常敬歡，余剛，曹睿，閆英杰，隋然，席筱蓓

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院,蘭州,730050；2.華東理工大學(xué),上海,200237；3.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,南昌,330096；4.蘭州理工大學(xué),蘭州,730050)

0 序言

鈦合金/不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)兼具不銹鋼良好的強(qiáng)韌性和鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于石油、化工、航空、航天、海洋等領(lǐng)域[1-4].但是由于鈦合金和不銹鋼在物理化學(xué)和冶金性能方面存在較大的差異[5-7]，直接焊接后接頭中存在大量硬脆的Ti-Fe 金屬間化合物(intermetallic compounds，IMCs)，嚴(yán)重降低了接頭的力學(xué)性能，極大地限制了該結(jié)構(gòu)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用.因此，為了避免硬脆IMCs 的生成，不少學(xué)者采用低熱輸入的焊接方法和添加中間填充金屬的方法進(jìn)行鈦合金、不銹鋼異種金屬的焊接[8-14].

通過大量研究發(fā)現(xiàn)，目前主要采用低熱輸入的焊接方法有爆炸焊、擴(kuò)散連接、摩擦焊等，畢志雄等人[15]實現(xiàn)了200 μm 厚的鈦箔與Q235 鋼爆炸焊接，研究發(fā)現(xiàn)鈦/鋼接頭以熔化方式結(jié)合，焊縫中存在FeTi，F(xiàn)e2Ti IMCs.Vigraman 等人[16]對鈦合金和不銹鋼進(jìn)行擴(kuò)散連接，結(jié)果表明，在900 ℃、4 MPa、保溫60 min 焊接+750 ℃、2 h 退火處理后可獲得242.6 MPa 的鈦合金/不銹鋼擴(kuò)散連接接頭.Li 等人[17]獲得了無缺陷的鈦合金/鋼摩擦焊接頭，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為950 r/min 時，接頭中形成較薄的Ti-Fe 反應(yīng)層，所有的接頭均沿鋼母材發(fā)生斷裂.在添加填充金屬方面的研究發(fā)現(xiàn)，Wang 等人[18]分別采用Ni，V，Ag，Cu 填充金屬進(jìn)行鈦合金、不銹鋼電子束焊接，結(jié)果表明，采用Ni 和V 填充金屬后，接頭中均存在Ti-Fe IMCs，采用Cu 填充金屬后，接頭中主要存在Cu-Ti IMCs，采用Ag 填充金屬后，接頭的抗拉強(qiáng)度最高為310 MPa.Hao 等人[19]采用(CoCrFeNi)100-xCux高熵合金填充金屬進(jìn)行鈦合金/不銹鋼激光焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充金屬為(CoCrFeNi)66.67Cu33.33時，接頭的抗拉強(qiáng)度最高為161 MPa.Zhang 等人[20]采用銅箔進(jìn)行鈦合金和不銹鋼激光焊接，得到的鈦合金/不銹鋼激光焊接頭抗拉強(qiáng)度為210 MPa.牛小男等人[21]采用鎳鋁青銅填充金屬進(jìn)行鈦合金和不銹鋼激光焊接，研究發(fā)現(xiàn)，接頭中仍存在少量的Ti-Fe IMCs，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)290 MPa.由此可見，采用低熱輸入的焊接方法和添加填充金屬后，部分接頭中仍存在Ti-Fe IMCs 且接頭強(qiáng)度較低.

冷金屬過渡(cold metal transfer，CMT)焊接技術(shù)具有低熱輸入、飛濺少、超薄板焊接等優(yōu)點(diǎn)，尤其在控制IMCs 的含量方面具有明顯效果[22-24].基于此，文中采用鎳鋁青銅焊絲-純鎳箔片(銅-鎳)復(fù)合填充金屬對Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金、304 不銹鋼進(jìn)行CMT 焊接，研究銅-鎳復(fù)合填充金屬對TC4 鈦合金/304 不銹鋼焊接接頭的微觀組織、化合物組成以及力學(xué)性能的影響，為鈦/鋼異種金屬焊接接頭的組織改善和性能提高提供理論基礎(chǔ)與工藝參考.

