,2 ,2 珍珍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001;3.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

鎂/鈦異種合金焊接的研究現(xiàn)狀與展望

張澤群1張凱平1檀財(cái)旺1,2周利1,2周珍珍3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001;3.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

對近年來鎂/鈦異種合金焊接的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，針對熔點(diǎn)差別大、非互溶不反應(yīng)的鎂/鈦焊接，采用非傳統(tǒng)的特種焊接方法輔以合金元素的界面改善是實(shí)現(xiàn)二者可靠連接的關(guān)鍵。界面冶金結(jié)合的調(diào)控是提高接頭力學(xué)性能的核心之處。以激光焊、瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊等焊接方法分類闡述了鎂/鈦焊接研究的最新進(jìn)展，并對鎂/鈦焊接的后續(xù)研究進(jìn)行展望。

鎂/鈦異種合金焊接方法合金元素界面反應(yīng)

0 序 言

輕量化復(fù)合結(jié)構(gòu)件的使用使得多種材料實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，滿足特定使用要求，目前該方面的研究受到廣泛關(guān)注。其中，鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度、可鑄性好以及循環(huán)利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域[1]；鈦合金具有比強(qiáng)度高、比剛度高、抗氧化、耐腐蝕性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“空間金屬”及“深海金屬”[2]。隨著眾多工業(yè)分支朝著輕量化方向發(fā)展，利用焊接手段實(shí)現(xiàn)鎂合金與鈦合金可靠連接使其實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)具有重要的研究意義和應(yīng)用前景。

鎂合金與鈦合金的連接受到二者之間性質(zhì)差異的制約。鎂/鈦之間熔點(diǎn)差別較大(鎂：649 ℃，鈦：1 668 ℃)，同時(shí)鎂的低沸點(diǎn)(1 090 ℃)導(dǎo)致二者很難同時(shí)處于熔融態(tài)，鎂和鈦在液態(tài)下基本不互溶且不發(fā)生冶金反應(yīng)。因此，利用傳統(tǒng)的熔焊工藝實(shí)現(xiàn)鎂/鈦合金之間的可靠焊接具有一定的難度。

解決鎂合金與鈦合金焊接問題的關(guān)鍵主要在于兩點(diǎn)：第一，采用特種焊接手段，如瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊(TLP)、激光焊、攪拌摩擦焊等，即便是弧焊也采用冷金屬過渡技術(shù)(CMT)或者超聲輔助等優(yōu)化手段；第二，利用添加其他合金元素對鎂/鈦異種合金焊接時(shí)冶金反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控。更多時(shí)候研究者將特種焊接手段與添加其他元素相結(jié)合來解決鎂/鈦異種合金焊接問題。因此，文中從焊接方法分類介紹鎂/鈦異種合金焊接技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并進(jìn)一步分析了鎂/鈦焊接的發(fā)展方向。

1 鎂/鈦的電弧焊

1.1 冷金屬過渡技術(shù)

鎂合金與鈦合金焊接時(shí)引起鎂合金燒損蒸發(fā)而導(dǎo)致接頭性能下降的重要原因是焊接方法控制熱輸入量的局限性。Fronius公司在2004年展出的冷金屬過渡技術(shù)(CMT)通過反饋的控制系統(tǒng)將送絲運(yùn)動與熔滴過渡結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了無飛濺的焊接過程，是一種控制焊接熱輸入的新型弧焊方法，特別對于薄板的焊接具有一定優(yōu)勢[3-4]。因此，利用CMT焊接方法較為可行。蘭州理工大學(xué)R.Cao等人[5]利用CMT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了TA2鈦與AZ31B鎂合金的熔釬焊連接。研究發(fā)現(xiàn)，搭配AZ61鎂合金焊絲條件下，鎂上鈦下的搭接形式具有更高的接頭強(qiáng)度，兩種接頭截面形貌如圖1所示。微觀分析認(rèn)為，在釬接面處形成包括Ti3Al,Mg17Al12，Mg0.97Zn0.03在內(nèi)的多組元化合物層；同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在于鎂合金母材及焊絲中的Al，Zn元素在界面產(chǎn)生擴(kuò)散行為，認(rèn)為其是促成接頭可靠連接的重要因素。

