馬 光，黃 亮，2，孫曉亮

(1. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

(2. 東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

1 前 言

鈦及鈦合金具有高的比強度，優(yōu)異的抗腐蝕性以及良好的加工性，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、冶金等領(lǐng)域，被譽為當代新崛起的第三金屬［1-3］。但價格昂貴已成為限制鈦及鈦合金應(yīng)用推廣的首要問題。鈦及鈦合金與不銹鋼的復(fù)合材料同時具有鈦與鋼的特性，又能充分發(fā)揮這兩種材料在性能上與經(jīng)濟上的優(yōu)勢［4-5］，在航空航天、國防及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但鈦鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的使用首先需要解決鈦與鋼的焊接問題。因此，研究鈦及鈦合金與鋼的連接技術(shù)有著重要的實際意義和較高經(jīng)濟效益［6-7］。

2 實 驗

實驗用母材為TA2 工業(yè)純鈦和Q345R 鋼，板厚都為3 mm。均由西安優(yōu)耐特壓力容器制造有限公司提供。供實驗用的基體金屬切割成合適尺寸后均需做焊前清潔準備，鋼經(jīng)機械清除表面氧化物、砂紙打磨后用無水乙醇擦凈;鈦經(jīng)汽油去油、酸洗后亦用無水乙醇擦凈。

選擇合適的釬料是實現(xiàn)鈦-鋼釬焊的必要條件。由于鈦、鋼二者物化性能差異很大，給二者釬焊造成較大的困難。原則上，選用的釬料其流動溫度不應(yīng)超過工業(yè)純鐵晶粒急劇長大和氧化的溫度(1 000～1 050 ℃)，并分別與鈦和鋼有一定的溶解度，同時應(yīng)盡可能避免與鈦和鋼形成脆性相或過分反應(yīng)。根據(jù)筆者前期積累的研究成果，篩選了以下幾種釬料供實驗研究。

表1 實驗用4 種釬料的組分Table 1 Composition of brazing materials for experiments

采用厚度δ=3 mm 的Q345R 鋼和TA2 鈦進行搭接鎢極氬弧釬焊，保護氣體為99.99%的氬氣。保證焊接工況滿足JB/T 4745—2002 標準中施焊環(huán)境的要求。在焊接過程中，用合適的氬氣焊接保護罩保護焊縫區(qū)及熱影響區(qū)，防止焊接過程中鈦側(cè)的氧化。焊接時采用合適的焊接工藝參數(shù)，使得母材焊縫區(qū)域溫度在950 ～1 000 ℃。焊接形式如圖1 所示。在金相顯微鏡下觀察接頭處釬焊界面的擴散情況。采用顯微硬度測試儀測試釬焊接頭不同區(qū)域的顯微硬度，載荷為100 mN，保持時間為20 s。

圖1 釬焊焊接示意圖Fig.1 Sketch map of braze welding

3 結(jié)果與討論

3.1 焊接接頭顯微組織分析

對1#釬料焊接鈦/鋼的鋼側(cè)和鈦側(cè)界面及焊縫進行了金相分析，結(jié)果如圖2 所示。從圖2a 可以看出，鋼側(cè)的焊縫有微小的裂紋產(chǎn)生，這主要是由于釬料對Q345R 鋼的潤濕性不好導(dǎo)致的。同時，釬料中的Ni、Mn 合金元素與Fe 反應(yīng)，使得釬料和Q345R 鋼之間生成一層很薄的界面層。從圖2b 可以看出，釬料與TA2 母材之間有明顯的裂紋，而且裂紋并不是局部的。雖然兩者之間有2 ～3 μm 的反應(yīng)界面，但是釬料與TA2 母材的熔合性并不好，焊縫有開裂現(xiàn)象。這可能是因為在焊接過程中焊接線能量過大，以及焊接內(nèi)應(yīng)力使得焊縫在冷卻過程中產(chǎn)生裂紋。

圖2 1#釬料焊縫金相照片F(xiàn)ig.2 The welding line metallographs of brazing 1#

圖3 為2#釬料焊接鈦鋼的金相照片。從圖3a 中可以發(fā)現(xiàn)，釬料靠近焊縫區(qū)有明顯的裂紋產(chǎn)生，在鋼側(cè)并無明顯的反應(yīng)界面，這可能是因為焊接線能量過低，導(dǎo)致釬料沒有與Q345R 鋼焊合。同時，可以觀察到焊縫區(qū)有裂紋產(chǎn)生，這是因為氣孔(裂紋中大塊黑色區(qū)域)導(dǎo)致焊縫的開裂。從圖3b 可以發(fā)現(xiàn)，靠近鈦側(cè)有明顯的裂紋，這可能是釬料與鈦側(cè)反應(yīng)生成金屬間化合物，以及釬料本身與TA2 母材沒有完全熔合。此外，釬料與反應(yīng)區(qū)也有裂紋產(chǎn)生，這主要是因為這個區(qū)域的雜質(zhì)導(dǎo)致裂紋的生成。白色點為Ag 基化合物。