1 試驗方法

試驗材料為304 不銹鋼和TC4 鈦合金，尺寸均為100 mm × 50 mm × 1 mm，填充金屬為φ1.2 mm 的鎳鋁青銅焊絲(ERCuNiAl)和30 μm 厚的鎳箔(純度為99.99%)，其化學(xué)成分如表1 所示.

表1 材料的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of materials

采用奧地利福尼斯公司的CMT 3 200 焊機(jī)(一元化程序)對304 不銹鋼和TC4 鈦合金進(jìn)行搭接焊接，焊接過程中，母材的搭接方式為304 不銹鋼在上TC4 鈦合金在下，搭接量為10 mm，焊槍與母材呈45°，如圖1 所示.表2 為CMT 焊接工藝參數(shù)，采用99.9%的氬氣，氣體流量為15 L/min.文中主要分析4 號試樣的微觀組織和力學(xué)性能.

圖1 冷金屬過渡焊接示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of CMT welding

表2 CMT 焊的工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of CMT welding

焊接前通過機(jī)械打磨的方法去除304 不銹鋼母材表面的氧化膜，通過化學(xué)清洗的方法(5%～10%氫氧化鈉溶液和30%硝酸溶液)對TC4 鈦合金表面的氧化膜進(jìn)行去除，表面氧化膜去除后用丙酮沖洗，吹干待用.焊接完成后，采用線切割加工金相和拉伸試樣，通過打磨、拋光制備金相試樣，采用配備能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)的JSM-6700 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對接頭的微觀組織進(jìn)行觀察和分析；采用HVT-1000A 型維氏硬度計測試接頭的顯微硬度分布，測試參數(shù)：加載載荷0.98 N，加載時間10 s；按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》規(guī)定制備拉伸試樣，采用AGS-X300 kN 型電子萬能試驗機(jī)測試接頭的拉伸性能，拉伸速度為0.5 mm/min.拉伸過程中，兩側(cè)夾持端放置墊板，減少拉伸過程中的扭轉(zhuǎn)作用，每個焊接工藝參數(shù)下制備3 個平行試樣，取其平均值為拉剪強(qiáng)度；采用SEM 對焊接接頭的斷口形貌和斷口側(cè)面進(jìn)行觀察，采用D8Discover25 型X 射線衍射儀(Xray diffractometer，XRD)對焊接接頭的斷口成分進(jìn)行分析.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鈦合金/不銹鋼接頭的微觀形貌

添加鎳鋁青銅焊絲和純鎳中間層的TC4 鈦合金/304 不銹鋼異種金屬焊接接頭結(jié)合良好，無夾雜、孔洞等焊接缺陷.焊接電流為182 A 時TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的橫截面形貌如圖2 所示.TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭主要由304 不銹鋼側(cè)界面A、304 不銹鋼-純鎳-TC4 鈦合金界面B、TC4鈦合金側(cè)界面C 和焊縫金屬(weld metal，WM)D 組成.從圖2 可以看出，304 不銹鋼母材和TC4 鈦合金母材均發(fā)生熔化，熔化后的輪廓如圖2 中白色的虛線所示.

圖2 TC4/Cu-Ni/304 接頭的橫截面形貌Fig.2 Cross section morphology of TC4/Cu-Ni/304 joint

2.2 鈦合金/不銹鋼接頭不同位置的微觀組織

2.2.1 不銹鋼側(cè)界面的微觀組織

圖3 為TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭中不銹鋼側(cè)界面的微觀組織(圖2 中A 區(qū)).從圖3 可以看出，304 不銹鋼母材與焊縫金屬界面結(jié)合良好，無明顯反應(yīng)層生成.對各點(diǎn)的成分進(jìn)行EDS 測試，其原子含量如表3 所示.304 不銹鋼側(cè)界面中淺灰色的基體相1 推斷為銅固溶體和Al3Ti 相，深灰色的相2 為Fe-Cr-Al IMCs.