蘭州理工大學(xué)的王濤[6]做了基于CMT技術(shù)下鎂/鈦焊接性的研究。分別利用AZ61和AZ92鎂合金焊絲實(shí)現(xiàn)了鎂/鈦間的CMT熔釬焊連接，研究了不同搭接形式、焊絲及CMT程序下焊接的工藝特性，可發(fā)現(xiàn)鎂上鈦下形式及AZ61焊絲，并采用非一元線性CMT程序形成的接頭強(qiáng)度較高。接頭也分為鎂合金一側(cè)熔合區(qū)及鈦合金一側(cè)釬焊界面，微觀分析發(fā)現(xiàn)：熔合區(qū)主要由α-Mg,Mg17Al12、彌散顆粒狀分布Mg17Al(Zn)12及Mg0.97Zn0.03組成。而在鈦合金側(cè)釬接面主要存在Ti3Al,Mg17Al12化合物。

圖1 不同搭接形式的鎂/鈦CMT接頭截面

此外，王岑等人[7]利用有限元模型模擬了鎂/鈦異種金屬CMT焊接的溫度場，研究發(fā)現(xiàn)CMT條件下鎂/鈦兩側(cè)溫度場分布不對稱，鎂側(cè)升溫快，降溫也快；送絲速度對接頭成形有重要影響，作者認(rèn)為隨著送絲速度提高，焊接熱輸入增加，界面處鈦的反應(yīng)量增加。

1.2 超聲波輔助TIG

C.Xu等人[8]在未使用超聲波對TIG焊進(jìn)行輔助時(shí)，發(fā)現(xiàn)鎂/鈦連接存在熔合區(qū)晶粒粗大現(xiàn)象，作者的研究中有的接頭斷裂路徑沿熔合區(qū)內(nèi)部，說明鎂側(cè)熔合區(qū)晶粒粗大制約著鎂/鈦接頭的強(qiáng)度。對此，C.Xu等人[9]又進(jìn)行了有超聲輔助TIG(U-TIG)鎂/鈦熔釬焊研究，微觀分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)超聲波功率為1.2 kW時(shí)，界面附近鎂合金一側(cè)熔合區(qū)的α-Mg柱狀晶晶粒尺寸由未加超聲時(shí)的200 μm降低至50 μm(如圖2所示)此時(shí)的接頭強(qiáng)度也達(dá)到最高且接頭斷裂在鎂母材處。說明超聲作為一種外加能量的引入可以改變焊接熔池結(jié)晶的固有模式，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。此外，作者又研究了U-TIG鎂/鈦熔釬焊接頭的抗腐蝕性能[10]，認(rèn)為U-TIG下的接頭抗腐蝕性良好歸因于兩點(diǎn)：Mg(OH)2保護(hù)層形成趨勢的促進(jìn)以及Mg(OH)2保護(hù)層與原始鎂合金表面協(xié)調(diào)性的促進(jìn)。

為進(jìn)一步改善焊接效果，Chuan Xu等人[11]對TIG熔釬焊后的鎂/鈦接頭進(jìn)行高能噴丸(HESP)處理，采用不銹鋼噴丸并配以合適的工藝參數(shù)時(shí)，優(yōu)化的表面成形、殘余壓應(yīng)力、細(xì)晶強(qiáng)化及形變強(qiáng)化使得接頭強(qiáng)度較未噴丸時(shí)提高了24.5%，但通過EDS線掃描及微觀分析發(fā)現(xiàn)，雖然界面處存在Mg/Ti擴(kuò)散層，但噴丸處理對于界面處的組織改善及反應(yīng)層的影響不明顯。

圖2 鎂/鈦超聲輔助TIG不同聲波功率鎂合金一側(cè)晶粒形貌

2 鎂/鈦的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊(TLP)可以以壓力和較低溫度作為金屬間連接的主要?jiǎng)恿?，并添加其他較低熔點(diǎn)的中間層促進(jìn)擴(kuò)散，因此在焊接鎂/鈦異種合金時(shí)，可以在有效防止鎂合金燒損蒸發(fā)嚴(yán)重的同時(shí)添加其他合金元素調(diào)整界面反應(yīng)。西北工業(yè)大學(xué)的熊江濤等人[12]于2006年做了關(guān)于鎂/鈦合金TLP連接的相關(guān)研究，利用純Al中間層在適宜工藝參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了AZ31B與Ti-6Al-4V的可靠連接，研究發(fā)現(xiàn)保溫溫度影響到界面處Al元素含量峰值出現(xiàn)位置，認(rèn)為保溫時(shí)間對于界面反應(yīng)有很大的影響。