圖3 2#釬料焊縫金相照片F(xiàn)ig.3 The welding line metallographs of brazing 2#

圖4 為3#釬料焊接鈦鋼的金相照片。從圖4a 可知，釬料與Q345R 鋼有著明顯的反應(yīng)界面，沒有宏觀裂紋產(chǎn)生且沒有發(fā)現(xiàn)晶粒粗大區(qū)域及碳化合物。從圖4b 可知，黑色區(qū)域為焊縫區(qū)，焊縫區(qū)的白色點為富Ag 區(qū)，靠近鈦側(cè)生成鋸齒狀界面，且該界面沒有裂紋產(chǎn)生，厚度為3 ～5 μm?？傊蓤D4 可以發(fā)現(xiàn)，釬料與Q345R 鋼和TA2 鈦有著良好的潤濕性，并且與Q345R 鋼和TA2 鈦母材的反應(yīng)界面均比較良好，無明顯的裂紋、晶粒粗大區(qū)域和富碳化合物區(qū)域。

圖4 3#釬料焊縫金相照片F(xiàn)ig.4 The welding line metallographs of brazing 3#

圖5 為4#釬料焊接鈦鋼的金相照片。從圖5a 可知，焊縫有微觀裂紋產(chǎn)生，這是由于焊縫區(qū)域存在碳化物所致。而鋼側(cè)的反應(yīng)界面也存在裂紋，并且釬料與鋼側(cè)沒有發(fā)生相互熔合。從圖5b 可以發(fā)現(xiàn)，鈦側(cè)焊縫中有裂紋產(chǎn)生，釬料與鈦側(cè)也沒有熔合。這可能是因為釬料中Cu 含量的降低使其與Ti 的反應(yīng)降低，從而導(dǎo)致釬料對鈦側(cè)的焊接性降低。

圖5 4#釬料焊縫金相照片F(xiàn)ig.5 The welding line metallographs of brazing 4#

3.2 焊縫硬度分析

圖6 為1#～4#釬料焊接焊縫處鈦側(cè)和鋼側(cè)的顯微硬度。從圖知，1#釬料處的平均維氏硬度為2 500 MPa，靠近鈦側(cè)反應(yīng)界面的硬度比靠近鋼側(cè)反應(yīng)界面的硬度高，這主要是由于焊接過程中鈦側(cè)產(chǎn)生TiC所致，而鋼側(cè)由于C、B 等脆性化合物的生成導(dǎo)致界面硬度下降。2#釬料在焊縫處的硬度較1#釬料有所增加，但在鈦側(cè)反應(yīng)界面卻下降，這是鈦側(cè)裂紋影響的結(jié)果，而鋼側(cè)焊縫的顯微硬度比Q345R 鋼高，主要是由于在鋼側(cè)生成C-Fe、Fe-B 等化合物，使得硬度上升。3#釬料焊縫硬度明顯高于TA2 母材和釬料，這是因為生成TiC 以及Ti 元素在焊接溫度為890 ℃以上時存在相轉(zhuǎn)變。其焊縫的維氏硬度為1 800 ～2 100 MPa，這是因為釬料擴散到Q345R 鋼使得強度增加。4#釬料焊接釬料側(cè)反應(yīng)界面的硬度比TA2 側(cè)的硬度高，這是因為TA2 側(cè)富含Cu 元素，而釬料側(cè)為Fe-Cu 共晶物。鋼側(cè)的焊縫硬度從鋼側(cè)到釬料側(cè)是增加的，這是由于釬料擴散使得硬度呈遞增變化。

圖6 1# ～4#釬料焊縫顯微硬度Fig.6 Micro-Vickers hardness of brazing 1# to 4#

3.3 剪切強度

表2 為1#～4#焊接試樣力學(xué)性能檢測結(jié)果。由表2 可以看出，3#釬料焊接試樣的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于其他3 種釬料的。

表2 不同釬料焊接試樣的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of welded samples with different brazing materials

4 結(jié) 論

通過對采用1#～4#釬料對TA2 鈦與Q345R 鋼進行TIG 熔-釬焊后的焊接效果評價可以看出，3#釬料(Ag65.5Cu21.2Mn8.0Ni5Si0.3B0.1)是一種比較理想的純鈦與低合金鋼釬焊的釬料。選用3#釬料焊接的試件，無論是鋼側(cè)還是鈦側(cè)都無裂紋產(chǎn)生，也無碳化物以及其他脆性化合物生成，釬料與母材發(fā)生明顯互擴散現(xiàn)象并且抗拉強度、剪切強度都達到了壓力容器的要求標準。

［1］McDill J M J，Oddy A S. A nonconforming eight to 26 -node hexahedron for three-dimensional thermal-elasto-plastic finite element analysis［J］. Computers and Structures，1995，54(2):183 -189.

［2］張喜燕，趙永慶，白晨光. 鈦合金及其應(yīng)用［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:75.

［3］李梁，孫建科，孟祥軍. 鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］. 鈦工業(yè)進展，2004，21(5):19 -24.

［4］周榮林，張九海，田錫唐. 鈦/不銹鋼相變擴散連接工藝研究［J］. 焊接，1999(2):9 -12.

［5］陳明潔，徐道榮. 鈦及鈦合金與不銹鋼的釬焊技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］. 現(xiàn)代焊接，2010，91(7):15 -18.

［6］孫榮祿，張九海. 鈦及鈦合金與不鋼焊接的問題及研究現(xiàn)狀［J］. 宇航材料工藝，1997(2):7 -9.

［7］王廷，張秉剛，陳國慶，等. 鈦/鋼異種金屬焊接存在問題及研究現(xiàn)狀［J］. 焊接，2009(9):29 -33.