超薄板TA1/304異種金屬連接工藝、組織及性能

前言

超薄板鈦合金/不銹鋼異種金屬連接結構兼具鈦合金密度低、比強度高、耐腐蝕性能強和不銹鋼的較低 的成本和良好的綜合性能的特點，在軌道交通、能源化工、航空航天及日用器皿等領域需求廣泛[1?4]。

然而，鈦合金和不銹鋼兩種材料在物理性能上差異大和冶金相容性差，導致鈦合金和不銹鋼異種金屬的 焊接性較差，主要表現在：①鈦合金和不銹鋼的熱導率、線膨脹系數和比熱容等物理性能相差較大，在焊接 時容易產生較大的應力和變形；②鈦合金和不銹鋼在高溫下易反應生成脆性金屬間化合物，嚴重降低接頭性 能，甚至產生裂紋[5?7]。因此，這使得鈦合金和不銹鋼異種金屬的連接非常困難，焊接工藝復雜，焊接 成本高，焊接效率低，極大地影響了鈦合金/不銹鋼異種金屬結構在工業中的廣泛應用[8]。

近年來，鈦/鋼異種金屬的連接的研究成為了國內外學者的研究熱點，在焊接新方法、焊接工藝及機理 、焊接材料、接頭組織和性能等方面開展了廣泛和深入的研究，采用的焊接方法涵蓋釬焊、熔釬焊、壓力焊 和熔化焊等焊接方法[9?12]。

相較于釬焊與固相焊等低熱輸入焊接方法，熔焊具有焊接柔性好、焊接效率高等特點；然而，采用直接 熔焊方法會導致Ti，Fe等元素在熔池中劇烈反應，生成大量脆性金屬間化合物。因此，近些年，學者們主 要研究填充金屬及中間層等對接頭冶金行為及性能的影響[13?15]。Gao等學者[16]采用爆炸焊接制備的 TA2/Q235復合中間層，將激光分別聚焦TC4/TA2界面和Q235/304SS界面，實現了1mm厚的TC4和304 SS的雙道激光熔化焊接，該方法可防止焊接過程中形成Ti-Fe金屬間化合物。Tomashchuk等學者[17]

研究了以銅箔為中間層的鈦合金與316L奧氏體不銹鋼電子束焊接，接頭的力學性能取決于金屬間化合 物層的厚度。Fang等學者[18]使用Cu/Nb雙金屬層作為中間層，采用脈沖Nd/YAG激光焊接系統對厚度為 2mm的TC4鈦合金和AISI316L不銹鋼進行焊接，在高激光功率下，鈦合金側熔合區組織主要為 (Nb,Ti)固溶體，在Cu和Nb之間的熔合區附近會產生Ti-Cu相；當激光功率較低時，Cu-Nb熔合區的組 織被(Cu,Nb)固溶體所取代，有助于抑制裂紋。Pardal等學者[19]采用CMT冷金屬過渡技術對316L不銹 鋼和Ti-6Al-4V進行連接，用CuSi3焊絲作為填充金屬，通過控制熱輸入，控制了鈦鐵金屬間化合物的生 成，抗拉強度為200MPa。然而，針對厚度小于0.5mm的超薄板鈦合金與不銹鋼異種金屬連接難度更大， 難以采用寬度較小的過渡層實現可靠連接，必須采用過渡段；若采用雙過渡段，則會由于連接板太薄，過渡 段及母材之間的物理性能差異較大而產生較大的變形；若采用單過渡段，必須要優化選材和工藝，避免生成 新的金屬間化合物。

如何有效避免超薄板鈦合金/不銹鋼焊縫脆性組織的生成所導致的性能下降甚至開裂，如何減小由于鈦 合金/不銹鋼異種金屬物理性能的差異所導致的較大焊接應力和變形，如何避免各種焊接缺陷是超薄板鈦合 金/不銹鋼異種金屬連接需要解決的核心問題。為了解決該連接難題，該文開發了一種超薄板鈦合金/不銹鋼 異種金屬連接新工藝，采用單過渡段，并通過優化組合工藝，精確控制熱輸入，實現了超薄板異種金屬高質 量連接。

