钽的焊接技术研究进展

　　摘要：钽在武器装备、原子能、航天领域具有重要作用，但钽的焊接极为困难，仅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、研究现状和发展趋势，调研结果表明：钽的焊接热源出现由弧焊向激光焊、电子束焊转变的趋势;主要研究趋势为基于焊接有限元模拟、材料计算结果来改进焊接工艺，进而获得高质量焊缝。国内钽焊接方法较为齐全，但研究深度不足，尤其是焊缝成形机理研究、焊缝组织调控方法、有限元分析等方面几乎处于空白阶段，需要大量深入的理论研究突破技术壁垒。

　　关键词：钽;氩弧焊;电子束焊接;激光焊接;研究进展

　　0 前言

　　钽被誉为耐蚀性最好的金属，除氢氟酸外不被其他酸侵蚀，且熔点高达2 996 ℃，富有延展性，热膨胀系数小，是典型的难熔金属之一，在超导、芯片、航空航天、化工、原子能、医疗器械等尖端技术领域具有不可替代的作用。钽及其合金的典型应用有：航空发动机或燃气轮机中的叶片、燃烧室耐热管道、耐热器件等，对撞机中的超导零部件、腔体，石油化工领域的耐蚀容器、管道，原子能工业中的中子防护板、核岛外壳、快中子反应堆控制材料，芯片行业的溅射靶材，医学上的人工骨材料、各类支架等，是一种重要的战略物资[1-2]。

　　在尖端工程上，高可靠、免维护、长寿命零部件的需求与日俱增，用钽及其合金替代部分材料已成历史必然。工程应用中的钽通常作为关键功能件发挥作用，而功能件尤其是复杂结构功能件的生产往往需要经过焊接加工。钽的焊接面临三个关键技术难点：一是钽材熔点高，焊接难度大[3];二是钽材一般应用在强酸、超高温等极端环境中，对焊缝质量要求极高[4];三是钽在高温状态下极易与空气中的氧、氮反应，形成钽化合物脆化焊缝。因此，要得到可靠的钽焊缝极其困难。

　　国外少数核工业、航天工业发达的国家已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、工业化应用等方面取得了一定的成果[1]。相比较而言，国内钽的研究起步晚、研究机构少，仅个别科研院所开展了钽的焊接实验，且缺乏系统的理论研究。

　　文中综述了国内外研究机构在钽的焊接方面的最新研究进展，为国内特种焊接研究人员开展钽及其他难熔金属焊接提供参考。

　　1 钽的焊接研究进展

　　美国、德国、法国、俄罗斯等工业、军工业发达的国家均开展了钽金属焊接研究，尤其是美国对钽金属的研究起步早、深入、全面。目前，国际上钽的焊接研究主要集中在焊接工艺研究、焊接有限元分析、焊缝腐蚀和成形机理研究等方面，通过系统的组织性能表征评价焊缝质量，进而改进焊接工艺获得高质量焊缝，相关技术应用于航天、化工装备等领域。我国在钽焊接方面的研究集中在钽功能件的制备生产方面。

　　1.1 焊接热源及其焊接工艺研究

　　目前国际上主要的钽焊接方法包括钨极惰性气体保护焊、激光焊、电子束焊、爆炸焊等，由于热影响区组织调控的需求，高能量密度的激光焊、电子束焊成为目前主流的焊接方法;钨极惰性气体保护焊由于在高温阶段升温速度慢、易形成粗大的热影响区组织，作为第一代热源已逐步被替代;爆炸焊则主要用于制备钽复合板材。美国、德国等主要的钽焊接研究国家对其焊接工艺开展了较为深入的研究。

　　美国国家宇航局早在1973年就采用钨极惰性气体保护焊方法，在钽材焊接领域取得了重大进展，在氦气保护下焊接钽板熔深达9.52 mm，并开展了大量力学性能测试，形成了93页技术文件[5]。但遗憾的是，弧焊在高温区时升温速度慢、加热时间长，极易造成焊缝晶粒粗大、内应力较高等问题，因此利用该技术得到的焊缝难以避免地存在热裂纹缺陷。

　　为缓解热裂纹问题，美国科研人员在钽的弧焊焊接工艺方面开展了一系列的研究，如电弧电磁振荡和电流脉冲对钽片焊缝组织影响规律的研究[6]、表面硅化物涂层对焊缝性能影响规律的研究[7]等，一定程度上改善了热裂纹缺陷的发生。

　　显然，弧焊并不是钽的理想热源，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(lawrence livermore national laboratory，LLNL)在1985年首次将激光焊接应用于钽的焊接[8]，打开了激光焊接钽及其合金的大门。在接下来的30年中，激光焊接成為钽焊接的主流方法。美国相关研究机构的激光焊接设备由固体激光器升级为光纤激光器[9]，激光功率由最初的400 W提升至6 kW[10]，并在焊接工艺方面开展了大量研究[10-12]，相关成果应用于航天器件、武器装备的生产与修复[9]，部分焊接效果如图1所示。法国钽焊接研究机构也采用了激光焊接路线，应用于钽-钽[13]、钽-钛[14]等同种、异种金属焊接，获得了高质量焊缝。

　　与美国、法国等以激光作为主流焊接热源不同的是，德国采用电子束焊焊接钽及其合金，其研究主要集中在钽泰克(Tantec)、世泰科(H.C.Starck)等企业中，专注于钽的换热器、管道、容器等化工装备的整体加工制造，研究内容涵盖焊接工艺、钽焊缝腐蚀行为、耐蚀性等方面[15]，其商用产品已经占据市场主导地位;俄罗斯则采用爆炸焊的方法制备钽复合材料，在2016年制备出铜-钽、铜-钛复合板，并研究了结合界面的形貌及爆炸焊工艺规律[16]。

　　中国经济的飞速发展为我国钽铌研究机构、企业奠定了坚实的经济基础，国内焊接装备水平达到行业先进水平[17]。国内钽的焊接方法囊括了氩弧焊[18-22]、电子束焊[23-28]、激光焊[29-30]、爆炸焊[31]等，与国际主流焊接方法一致;但国内钽焊接研究的重点在攻克具体焊接焊接工艺、解决钽功能件具体生产制备技术方面[18-19，23-24];部分科研院所如哈尔滨工业大学、北京工业大学等的研究重点在焊缝的组织、性能表征等方面[25-27，30]。

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