钽箔 《电焊机》好文推荐｜钽的焊接技术研究进展

2021年第一期焊机杂志PDF全版

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论文参考文献引用格式:陈，张金祥，周，等。钽焊接技术研究进展。电焊机，2021，51: 37-41，65。

钽在武器装备、原子能、航空航天等领域发挥着重要作用。但是钽的焊接难度极大，只有少数国家具备焊接能力。综述了国内外钽焊接的主要研究机构、研究内容、研究现状及发展趋势。结果表明，钽的焊接热源正在从电弧焊向激光焊接和电子束焊接转变，主要研究趋势是基于焊接有限元模拟和材料计算结果改进焊接工艺，从而获得高质量的焊缝。国内钽的焊接方法比较齐全，但研究深度不足，尤其是对焊缝成形机理、焊缝微观组织控制方法、有限元分析的研究几乎处于空白色阶段，需要大量深入的理论研究才能突破技术壁垒。

关键词:钽；氩弧焊；电子束焊接；激光焊接；研究进展

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0前言

钽被誉为耐蚀性最好的金属，除氢氟酸外不受其他酸的侵蚀，熔点高达2 996℃，延展性好，热膨胀系数小。它是典型的难熔金属之一，在超导、芯片、航空空航天、化工、原子能、医疗设备等先进技术领域发挥着不可替代的作用。钽及其合金的典型应用有:航空空发动机或燃气轮机中的叶片、燃烧室中的耐热管道和装置、对撞机中的超导零件和腔体、石油化工领域中的耐腐蚀容器和管道、原子能工业中的中子屏蔽、核岛壳和快中子反应堆控制材料、芯片工业中的溅射靶、医学中的人工骨材料、各种支架等。

在尖端工程中，对高可靠性、免维护、长寿命零件的需求日益增加，用钽及其合金替代部分材料已成为历史的必然。在工程应用中，钽通常被用作关键的功能元件，功能元件的生产，尤其是结构复杂的功能元件，往往需要焊接。钽焊接面临三大关键技术难点:一是钽材料熔点高，焊接难度大；二是钽材料一般用于强酸、超高温等极端环境，对焊接质量要求极高；第三，钽在高温下容易与空气体中的氧和氮发生反应，形成钽化合物的脆性焊缝。因此，很难获得可靠的钽焊缝。

国外少数核工业和航天工业发达的国家掌握了钽的焊接技术，在焊接工艺、焊缝成形理论、焊接有限元模拟、焊缝组织/成分、腐蚀行为和工业应用等方面取得了一定的成果。相比较而言，国内钽的研究起步较晚，研究机构较少。只有少数研究所进行了钽焊接实验，缺乏系统的理论研究。

本文综述了国内外研究机构对钽焊接的最新研究进展，为国内特种焊接研究人员开展钽等难熔金属焊接提供参考。

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钽焊接的研究进展

美国、德国、法国、俄罗斯等工业和军工发达的国家都开展了金属钽焊接的研究，尤其是美国对金属钽的研究起步早、深入、全面。目前，国际上对钽焊接的研究主要集中在焊接工艺研究、焊接有限元分析、焊缝腐蚀及成形机理研究等方面。通过对组织和性能的系统表征来评估焊接质量，然后改进焊接工艺以获得高质量的焊缝。相关技术应用于航空航天、化工设备等领域。我国对钽焊接的研究主要集中在钽功能件的制备和生产上。

1.1焊接热源和焊接工艺研究

目前，世界上钽的主要焊接方法包括钨极惰性气体焊接、激光焊接、电子束焊接、爆炸焊接等。由于热影响区组织控制的需要，高能量密度激光焊接和电子束焊接已成为目前主流的焊接方法；钨极惰性气体保护焊由于升温速度慢，高温阶段易形成粗大的热影响区结构，已逐渐取代钨极惰性气体保护焊成为第一代热源，爆炸焊接主要用于制备钽复合板。美国、德国等钽焊接研究大国都对其焊接工艺进行了深入研究。

早在1973年，美国宇航局就采用了钨极惰性气体保护焊方法，并在钽焊接领域取得了很大进展。氦保护下焊接的钽板穿透深度达到9.52 mm，并进行了大量的力学性能测试，形成了93页的技术文件。遗憾的是，电弧焊在高温区加热速度慢、加热时间长，容易导致晶粒粗大、内应力高等问题。因此，热裂纹在通过该技术获得的焊缝中是不可避免的。