1　試驗材料、設備與方法

試驗母材為TA1板和304不銹鋼板，厚度為0.4mm，根據TA1和304的化學成分、物理及化學性能特點，設 計的過渡段為純鈮板，對TA1/Nb板的連接，采用ERTi-1鈦合金焊絲，對304不銹鋼/Nb板的連接，采 用S214鋁青銅焊絲，并設定304不銹鋼/純鈮板對接間隙以形成銅隔離層，最終形成TA1-Nb-Cu-304組 合連接結構，TA1/304組合連接工藝示意圖如圖1所示，焊絲直徑均為1.0mm，母材和焊絲成分見表1。 母材與過渡段的力學性能見表2。

該方法的基本原理如下：第一，由于ERTi-1鈦合金焊絲、TA1鈦合金和純鈮三者之間冶金相容性均好 ，使得TA1/Nb的連接焊縫不會形成金屬間化合物；第二，S214焊絲與304不銹鋼冶金相容性好，且 S214焊絲熔點顯著低于純鈮的熔點，焊接時將S214焊絲的軸向延伸線與純鈮表面交點與距離純鈮的被連接 端面最近的點相距合適的距離，確保純鈮微熔化，不會形成釬焊連接，以及由于鈮熔點高、熔化少，在熔池 中擴散距離短，能避免形成脆性組織；同時，由于S214焊絲偏離不銹鋼一側，使得304不銹鋼板熱輸入低 ，熔化少，不會焊穿；第三，通過設定合適的純鈮和不銹鋼端面間距，采用S214銅基焊絲填充間隙，以起 到隔離不銹鋼和金屬過渡段純鈮的作用。這主要由于S214銅基焊絲熔化后流動性好，進入間隙，形成一定 寬度的銅基隔離層，實現單面焊雙面成形，由于純鈮和304不銹鋼熔化很少，Nb元素和304不銹鋼中的 各種元素擴散距離短，形成的銅基隔離層能夠阻礙Nb元素和不銹鋼中的Fe，Ni，Cr等元素的接觸；同時 ，由于S214銅基焊絲與金屬過渡段純鈮和304不銹鋼的化學相容性均好，這樣S214銅基焊絲熔化后填充 間隙形成的隔離層，能夠有效避免金屬過渡段鈮和304不銹鋼的直接接觸，消除金屬間化合物等脆性組織 [20]。

采用的焊機牌號為CMTAdvanced4000Rnc，對Ti/Nb連接焊縫采用HCl∶HNO3=3∶1(體積比) 溶液和HF溶液腐蝕，對Nb/304連接焊縫采用HCl∶HNO3=3∶1(體積比)溶液腐蝕，采用LEICADMi8型 金相顯微鏡觀察微觀組織，采用HitachiSU8010型場發射掃描電子顯微鏡和能譜儀分析元素分布和變化。 TA1/Nb焊接接頭拉伸試樣尺寸如圖2所示，304/Nb焊接接頭拉伸試樣尺寸如圖3所示。

2、試驗結果與分析

2.1　超薄板TA1/304連接工藝

采用的焊接模式為CMT，保護氣體為純氬氣，流量為20L/min，設定Nb/304板的間隙為1mm，TA1/304 板的組合連接工藝參數見表3，Nb/304-1號和Nb/304-2號的S214鋁青銅焊絲的軸向延伸線與純鈮過渡段的 表面交點與距離純鈮過渡段的被連接端面最近的點的距離分別為1.5mm和0.5mm。圖4為TA1/304異 種金屬焊接接頭宏觀形貌。可以看到，TA1/Nb-1號焊縫反面出現了較為嚴重的未焊透缺陷，這是由于焊接 速度較快，熱輸入較低導致，TA1/Nb-2號焊縫正反面成形良好，焊縫寬度一致，沒有焊接缺陷； Nb/304-1號焊縫兩板材未能成功熔合，這是由于焊絲向Nb金屬過渡段偏移量過大導致，當熔化的Cu基焊 絲鋪展至焊縫時，熔池熱量無法熔化304不銹鋼，導致兩金屬薄板對接處未能熔合，Nb/304-2號焊縫正面 和反面寬度均勻一致，成形良好，無焊穿、塌陷、咬邊、未熔合等缺陷。圖5為對應工藝優良的TA1/Nb-2號 和Nb/304-2號的Nb/304異種金屬接頭橫截面。