Anas M. Atieh等人[13]在Ti-6Al-4V鈦合金電鍍Ni以作為中間層實(shí)現(xiàn)了AZ31鎂合金與Ti-6Al-4V鈦合金的TLP連接，在焊接溫度520 ℃、保溫時(shí)間20 min和壓力0.2 MPa條件下可以得到最大抗拉強(qiáng)度接頭(61 MPa)，達(dá)到鎂合金母材強(qiáng)度的50%。分析發(fā)現(xiàn)，在不同的界面處接頭的連接機(jī)制不同：Ni-Ti界面一側(cè)發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散；而Ni-Mg界面一側(cè)發(fā)生熔融態(tài)的相互擴(kuò)散。為了進(jìn)一步研究Ni及Cu元素在鎂鈦合金焊接中的調(diào)控作用，Anas M. Atieh等人[14]又在鈦合金上電鍍的Ni層的基礎(chǔ)上，彌散分布Cu及Ni納米顆粒進(jìn)行鎂/鈦間的TLP連接，發(fā)現(xiàn)在單獨(dú)使用銅納米粒子時(shí)效果最好，接頭強(qiáng)度達(dá)到69 MPa，比僅使用Ni鍍層時(shí)提高了15%。三種不同粒子模式下的接頭界面微觀形貌如圖3所示。分析認(rèn)為，不同彌散納米粒子的介入在TLP連接鎂/鈦合金時(shí)會影響到界面層厚度以及界面化合物的種類，在單獨(dú)添加Ni粒子時(shí)形成Mg2Ni及Mg3AlNi2，而單獨(dú)添加Cu粒子可以使得接頭區(qū)寬度顯著減小，同時(shí)在界面形成金屬間化合物變?yōu)镃uMg2及Mg2Cu6Al5。

圖3 不同粒子模式下鎂/鈦TLP接頭界面形貌

西安科技大學(xué)的秦倩[15]研究了利用純Ni箔、Cu箔、Al箔作為中間層的鎂/鈦TLP連接。采用不同金屬箔時(shí)鎂/鈦界面的顯微結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出層狀分布，使用Al箔時(shí)在540 ℃,20 min參數(shù)下接頭強(qiáng)度最高達(dá)到71 MPa，此時(shí)斷口分析表明斷裂方式為韌性斷裂，界面處從鈦側(cè)至鎂側(cè)形成α-Ti 固溶體、Ti3Al 化合物、(α-Mg+Mg2Al)共晶組織及少量 Mg17Al12化合物。而采用Ni箔、Cu箔時(shí)接頭斷裂均有脆斷傾向。

陳建萍等人[16]主要針對添加Ni箔中間層的形式研究了鎂/鈦合金TLP連接接頭微觀組織及力學(xué)性能，焊接溫度為525 ℃、保溫時(shí)間為20 min、焊接壓力為0.2 MPa時(shí)，鎂/鈦接頭達(dá)到最大剪切強(qiáng)度 57 MPa，在接頭界面處發(fā)現(xiàn)有Mg2Ni及Mg3AlNi2化合物生成。

3 鎂/鈦的摩擦焊

TWI于1991年開發(fā)的攪拌摩擦焊技術(shù)(FSW)主要依靠攪拌頭與工件間的摩擦熱以及對熱塑化金屬材料的攪拌作用實(shí)現(xiàn)原子擴(kuò)散形成焊接接頭，此種固相連接方式能夠在一定程度上克服鎂/鈦間物理性質(zhì)差異的同時(shí)實(shí)現(xiàn)界面元素?cái)U(kuò)散，因此對于鎂/鈦的焊接具有一定優(yōu)勢[17]。近些年，日本學(xué)者M(jìn)asayuki Aonuma等針對鎂/鈦合金攪拌摩擦焊(FSW)開展了一系列的研究。首先作者研究了純鈦和AZ31鎂合金攪拌摩擦焊的焊接性[18]，通過改變攪拌頭轉(zhuǎn)速及位置實(shí)現(xiàn)了鎂/鈦的對接焊。微觀分析顯示在鈦側(cè)界面處生成了富Al的超薄層(2 μm)，靠近界面處的鈦母材組織產(chǎn)生加工硬化，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)156 MPa，接頭斷裂于攪拌區(qū)鎂合金一側(cè)。Masayuki Aonuma等人[19]又利用AZ31B,AZ61A,AZ91D三種含Al量不同的鎂合金板分別與純鈦進(jìn)行FSW焊接，以進(jìn)一步探究Al元素對鎂/鈦FSW焊接接頭界面組織的影響。三種接頭界面元素分布如圖4所示。Al元素向界面產(chǎn)生了不同程度的擴(kuò)散，界面處富Al的Ti-Al化合物層厚度將隨著鎂母材中含Al量的增加而增加，而接頭抗拉強(qiáng)度隨著鎂母材中含Al量的增加而下降。此外，Masayuki Aonuma等人[20]為抑制界面化合物的生成，利用AMCa602,AM60兩種鎂合金與純鈦進(jìn)行FSW焊接，研究Ca元素的影響。研究發(fā)現(xiàn)：使用AM60母材時(shí)，界面生成TiAl3化合物層，而使用AMCa602母材時(shí)界面由含Ca化合物層及極薄的富Al,Ti化合物層組成。作者認(rèn)為Ca在母材中的添加將導(dǎo)致Al2Ca化合物在鎂母材一側(cè)中生成，從而抑制了Al元素向界面擴(kuò)散生成TiAl3的傾向，最終使得采用AMCa602母材與鈦FSW焊接時(shí)在界面形成一層極薄的Al-Ti化合物層并使接頭具有較好的力學(xué)性能。

