超薄板TA1/304异种金属连接工艺、组织及性能

前言

超薄板钛合金/不锈钢异种金属连接结构兼具钛合金密度低、比强度高、耐腐蚀性能强和不锈钢的较低 的成本和良好的综合性能的特点，在轨道交通、能源化工、航空航天及日用器皿等领域需求广泛[1−4]。

然而，钛合金和不锈钢两种材料在物理性能上差异大和冶金相容性差，导致钛合金和不锈钢异种金属的 焊接性较差，主要表现在：①钛合金和不锈钢的热导率、线膨胀系数和比热容等物理性能相差较大，在焊接 时容易产生较大的应力和变形；②钛合金和不锈钢在高温下易反应生成脆性金属间化合物，严重降低接头性 能，甚至产生裂纹[5−7]。因此，这使得钛合金和不锈钢异种金属的连接非常困难，焊接工艺复杂，焊接 成本高，焊接效率低，极大地影响了钛合金/不锈钢异种金属结构在工业中的广泛应用[8]。

近年来，钛/钢异种金属的连接的研究成为了国内外学者的研究热点，在焊接新方法、焊接工艺及机理 、焊接材料、接头组织和性能等方面开展了广泛和深入的研究，采用的焊接方法涵盖钎焊、熔钎焊、压力焊 和熔化焊等焊接方法[9−12]。

相较于钎焊与固相焊等低热输入焊接方法，熔焊具有焊接柔性好、焊接效率高等特点；然而，采用直接 熔焊方法会导致Ti，Fe等元素在熔池中剧烈反应，生成大量脆性金属间化合物。因此，近些年，学者们主 要研究填充金属及中间层等对接头冶金行为及性能的影响[13−15]。Gao等学者[16]采用爆炸焊接制备的 TA2/Q235复合中间层，将激光分别聚焦TC4/TA2界面和Q235/304SS界面，实现了1mm厚的TC4和304 SS的双道激光熔化焊接，该方法可防止焊接过程中形成Ti-Fe金属间化合物。Tomashchuk等学者[17]

研究了以铜箔为中间层的钛合金与316L奥氏体不锈钢电子束焊接，接头的力学性能取决于金属间化合 物层的厚度。Fang等学者[18]使用Cu/Nb双金属层作为中间层，采用脉冲Nd/YAG激光焊接系统对厚度为 2mm的TC4钛合金和AISI316L不锈钢进行焊接，在高激光功率下，钛合金侧熔合区组织主要为 (Nb,Ti)固溶体，在Cu和Nb之间的熔合区附近会产生Ti-Cu相；当激光功率较低时，Cu-Nb熔合区的组 织被(Cu,Nb)固溶体所取代，有助于抑制裂纹。Pardal等学者[19]采用CMT冷金属过渡技术对316L不锈 钢和Ti-6Al-4V进行连接，用CuSi3焊丝作为填充金属，通过控制热输入，控制了钛铁金属间化合物的生 成，抗拉强度为200MPa。然而，针对厚度小于0.5mm的超薄板钛合金与不锈钢异种金属连接难度更大， 难以采用宽度较小的过渡层实现可靠连接，必须采用过渡段；若采用双过渡段，则会由于连接板太薄，过渡 段及母材之间的物理性能差异较大而产生较大的变形；若采用单过渡段，必须要优化选材和工艺，避免生成 新的金属间化合物。

如何有效避免超薄板钛合金/不锈钢焊缝脆性组织的生成所导致的性能下降甚至开裂，如何减小由于钛 合金/不锈钢异种金属物理性能的差异所导致的较大焊接应力和变形，如何避免各种焊接缺陷是超薄板钛合 金/不锈钢异种金属连接需要解决的核心问题。为了解决该连接难题，该文开发了一种超薄板钛合金/不锈钢 异种金属连接新工艺，采用单过渡段，并通过优化组合工艺，精确控制热输入，实现了超薄板异种金属高质 量连接。