2.2　組合連接焊縫微觀組織

圖6為超薄板TA1/Nb焊接接頭金相組織。從圖6(a)可以看出，形成了Nb/Ti界面，由于Nb熔點 高，Nb金屬過渡段熔化量較少，界面處熔合線形狀規則，過渡區較窄，Nb/Ti界面無氣孔、未熔合、裂紋 等缺陷；從圖6(b)可以看出，Ti焊縫主要為α-Ti片層狀組織和少量β-Ti組織。圖7為304/Nb焊 接接頭金相組織。從圖7(a)可以看出，Cu/Nb界面處形成了較窄的過渡區，由于焊絲指向Nb側，盡管 Nb熔點高，但是使得Nb發生了微量熔化，并向Cu基焊縫擴散較少；從圖7(b)可以看出，304不銹鋼 母材熔化量也較少，在Cu/304界面處生成了較多不規則形狀的灰色組織。由于Cu基焊縫熔點最低，在凝 固過程中，液相Cu發生非自發形核，非自發晶核依附在兩個界面處半熔化狀態母材晶粒表面，以柱狀晶的 形式向焊縫中心生長。

2.3　Nb-Cu-304不銹鋼焊縫界面元素分布

圖8為304/Cu界面處微觀組織及EDS掃描結果。可以看出，304/Cu界面處冶金結合良好，在界面 Cu焊縫側彌散分布著許多球形小顆粒；從圖8(b)可以看出，該處對應Fe元素分布，判斷為Fe基固溶體 。從圖8(c)可以看出，界面處304焊縫側，銅元素分布很少。從圖8(d)線掃描可以看出，304/Cu界面 處Fe，Cu，Al，Cr，Ni等元素在界面兩側變化劇烈；在304母材側，Fe，Ni，Cr等元素含量穩定在一定 范圍內，而Cu元素和Al元素含量基本為零；在界面處Cu區一側，Cu元素含量急劇上升，Al元素含量 穩定在一定范圍內，而Fe，Cr，Ni等元素降低至基本為零，Nb元素在304/Cu界面處的含量也基本為零。 這說明Cu基焊縫對Fe，Cr，Ni等元素的擴散有良好的抑制效果，有效隔離了Nb與304不銹鋼中的Cr ，Ni和Fe元素的接觸和反應。

圖9為Nb/Cu界面的微觀組織及EDS掃描結果。

從圖9(a)可以看出，Cu/Nb界面結合良好，由于Nb的熔點較高，Nb熔化量較少，界面處形成了結晶 區，尺寸為30μm；結晶區顯示，從Nb基體一側生長出針片狀組織，向Cu基焊縫延伸。圖9(b)顯示 ，結晶區的針片狀組織主要由Nb元素組成，針片狀組織之間分布Cu元素。圖9(c)顯示Cu元素未擴散 到Nb基體。從圖9(d)線掃描結果可以看出，Nb元素和Cu元素含量變化較為明顯，Cu元素在界面處急 速降低，而Nb元素含量發生了兩次跳躍性的變化，在結晶區含量第一次急速升高，到達Nb金屬過渡段側 后，Nb元素含量再次升高，界面兩側幾乎不含Cr，Ni和Fe元素，Al元素主要分布在Cu基焊縫處，說明 Nb發生了微熔化，并且擴散距離較短，主要在結晶區，這樣Cu基焊縫有效阻擋了Nb的擴散，防止了Nb 與304不銹鋼中的Cr，Ni和Fe元素接觸和反應。