此外，Li Ruidi等人[21]研究了鎂合金管與鈦合金管之間旋轉(zhuǎn)摩擦焊過程中的生成熱和原子擴(kuò)散程度，作者認(rèn)為，焊接過程中摩擦因數(shù)經(jīng)過庫倫摩擦與粘著摩擦兩個(gè)階段的變化，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過程中原子快速擴(kuò)散行為，摩擦變形激活擴(kuò)散系數(shù)大約是熱激活擴(kuò)散系數(shù)的1×105倍。

圖4 不同鎂合金時(shí)鎂/鈦FSW界面及線掃描

4 鎂/鈦的激光焊

鎂/鈦異種合金性質(zhì)差異大，因此焊接接頭的界面控制精度決定著焊接質(zhì)量的高低。激光焊具有功率密度高度集中(一般可達(dá)1×105～1×107W/cm2或更高)、加熱冷卻迅速的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)焊接過程的精確可控，通過改變工藝參數(shù)顯著調(diào)整界面反應(yīng)特性，在一定程度上制約鎂合金的燒損蒸發(fā)，往往配合其他元素的調(diào)控，對于鎂/鈦異種合金焊接有特殊的效果。華中科技大學(xué)的M.Gao等人[22]利用添加鎂合金焊絲以補(bǔ)充焊接過程中鎂母材的燒損，從而實(shí)現(xiàn)了Ti-6Al-4V鈦合金與AZ31B鎂合金的激光對接焊，當(dāng)激光束中心由對接縫偏向鎂合金一側(cè)0.2 mm時(shí)強(qiáng)度最高達(dá)到200.3 MPa。微觀分析發(fā)現(xiàn)，熔合區(qū)內(nèi)存在的富Al及Ti的結(jié)構(gòu)歸因于熔融鈦與液態(tài)鎂的混合，較高強(qiáng)度接頭的界面反應(yīng)層由α-Mg固溶體及Mg-Al相組成，EDS線掃描顯示Al元素向界面處擴(kuò)散并在鎂/鈦界面反應(yīng)中扮演重要調(diào)控角色。此外，M.Gao等人[23]又采用激光深熔焊方式利用母材中自身的合金元素實(shí)現(xiàn)了不等厚板鎂/鈦異種合金的連接。其獲得鎂/鈦激光焊接頭截面宏觀形貌如圖5所示，試驗(yàn)重點(diǎn)研究了激光偏移量對于接頭強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率、焊接速度、離焦量分別固定在2.5 kW,2.5 m/min,-1 mm時(shí)，激光束中心由對接縫偏向鎂合金一側(cè)0.3 mm時(shí)接頭具有最高強(qiáng)度達(dá)到277 MPa。微觀分析發(fā)現(xiàn)：在熔合區(qū)有條狀及顆粒狀的富Ti相化合物，其形成歸因于熔融態(tài)鈦合金與鎂合金的混合；當(dāng)激光偏移至鎂側(cè)小于0.4 mm時(shí)，熱輸入量足以熔化鈦合金，在反應(yīng)層中可以發(fā)現(xiàn)Mg17Al12相，證明鈦合金中的Al元素向鎂合金一側(cè)發(fā)生了擴(kuò)散并與Mg反應(yīng)。