1　试验材料、设备与方法

试验母材为TA1板和304不锈钢板，厚度为0.4mm，根据TA1和304的化学成分、物理及化学性能特点，设 计的过渡段为纯铌板，对TA1/Nb板的连接，采用ERTi-1钛合金焊丝，对304不锈钢/Nb板的连接，采 用S214铝青铜焊丝，并设定304不锈钢/纯铌板对接间隙以形成铜隔离层，最终形成TA1-Nb-Cu-304组 合连接结构，TA1/304组合连接工艺示意图如图1所示，焊丝直径均为1.0mm，母材和焊丝成分见表1。 母材与过渡段的力学性能见表2。

该方法的基本原理如下：第一，由于ERTi-1钛合金焊丝、TA1钛合金和纯铌三者之间冶金相容性均好 ，使得TA1/Nb的连接焊缝不会形成金属间化合物；第二，S214焊丝与304不锈钢冶金相容性好，且 S214焊丝熔点显著低于纯铌的熔点，焊接时将S214焊丝的轴向延伸线与纯铌表面交点与距离纯铌的被连接 端面最近的点相距合适的距离，确保纯铌微熔化，不会形成钎焊连接，以及由于铌熔点高、熔化少，在熔池 中扩散距离短，能避免形成脆性组织；同时，由于S214焊丝偏离不锈钢一侧，使得304不锈钢板热输入低 ，熔化少，不会焊穿；第三，通过设定合适的纯铌和不锈钢端面间距，采用S214铜基焊丝填充间隙，以起 到隔离不锈钢和金属过渡段纯铌的作用。这主要由于S214铜基焊丝熔化后流动性好，进入间隙，形成一定 宽度的铜基隔离层，实现单面焊双面成形，由于纯铌和304不锈钢熔化很少，Nb元素和304不锈钢中的 各种元素扩散距离短，形成的铜基隔离层能够阻碍Nb元素和不锈钢中的Fe，Ni，Cr等元素的接触；同时 ，由于S214铜基焊丝与金属过渡段纯铌和304不锈钢的化学相容性均好，这样S214铜基焊丝熔化后填充 间隙形成的隔离层，能够有效避免金属过渡段铌和304不锈钢的直接接触，消除金属间化合物等脆性组织 [20]。

采用的焊机牌号为CMTAdvanced4000Rnc，对Ti/Nb连接焊缝采用HCl∶HNO3=3∶1(体积比) 溶液和HF溶液腐蚀，对Nb/304连接焊缝采用HCl∶HNO3=3∶1(体积比)溶液腐蚀，采用LEICADMi8型 金相显微镜观察微观组织，采用HitachiSU8010型场发射扫描电子显微镜和能谱仪分析元素分布和变化。 TA1/Nb焊接接头拉伸试样尺寸如图2所示，304/Nb焊接接头拉伸试样尺寸如图3所示。

2、试验结果与分析

2.1　超薄板TA1/304连接工艺

采用的焊接模式为CMT，保护气体为纯氩气，流量为20L/min，设定Nb/304板的间隙为1mm，TA1/304 板的组合连接工艺参数见表3，Nb/304-1号和Nb/304-2号的S214铝青铜焊丝的轴向延伸线与纯铌过渡段的 表面交点与距离纯铌过渡段的被连接端面最近的点的距离分别为1.5mm和0.5mm。图4为TA1/304异 种金属焊接接头宏观形貌。可以看到，TA1/Nb-1号焊缝反面出现了较为严重的未焊透缺陷，这是由于焊接 速度较快，热输入较低导致，TA1/Nb-2号焊缝正反面成形良好，焊缝宽度一致，没有焊接缺陷； Nb/304-1号焊缝两板材未能成功熔合，这是由于焊丝向Nb金属过渡段偏移量过大导致，当熔化的Cu基焊 丝铺展至焊缝时，熔池热量无法熔化304不锈钢，导致两金属薄板对接处未能熔合，Nb/304-2号焊缝正面 和反面宽度均匀一致，成形良好，无焊穿、塌陷、咬边、未熔合等缺陷。图5为对应工艺优良的TA1/Nb-2号 和Nb/304-2号的Nb/304异种金属接头横截面。