2.4　組合連接接頭拉伸性能分析

圖10為TA1/304焊接接頭室溫拉伸試樣斷裂圖，超薄板TA1/Nb焊接接頭抗拉強度為326MPa，斷 后伸長率為18.5%，斷裂位置在TA1母材上，超薄板304/Nb焊接接頭抗拉強度為467MPa，斷后伸長率為 22.1%，斷裂位置在Nb過渡段上。圖11為TA1/304焊接接頭室溫拉伸斷口形貌，兩個接頭斷口處均分布 大量等軸韌窩，斷裂類型均為韌性斷裂，TA1/Nb焊接接頭TA1斷口處韌窩尺寸較小，韌窩深度較淺， 304/Nb焊接接頭Nb斷口處韌窩尺寸較大。

3、結論

（1）設計了組合連接工藝，使用Nb作為過渡段，采用ERTi-1鈦合金焊絲連接TA1/Nb板，采用 S214鋁青銅焊絲連接Nb/304板，設定Nb/304板的間隙為1mm，并將鋁青銅焊絲指向Nb板一側，形成 TA1-Nb-Cu-304組合連接結構，焊接過程穩定，焊縫成形良好，焊縫分區明顯，界面結合良好，實現了冶金 結合。

（2）對于Nb/304焊接接頭，Fe/Cu界面處Cu基焊縫有效阻擋了Fe，Cr，Ni等元素的擴散，Nb/Cu 界面處Cu基焊縫有效阻擋了Nb元素的擴散，從而避免了Nb與Cr，Ni和Fe元素接觸和反應，抑制了 金屬間化合物的生成。

（3）TA1/Nb焊接接頭抗拉強度為326MPa，斷后伸長率為18.5%，斷裂位置在TA1母材上，304/Nb 焊接接頭抗拉強度為467MPa，斷后伸長率為22.1%，斷裂位置在Nb過渡段上。

參考文獻

［1］王廷, 謝志尚, 馮吉才, 等. 鈦合金與異種金屬的高能束焊接研究現狀 [J]. 焊接, 2015(10): 18 ? 22.

Wang Ting, Xie Zhishang, Feng Jicai, et al. Research status of high-energy beam welding of titanium alloys with dissimilar metals[J]. Welding & Joining, 2015(10): 18 ? 22.

［2］ 呂攀, 王克鴻, 朱和國. 鈦合金與不銹鋼異種金屬焊接的研究現狀 [J]. 熱加工工藝, 2017, 46(13): 26 ? 32.

Lv Pan, Wang Kehong, Zhu Heguo. Research Status of titanium alloy and stainless steel dissimilar metal welding [J]. Hot Working Technology, 2017, 46(13): 26 ? 32.

［3］ 郝曉虎. TC4 鈦合金/304 不銹鋼薄板鎢極氬弧焊接頭組織及性能研究 [D]. 遼寧大連: 大連理 工大學, 2020.

Hao Xiaohu. Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy/304 stainless steel sheets gas tungsten arc welded joint [D]. Dalian, Liaoning, China: Dalian University of Technology, 2020.

［4］ 常敬歡, 曹睿, 閆英杰. 鈦合金/不銹鋼冷金屬過渡焊接頭組織及性能 [J]. 焊接學報, 2021, 42(6): 44 ? 51.

Chang Jinghuan, Cao Rui, Yan Yingjie. Microstructure and properties of titanium alloy/stainless steel joint by cold metal transfer joining technology[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2021, 42(6): 44 ? 51.

［5］ 朱瑞, 李國選, 汪月勇, 等. TC4 鈦合金-316L 不銹鋼真 空釬焊接頭組織與性能研究 [J]. 有 色金屬工程, 2021,11(12): 8 ? 14.

Zhu Rui, Li Guoxuan, Wang Yueyong, et al. An investi-gation on microstructure and mechanical properties of vacuum brazed TC4 titanium to 316L stainless steel[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2021, 11(12): 8 ? 14.

［6］郭青蔚, 王桂生, 郭庚辰. 常用有色金屬二元合金相圖集[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010.

Guo Qingwei, Wang Guisheng, Guo Gengchen. Atlas of commonly used non-ferrous metal binary alloy phase[M].Beijing, China: Chemical Industry Press, 2010.

［7］ 余騰義, 陳樹海, 劉珂, 等. 釩作中間層的TC4 鈦合金與316L不銹鋼雙道激光焊接 [J]. 鋼鐵釩 鈦, 2023, 44(2): 92 ? 97.