圖5 鎂/鈦不等厚板激光深熔焊接頭截面形貌

通過相圖及結(jié)合前期研究可知[24-25]，Al元素在鎂/鈦合金的焊接過程中扮演重要的調(diào)控角色，Al元素可以和鎂側(cè)形成較大比分的互溶，也可以和鈦側(cè)形成擴(kuò)散反應(yīng)層。近年來，有研究者通過添加Al元素實(shí)現(xiàn)鎂/鈦激光焊。Xinbin Hu等人[26]利用純Al焊絲做了鎂/鈦激光熔釬焊的研究，微觀分析發(fā)現(xiàn)整個(gè)接頭區(qū)域分為鎂合金側(cè)、反應(yīng)區(qū)、鈦合金側(cè)三區(qū)域。在反應(yīng)區(qū)與鈦合金界面出現(xiàn)了網(wǎng)狀組織以及孔洞狀組織并形成厚度僅為1～2 μm的化合物層，EDS顯示其主要含有元素為Mg,Al,Zn。檀財(cái)旺等人[27-29]利用Al元素含量高于AZ31B鎂合金母材的AZ91鎂合金焊絲進(jìn)行了鎂/鈦合金激光熔釬焊的研究。在多次試驗(yàn)改變不同參數(shù)條件下，搭接接頭的強(qiáng)度相比較于使用與鎂合金母材成分相同的AZ31焊絲時(shí)有了很大提高，最高達(dá)到2 057 N，而使用含Al量較低的鎂AZ31焊絲時(shí)接頭平均強(qiáng)度僅為1 049±227 N。微觀分析顯示，使用AZ91焊絲時(shí)在接頭熔合區(qū)與鈦合金的釬焊界面處形成明顯的連續(xù)反應(yīng)層，如圖6所示。圖7所示的EDS線掃描說明Al元素在焊接過程中明顯地向界面處產(chǎn)生了擴(kuò)散，利用選區(qū)電子衍射(SAED)分析手段對反應(yīng)層進(jìn)行物相鑒定，其結(jié)果如圖8所示為Ti3Al相，這與CMT焊接的界面反應(yīng)產(chǎn)物一致。分析認(rèn)為較薄的反應(yīng)層有助于提高鎂/鈦異種合金接頭的連接強(qiáng)度。檀財(cái)旺等人[30]還利用預(yù)置Al夾層的方式在鎂/鈦合金激光焊接過程中添加Al元素，同樣發(fā)現(xiàn)在激光直接輻照區(qū)域形成了Ti3Al相。

檀財(cái)旺等人[31]針對鎂/鈦激光熔釬焊中Al元素的行為做了熱力學(xué)分析，依托Miedema二元熱力學(xué)模型及Toop三元熱力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，在界面處Al-Ti化合物具有更高的析出驅(qū)動力，Al在Ti側(cè)化學(xué)勢較低，在界面處可實(shí)現(xiàn)上坡擴(kuò)散。

圖6 鎂/鈦激光熔釬焊接頭界面形貌

圖7 鎂/鈦激光熔釬焊界面線掃描

圖8 鎂/鈦激光熔釬焊反應(yīng)層SAED分析

此外，檀財(cái)旺等人[32]還在鈦合金板材上預(yù)先電鍍Ni，以AZ92鎂合金為焊絲進(jìn)行鎂/鈦激光熔釬焊研究同時(shí)添加Ni及Al元素時(shí)對鎂/鈦激光焊接的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍍Ni層極大提高了熔融焊絲在鈦板上的鋪展?jié)櫇裥?，使搭接接頭強(qiáng)度大幅提高，最大達(dá)2 387 N，為AZ31B鎂合金母材的88.5%。搭接接頭截面被分為激光直接輻照區(qū)、中間過渡區(qū)以及焊縫頭部區(qū)，在不同激光功率下各區(qū)內(nèi)的Al,Ni元素發(fā)生不同程度的擴(kuò)散并形成不同的微觀組織結(jié)構(gòu)。EDS線掃描顯示在界面處有Al，Ni元素的擴(kuò)散區(qū)，作者認(rèn)為，激光加熱及冷卻過程中在直接輻照區(qū)形成了Ti3Al，而在中間過渡區(qū)形成了Ni-Al相。

5 鎂/鈦的其他焊接方法

太原理工大學(xué)的武佳琪[33]研究了鎂/鈦的爆炸焊，作者利用爆炸焊制備了鎂/鈦復(fù)合板及鎂/鋁/鈦復(fù)合板，對鎂/鈦復(fù)合板界面分析顯示：鎂合金側(cè)及鈦合金側(cè)都產(chǎn)生劇烈塑性變形，并在鎂合金一側(cè)發(fā)現(xiàn)絕熱剪切帶。對鎂/鋁/鈦復(fù)合板界面分析顯示：鎂/鋁及鈦/鋁界面均發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，認(rèn)為Al元素在界面具有一定調(diào)整作用。

