[45]研究發現高頻脈沖MAG 焊對電弧有壓縮作用，與常規脈沖MAG 相比，高頻脈沖MAG 焊余高降低，根部熔化深度提高20%，側壁熔化深度提高30%，兩種方式接頭的宏觀形貌如圖8[45]所示。劉志新[46]采用HD 高速脈沖MAG 焊實現了T 形角焊縫的不清根熔透焊，焊縫根部熔合良好，焊縫成形美觀。孫科等[47]采用單脈沖MAG 焊和強力焊實現了T 形角焊縫免清根熔透焊，同時力學性能檢驗合格，大幅度提升了生產效率。

圖8 脈沖MAG焊接接頭的宏觀形貌

3 結 論

（1）大熔深焊接技術目前在厚板和中厚板焊接中得到諸多應用，并取得了一定的經濟效益，隨著技術進步，將會更加普及的應用于各行各業。

（2）高能束深熔焊技術已經比較成熟，但其復雜的焊接程序、昂貴的焊接設備、較為嚴苛的焊接條件依然制約其快速發展，未來在實際應用中，應著重針對這些問題提出相應的解決方案。

（3）氣體保護焊技術作為傳統的焊接方式，依然占據著主要地位，但如何在不改變其焊接特性的前提下提高熔透能力是亟需解決的問題。