圖3 TC4/Cu-Ni/304 接頭不銹鋼側(cè)界面的微觀組織Fig.3 Microstructure of interface at the stainless steel side of TC4/Cu-Ni/304 joint

表3 圖3 和圖4 中各點(diǎn)的EDS 測試結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 3 EDS test results of each point in Fig.3 ? Fig.4

2.2.2 不銹鋼-純鎳-鈦合金界面的微觀組織

圖4 為TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭中不銹鋼-純鎳-TC4 鈦合金界面的微觀組織(圖2 中B 區(qū)).從圖4a 可以看出，304 不銹鋼-純鎳-TC4 鈦合金界面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，由304 不銹鋼-純鎳界面區(qū)域I 和純鎳-TC4 鈦合金界面組成，其相應(yīng)區(qū)域放大的SEM 圖像如圖4b～ 圖4e 所示.其中，純鎳-TC4 鈦合金界面根據(jù)化合物的形貌分為II，III，IV 3 個區(qū)域.

圖4 TC4/Cu-Ni/304 接頭不銹鋼-純鎳-鈦合金界面I,II,III,IV 區(qū)域的微觀組織Fig.4 Microstructure of I,II,III,IV region of interface from stainless steel to pure nickel to titanium alloy of TC4/Cu-Ni/304 joint.(a) interface from stainless steel to pure nickel to titanium alloy;(b) I region;(c) II region;(d) III region;(e) IV region

結(jié)合EDS 測試結(jié)果，304 不銹鋼-純鎳界面區(qū)域I 由Fe 固溶體和TiNi3IMCs(相3)組成，如圖4b 所示.純鎳-TC4 鈦合金界面II 區(qū)深灰色的基體相4 由Ni 固溶體和TiNi3IMCs 組成，淺灰色的相5 由TiNi3和TiNi 雙相IMCs 組 成，如圖4c 所示.臨近II 區(qū)的III 區(qū)由TiNi3和TiNi 雙相IMCs(相6)、TiNi 和TiNi2雙相IMCs(相7)組成，如圖4d 所示.IV 區(qū)由Ti-Al-Ni IMCs(相8)、Ti 固溶體和TiNi2IMCs(相9)組成，如圖4e 所示.

2.2.3 鈦合金側(cè)界面和焊縫金屬的微觀組織

圖5 為TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭中TC4 鈦合金側(cè)界面和焊縫金屬的微觀組織(圖2 中C 區(qū)).從圖5a 可以看出，TC4 鈦合金側(cè)界面存在明顯的反應(yīng)層，化合物形貌復(fù)雜，分為I，II，III 3 個區(qū)域，其相應(yīng)區(qū)域放大的SEM 圖像如圖5b～ 圖5d 所示.結(jié)合EDS 測試結(jié)果(表4)，由原子含量計算推斷，靠近TC4 鈦合金側(cè)I 區(qū)由Ti2Cu 和AlTi3雙相IMCs(相 10)、AlCuTi 和 AlCu2Ti 雙 相 IMCs(相11)組成，如圖5b 所示.臨近I 區(qū)的II 區(qū)，由TiCu 和 Ti2Cu 雙 相 IMCs(相 12)、AlCuTi 和AlCu2Ti 雙相IMCs(相13)組成，如圖5c 所示.III 區(qū)由Al-Ni-Ti-Fe-Cu IMCs(相14)和淺灰色的基體相(相15)組成，其中基體相為銅固溶體和Al3Ti 相，如圖5d 所示.圖5e 為TC4 鈦合金/304不銹鋼接頭中焊縫金屬的微觀組織(圖2 中D 區(qū)).結(jié)合EDS 能譜測試結(jié)果，焊縫金屬主要由深灰色的Al-Ni-Ti-Fe-Cu IMCs(相16)、淺灰色的銅固溶體和Al3Ti 相(相17)組成.