为了缓解热裂纹问题，美国研究人员对钽电弧焊的焊接工艺进行了一系列研究，如电弧电磁振荡和电流脉冲对钽片焊缝微观组织的影响研究、表面硅化物涂层对焊缝性能的影响研究等。，这在一定程度上改善了热裂纹缺陷的发生。

显然，电弧焊不是钽的理想热源。随着激光技术的发展，美国国家能源局劳伦斯利弗莫尔国家实验室于1985年首次将激光焊接应用于钽焊接，为激光焊接钽及其合金打开了大门。未来30年，激光焊接已成为钽焊接的主流方法。美国相关研究机构的激光焊接设备已经从固态激光器升级为光纤激光器，激光功率从最初的400 W提高到6 kW。在焊接工艺上进行了大量的研究，相关成果已应用于航天器件和武器装备的生产和修复，部分焊接效果如图1所示。法国钽焊接研究所也采用激光焊接路线，应用于钽-钽、钽-钛等同异种金属的焊接，获得了高质量的焊缝。

与以激光为主流焊接热源的美国、法国不同，德国采用电子束焊接的方式焊接钽及其合金，其研究主要集中在Tantec、Steco等企业，专注于钽换热器、管道、容器等化工设备的整体加工制造。研究内容涵盖焊接工艺、钽焊缝的腐蚀行为、耐蚀性等。，且其商业产品已占据市场主导地位；俄罗斯采用爆炸焊接制备钽复合材料，2016年制备铜钽、铜钛复合板。研究了焊接界面的形貌和爆炸焊接工艺。

中国经济的快速发展为我国钽铌科研机构和企业奠定了坚实的经济基础，国产焊接设备水平达到了行业先进水平。国内钽的焊接方法有氩弧焊、电子束焊、激光焊、爆炸焊等。，与国际主流焊接方法一致；而国内钽焊接研究的重点是攻克具体的焊接工艺，解决钽功能件的具体生产制备技术；一些研究机构，如哈尔滨工业大学和北京工业大学，专注于焊缝的微观结构和性能表征。

综上所述，钽焊接热源的更新紧跟焊接设备的发展，经历了钨极惰性气体保护焊、固体激光/光纤激光焊接、电子束焊接、爆炸焊接、等离子弧焊接等。，并朝着高能量密度和短焊接工艺的趋势发展；围绕所采用的焊接方法所涉及的参数进行焊接工艺研究，根据力学性能、显微组织和成分变化评价焊接质量，从而改进焊接工艺及其附加控制措施。

1.2焊接数值模拟和焊缝材料计算

随着计算机和软件技术的发展，数值分析和材料计算在预测焊接过程、焊缝成形机理和微观组织变化规律中的作用逐渐提高。1980年，美国相关研究机构应用有限元模拟对氩弧焊焊接钽板的温度进行预测，建立了焊接温度场的二维模型，并通过焊接实验进行了验证。

随后，进一步探索了焊接有限元模拟的作用，并将其用于预测温度场、应力场、熔池流场、焊缝形状等。如法国大学科技学院激光与材料实验室建立激光点焊有限元模型，并结合实验结果阐明钽焊接过程中缩孔产生的机理；宾夕法尼亚大学通过建立钽的激光焊接熔池模型，准确预测了激光焊接熔池的形状，实验结果验证了这一点。验证情况如图2所示。

此外，还通过材料计算探讨了焊缝的形成机理。例如，2009年，橡树岭国家实验室基于Fact Sage热力学数据库分析了钽焊缝结构的热力学稳定性，进而明确了焊缝凝固过程中的有利相。透射电镜分析结果验证了计算结果。

国内对钽焊接有限元模拟和材料计算的研究比较薄弱。公开资料显示，只有少数研究人员使用ANSYS软件对钽钨合金等离子弧焊接温度场进行了数值分析。

综上所述，焊接有限元模拟对焊接过程中涉及的各种场和多场耦合机制有很好的预测效果，能够准确反映焊接变量的变化趋势，指导焊接工艺的改进；材料计算主要用于研究焊缝组织的演变和焊缝成形机理。

1.3焊缝失效机理研究

钽焊缝一般在强酸、高温等恶劣环境下使用，焊缝容易损坏。研究焊缝失效机理对提高焊缝质量具有重要的指导意义。

目前，国内外对钽焊缝失效机理的研究主要集中在腐蚀行为和裂纹扩展机理方面。如美国金属学会2007年出版的《焊接件的腐蚀》在单独章节中介绍了钽焊缝的腐蚀行为，弥补了美国对钽焊缝腐蚀行为研究的不足；2013年，美国美敦力能源与部件中心开展了钽钛合金焊缝裂纹机理研究，明确了钽钛合金焊缝裂纹是由氢应力裂纹机理引起的；德国steco公司对纯钽和Ta-2.5%W合金焊缝在酸碱等各种环境下进行了腐蚀实验。然而，目前还没有关于钽焊缝高温失效机理的公开文献。