Yu Tengyi, Chen Shuhai, Liu Ke, et al. Two pass laser welding of TC4 titanium alloy and 316L stainless steel with vanadium interlayer[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2023, 44(2): 92 ? 97.

［8］ Tomashchuk I, Grevey D, Sallamand P. Dissimilar laser welding of AISI 316L stainless steel to Ti6-Al4-6V alloy via pure vanadium interlayer[J]. Materials Science & Engi-neering: A, 2015, 622: 37 ? 45.

［9］ Xia Yueqing, Dong Honggang, Hao Xiaohu, et al. Vacuum brazing of Ti6Al4V alloy to 316L stainless steel using a Ti-Cu-based amorphous filler metal[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 269: 35 ? 44.

［10］ Jin Peng, Liu Yibo, Sun Qingjie, et al. Wetting mechanism and microstructure evolution of TC4/304 stainless steel joined by CMT with an assisted hybrid magnetic field[J].Journal of Alloys and Compounds, 2019, 819: 152951.

［11］ Song T F, Jiang X S, Shao Z Y, et al. Microstructure and mechanical properties of vacuum diffusion bonded joints between Ti-6Al-4V titanium alloy and AISI316L stainless steel using Cu/Nb multi-interlayer[J]. Vacuum, 2017, 145:68 ? 76.

［12］ Cheng Zhi, Huang Jihua, Ye Zheng, et al. Butt brazing of titanium alloys/stainless steel plates by MIG-TIG double-sided arc welding process with copper filler metal[J].Journal of Materials Research and Technology, 2019, 8 (1):1566 ? 1570.

［13］ Adomako N K, Kim J O, Lee S H, et al. Dissimilar welding between Ti-6Al- 4V and 17-4PH stainless steel using a vanadium interlayer [J]. Materials Science & Engineering:A, 2018, 732: 378 ? 397.

［14］Zhang Y, Sun D Q, Gu X Y, et al. Nd: YAG pulsed laser welding of TC4 Ti alloy to 301L stainless steel using Ta/V/Fe composite interlayer[J]. Materials Letters, 2017,212: 54 ? 57.

［15］ Li W, Yan L, Karnati S, et al. Ti-Fe intermetallics analysis and control in joining titanium alloy and stainless steel by laser metal deposition[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 242: 39 ? 48.

［16］ Gao Yidi, Zhou Jianping, Zhang Yan, et al. Two pass laser welding of TC4 titanium alloy and 304 stainless steel using TA2-Q235 composite interlayer[J]. Materials Letters, 2019,255: 126521.

［17］ Tomashchuk I, Sallamand P, Belyavina N, et al. Evolution of microstructures and mechanical properties during dissimilar electron beam welding of titanium alloy to stainless steel via copper interlayer[J]. Materials Science & Engineering: A, 2013, 585: 114 ? 122.

［18］ Fang Yongjian, Jiang Xiaosong, Song Tingfeng, et al.Pulsed laser welding of Ti-6Al-4V titanium alloy to AISI 316L stainless steel using Cu/Nb bilayer[J]. Materials Letters, 2019, 244: 163 ? 166.

［19］ Pardal G, Ganguly S, Williams S, et al. Dissimilar metal joining of stainless steel and titanium using copper as transition metal[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 86(5-8): 1139 ? 1150.

［20］ 陳國慶, 甘展華, 張戈, 等. 鈮合金與不銹鋼異種金屬焊接技術研究進展 [J]. 航空制造技術, 2023, 66(19): 93 ? 99.

Chen Guoqing, Gan Zhanhua, Zhang Ge, et al. Research progress of welding technology between niobium alloy and stainless steel dissimilar metal[J]. Aeronautical Manu-facturing Technology, 2023, 66(19): 93 ? 99.

第一作者：　郜雅楠，博士，講師；主要從事輕質耐熱金屬基復合材料制備及連接等方向的研究； gaoyn@stdu.edu.cn。

通信作者：　胡連海，博士，副教授；主要從事高性能金屬材料制備及異種金屬連接等方向的研究； lianhai_hu@stdu.edu.cn。

相關鏈接