圖5 TC4/Cu-Ni/304 接頭鈦合金側(cè)界面和焊縫金屬的微觀組織Fig.5 Microstructure of regions on interface at the titanium alloy side and weld metal of TC4/Cu-Ni/304 joint.(a)interface at the titanium alloy side of TC4/Cu-Ni/304 joint;(b) I region;(c) II region;(d) III region;(e) WM

表4 圖5 中各點(diǎn)的EDS 測試結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 4 EDS test results of each point in Fig.5

2.3 鈦合金/不銹鋼接頭的力學(xué)性能

2.3.1 鈦合金/不銹鋼接頭的顯微硬度分布

圖6 為TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭中不同區(qū)域的顯微硬度分布.圖6a 為TC4 鈦合金母材/純鎳中間層/304 不銹鋼母材/焊縫金屬的顯微硬度分布曲線.TC4 鈦合金母材(TC4 BM)和304 不銹鋼母材(304 BM)的顯微硬度平均值分別為346，209 HV，焊縫金屬的顯微硬度平均值為211 HV.純鎳中間層的顯微硬度平均值最低，為121 HV.整個曲線中的顯微硬度最大值出現(xiàn)在TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層(interface reaction layer，IRL)區(qū)域，為681 HV.TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層的顯微硬度明顯高于母材和焊縫金屬的顯微硬度，主要由于界面反應(yīng)層生成Ti-Cu IMCs.TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層的顯微硬度平均值(585 HV)明顯高于純鎳-TC4 鈦合金界面反應(yīng)層(Ni-TC4 IRL)的顯微硬度平均值(239 HV)，表明Ti-Cu IMCs 的顯微硬度高于Ti-Ni IMCs 的顯微硬度[25]，且Ti-Cu，Ti-Ni IMCs 的顯微硬度明顯低于Ti-Fe IMCs 的顯微硬度(1 000 HV)[26].因此，添加銅-鎳復(fù)合填充金屬降低了接頭中IMCs 的顯微硬度.

圖6 不同焊接電流下TC4/Cu-Ni/304 接頭的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution of TC4/Cu-Ni/304 joint with different welding current.(a) region from TC4 to pure nickel interlayer to 304 to WM;(b)region from TC4 to WM

圖6b 為TC4 鈦合金母材/焊縫金屬的顯微硬度分布.TC4 鈦合金母材和焊縫金屬的顯微硬度平均值分別為341，220 HV.TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層的顯微硬度明顯高于TC4 鈦合金母材和焊縫金屬的顯微硬度，主要由于界面生成了大量的Ti-Cu IMCs，其顯微硬度平均值為601 HV.此外，隨著焊接電流的增大，TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層的顯微硬度逐漸增大，最大值為703 HV，且反應(yīng)層的寬度也逐漸變寬.

2.3.2 鈦合金/不銹鋼接頭的拉伸性能

圖7 為不同焊接電流下TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的拉剪強(qiáng)度.從圖7 可以看出，添加銅-鎳復(fù)合填充金屬后，隨著焊接電流的增大，TC4 鈦合金/304不銹鋼接頭的拉剪強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)焊接電流為182 A 時，TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的拉剪強(qiáng)度最大，為348 MPa.其中焊接電流為171 A 時，TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的平均拉剪強(qiáng)度降低是拉伸試樣取樣位置靠近焊縫弧坑位置所致.隨著焊接電流的增大，接頭中硬度相對較低的Ti-Ni IMCs 含量增加，有利于接頭性能的提高.當(dāng)焊接電流大于182 A 時，由于焊接熱輸入較高，TC4 鈦合金/304 不銹鋼焊縫表面出現(xiàn)缺陷，焊后直接開裂.與僅添加銅填充金屬的TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的研究結(jié)果對比[27]，添加銅-鎳復(fù)合填充金屬的TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的拉剪強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)焊接電流為182 A 時，拉剪強(qiáng)度提高18%.添加銅-鎳復(fù)合填充金屬后，相比于Ti-Cu 和Ti-Fe IMCs 而言，TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭中形成硬度相對較低的Ti-Ni IMCs，提高了接頭的拉剪強(qiáng)度.