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2存在的问题

通过文献调研可以发现，美国对钽的焊接研究是全面的、自成体系的，焊接设备经历了钨极惰性气体焊接、固体激光焊接、光纤激光焊接等。研究内容涵盖焊接工艺研究、焊缝组织/性能表征、腐蚀行为、焊接有限元模拟、焊缝成形机理、缺陷形成机理等。相关研究成果应用于航空空航天、原子能、医疗设备等。

与美国相比，我国钽铌骨干企业虽然20年发展迅速，但在钽铌焊接研究领域，其研究对象是国有钽铌生产企业及其配套的R&D系统。偏向应用研究的取向决定了他们的研究主要是针对解决具体的生产技术问题，突出了基础研究薄弱、研究深度不足的问题。特别是对焊缝成形机理、焊缝显微组织控制方法和有限元分析的研究几乎处于空白阶段，需要大量深入的理论研究才能突破技术壁垒。目前我国钽铌焊接领域存在的主要问题有:

对焊缝失效机理的研究极其匮乏，难以确定研究重点。对直接决定钽零件使用寿命的高温、高腐蚀和核辐射环境下的高温组织演变机理、腐蚀行为和辐照效应等钽焊缝的使用环境及其相应失效机理缺乏系统研究。

对焊缝成形机理的研究还很缺乏，如大气保护下熔池-大气界面的反应机理、焊缝组织的调控机理、真空状态下焊缝的成形机理及其组织演变规律等。，制约钽铌企业进入高附加值电子、加工材料、高端装备制造等领域。

钽及其合金的基础研究薄弱，导致对钽的应用领域和应用场景认识不清，难以把握钽焊接的研究方向、难点和重点，进一步限制了钽在工业上的应用范围。

虽然我国在基础研究方面与部分发达国家差距明显，但值得肯定的是，国内钽焊接设备水平已达到国际先进水平，焊接方法与国外主流焊接方法一致。

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3发展趋势

与国内情况截然不同的是，美国、德国等一些发达国家在导航空航空航天、武器装备、核电、发动机、化工设备等特定场景下使用钽及其合金。，并根据使用环境开展一系列系统研究，涵盖焊接工艺、焊缝微观组织、力学性能、有限元模拟、腐蚀行为等。焊接设备经历过氩/氦弧焊、爆炸焊、电子束焊、激光焊等。，具有很强的连续性和继承性。国外发展历史通过文献调研表明，目前钽焊接的主要发展趋势是:

基于数值分析的钽焊缝组织控制方法、焊接工艺及形成机理研究。建立精确的分析模型，模拟高难度的焊接实验，进而指导焊缝结构和焊接工艺的调整；通过材料计算分析了焊缝组织的演变规律，阐明了焊缝的形成机理。

焊缝组织与性能表征内在关系的研究。钽焊缝晶粒的显微组织与焊缝的电化学和力学性能密切相关，获得高可靠性焊缝的关键在于对焊缝显微组织的有效控制。

钽焊缝失效机理的研究。目前，国内外对钽焊缝损伤机理的研究比较薄弱，对钽焊缝损伤机理的研究可以有效指导焊接工艺改进和组织控制，是钽焊接的主要研究方向之一。

焊接设备趋势:焊接热源向能量密度更高的设备发展。激光焊接和电子束焊接已成为目前钽的理想焊接热源。

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4结论

综上所述，钽及其合金在航空空航空航天、武器装备、原子能、化工装备等领域具有重要的应用价值。然而，钽焊接限制了复杂结构件的加工制造，如何获得高质量、高可靠性的钽焊缝是该领域亟待解决的技术瓶颈。

国内外研究人员在钽焊接领域做了大量研究，采用钨极惰性气体保护焊、爆炸焊接、电子束焊接、激光焊接等方法实现钽材料的连接，研究内容涵盖焊接工艺、焊缝组织/成分、力学性能、有限元模拟、腐蚀行为等。近50年的研究过程表明，电子束焊接、激光焊接等高能量密度焊接热源更适合焊接钽及其合金；此外，数值模拟和材料计算方法可以有效指导焊缝组织和焊接工艺的调整。随着研究的深入，下一步钽焊研究的主要方向和有效途径是围绕特定的服役环境分析焊缝的失效机理，进而研究相应的组织控制机制，以获得高质量的焊缝。

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编辑:唐璜

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