Patchara Pripanapong等人[34]利用一種新焊接手段——放電等離子體燒結(jié)(SPS)實(shí)現(xiàn)了鎂/鈦間的可靠連接，同樣發(fā)現(xiàn)Al元素在界面處擴(kuò)散并形成納米級別的Ti3Al 反應(yīng)層，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Ti3Al 反應(yīng)層的存在將減緩鎂/鈦界面的表面電勢的突變程度，從而提高了接頭抗電化學(xué)腐蝕能力。

大連理工大學(xué)的Daxin Ren等人[35]實(shí)現(xiàn)了鎂/鈦異種合金超聲波點(diǎn)焊(USW)連接，在一定工藝范圍內(nèi)(焊接時(shí)間<800 ms)，隨著超聲能量增加(即焊接時(shí)間延長)，接頭強(qiáng)度整體表現(xiàn)上升趨勢。顯微觀察及界面EDS線掃描、EBSD測試(圖9)均未發(fā)現(xiàn)界面生成明顯反應(yīng)層，分析認(rèn)為這歸因于USW的極低熱輸入。同樣地，由于超聲波能量在液相金屬凝固過程中的特殊作用，在界面處鎂合金一側(cè)發(fā)現(xiàn)顯著的晶粒細(xì)化。作者認(rèn)為，焊接過程中液相鎂合金中的Al元素在USW焊接鎂/鈦異種合金時(shí)起到重要調(diào)控作用。

圖9 鎂/鈦超聲波點(diǎn)焊接頭界面分析

6 鎂/鈦異種合金焊接技術(shù)的展望

鎂合金及鈦合金都是具有廣闊發(fā)展前景的新時(shí)代合金材料，鎂/鈦異種合金焊接的研究尚處于初期階段，但對于該方向的研究已取得了一定的進(jìn)展，特別是針對鎂/鈦合金間特殊的性質(zhì)差異，應(yīng)用多類特種焊接手段配合其他元素調(diào)整界面反應(yīng)使鎂/鈦實(shí)現(xiàn)了可靠連接。

但是，鎂/鈦異種合金的焊接仍然存在許多問題亟待解決：第一，對鎂/鈦焊接界面反應(yīng)以及界面金屬間化合物層成核及生長的控制研究不足，當(dāng)前的研究大多以添加鍍層等簡單方式改善界面反應(yīng)，雖可經(jīng)過探索試驗(yàn)得到較為合適的界面產(chǎn)物及厚度，但未對界面層的厚度、成分等進(jìn)行預(yù)先的精確的控制，難以進(jìn)一步優(yōu)化接頭性能，需尋找更加精確定量的控制方法調(diào)整界面反應(yīng)。第二，對鎂/鈦界面反應(yīng)、填充金屬在母材上的潤濕鋪展以及化合物形成機(jī)制的熱力學(xué)與動力學(xué)研究較少，未形成系統(tǒng)理論，加強(qiáng)對這些方面的研究將有助于對鎂/鈦連接機(jī)理的深入解釋，從而得到更佳焊接方案。第三，工藝及設(shè)備方面，對于熱輸入及熱源特性的控制研究較少，更加精確可控的焊接熱輸入對于鎂/鈦這類性質(zhì)差異大的異種金屬焊接具有重要意義，但是當(dāng)前僅限于利用已有的各類焊接熱源進(jìn)行焊接，而鮮有對熱源進(jìn)一步施加控制的研究。第四，雖然鎂/鈦異種金屬連接具有廣闊應(yīng)用前景，但是當(dāng)前其到達(dá)較大規(guī)模的實(shí)際工程應(yīng)用仍有較長距離，其歸因于中間元素的添加或TLP等方法往往帶來生產(chǎn)效率低的問題，而如激光焊等焊接方法生產(chǎn)成本也較高。因此，對上述問題的解決將有助于鎂/鈦焊接研究及應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

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TG456

2017-06-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51504074)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BS2015ZZ008)

張澤群，1993年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楫惙N材料激光焊接。

檀財(cái)旺，1986年出生，博士，講師。主要從事異種材料、特種材料、特種環(huán)境(水下)等方面的激光加工基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，已發(fā)表論文20余篇。