圖7 不同焊接電流下TC4/Cu-Ni/304 接頭的拉剪強(qiáng)度Fig.7 Tensile-shear strength of TC4/Cu-Ni/304 joint with different welding current

圖8 為焊接電流為182 A 時TC4 鈦合金/304不銹鋼接頭的斷口分析結(jié)果.采用Cu-Ni 復(fù)合填充金屬焊接后TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的斷口表面如圖8a 所示.斷口表面呈河流狀，表現(xiàn)為脆性斷裂.結(jié)合圖8b 可以看出，接頭斷裂在304 不銹鋼-純鎳-TC4 鈦合金界面區(qū)域.對同一焊接參數(shù)下采用Cu 填充金屬焊接后TC4 鈦合金/304 不銹鋼接頭的斷口表面和斷口側(cè)面進(jìn)行分析，TC4 鈦合金/銅/304 不銹鋼接頭沿TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層發(fā)生脆性斷裂，分別如圖8c 和圖8d 所示.TC4 鈦合金/銅-鎳/304 不銹鋼接頭的斷口表面由Ti-Ni，Ti-Cu 化合物組成，如圖9 所示.

圖8 TC4/304 接頭的斷口分析Fig.8 Fracture analysis of TC4/304 joint.(a) fracture surface of TC4/Cu-Ni/304 joint;(b) fracture side of TC4/Cu-Ni/304 joint;(c) fracture surface of TC4/Cu/304 joint;(d) fracture side of TC4/Cu/304 joint

圖9 TC4/Cu-Ni/304 接頭的斷口表面XRD 圖譜Fig.9 XRD pattern of fracture surface of TC4/Cu-Ni/304 joint

3 結(jié)論

(1) 采用銅-鎳復(fù)合填充金屬實現(xiàn)了TC4 鈦合金和304 不銹鋼的CMT 焊接，得到了無焊接缺陷的接頭.TC4 鈦合金/銅-鎳/304 不銹鋼焊接接頭斷裂在304 不銹鋼-純鎳-TC4 鈦合金界面，當(dāng)焊接電流為182 A 時，TC4 鈦合金/銅-鎳/304 不銹鋼接頭的拉剪強(qiáng)度最大為348 MPa，較TC4 鈦合金/銅/304 不銹鋼接頭的拉剪強(qiáng)度提高18%.

(2) TC4 鈦合金/銅-鎳/304 不銹鋼焊接接頭由304 不銹鋼側(cè)界面、304 不銹鋼-純鎳-TC4 鈦合金界面、TC4 鈦合金側(cè)界面和焊縫金屬組成.接頭中形成了Ti-Cu，Ti-Ni，Al-Cu-Ti 和Al-Ni-Ti-Fe-Cu IMCs.304 不銹鋼側(cè)界面無反應(yīng)層生成.

(3) TC4 鈦合金/銅-鎳/304 不銹鋼焊接接頭中形成硬度相對Ti-Fe，Ti-Cu IMCs 較低的Ti-Ni IMCs，顯微硬度平均值為239 HV，改善了接頭的拉剪強(qiáng)度.接頭中TC4 鈦合金側(cè)的Ti-Cu IMCs 顯微硬度最高為703 HV.隨著焊接電流的增大，TC4 鈦合金側(cè)界面反應(yīng)層的顯微硬度逐漸增大，且反應(yīng)層的寬度也逐漸變寬.