2.2　组合连接焊缝微观组织

图6为超薄板TA1/Nb焊接接头金相组织。从图6(a)可以看出，形成了Nb/Ti界面，由于Nb熔点 高，Nb金属过渡段熔化量较少，界面处熔合线形状规则，过渡区较窄，Nb/Ti界面无气孔、未熔合、裂纹 等缺陷；从图6(b)可以看出，Ti焊缝主要为α-Ti片层状组织和少量β-Ti组织。图7为304/Nb焊 接接头金相组织。从图7(a)可以看出，Cu/Nb界面处形成了较窄的过渡区，由于焊丝指向Nb侧，尽管 Nb熔点高，但是使得Nb发生了微量熔化，并向Cu基焊缝扩散较少；从图7(b)可以看出，304不锈钢 母材熔化量也较少，在Cu/304界面处生成了较多不规则形状的灰色组织。由于Cu基焊缝熔点最低，在凝 固过程中，液相Cu发生非自发形核，非自发晶核依附在两个界面处半熔化状态母材晶粒表面，以柱状晶的 形式向焊缝中心生长。

2.3　Nb-Cu-304不锈钢焊缝界面元素分布

图8为304/Cu界面处微观组织及EDS扫描结果。可以看出，304/Cu界面处冶金结合良好，在界面 Cu焊缝侧弥散分布着许多球形小颗粒；从图8(b)可以看出，该处对应Fe元素分布，判断为Fe基固溶体 。从图8(c)可以看出，界面处304焊缝侧，铜元素分布很少。从图8(d)线扫描可以看出，304/Cu界面 处Fe，Cu，Al，Cr，Ni等元素在界面两侧变化剧烈；在304母材侧，Fe，Ni，Cr等元素含量稳定在一定 范围内，而Cu元素和Al元素含量基本为零；在界面处Cu区一侧，Cu元素含量急剧上升，Al元素含量 稳定在一定范围内，而Fe，Cr，Ni等元素降低至基本为零，Nb元素在304/Cu界面处的含量也基本为零。 这说明Cu基焊缝对Fe，Cr，Ni等元素的扩散有良好的抑制效果，有效隔离了Nb与304不锈钢中的Cr ，Ni和Fe元素的接触和反应。

图9为Nb/Cu界面的微观组织及EDS扫描结果。

从图9(a)可以看出，Cu/Nb界面结合良好，由于Nb的熔点较高，Nb熔化量较少，界面处形成了结晶 区，尺寸为30μm；结晶区显示，从Nb基体一侧生长出针片状组织，向Cu基焊缝延伸。图9(b)显示 ，结晶区的针片状组织主要由Nb元素组成，针片状组织之间分布Cu元素。图9(c)显示Cu元素未扩散 到Nb基体。从图9(d)线扫描结果可以看出，Nb元素和Cu元素含量变化较为明显，Cu元素在界面处急 速降低，而Nb元素含量发生了两次跳跃性的变化，在结晶区含量第一次急速升高，到达Nb金属过渡段侧 后，Nb元素含量再次升高，界面两侧几乎不含Cr，Ni和Fe元素，Al元素主要分布在Cu基焊缝处，说明 Nb发生了微熔化，并且扩散距离较短，主要在结晶区，这样Cu基焊缝有效阻挡了Nb的扩散，防止了Nb 与304不锈钢中的Cr，Ni和Fe元素接触和反应。

2.4　组合连接接头拉伸性能分析

图10为TA1/304焊接接头室温拉伸试样断裂图，超薄板TA1/Nb焊接接头抗拉强度为326MPa，断 后伸长率为18.5%，断裂位置在TA1母材上，超薄板304/Nb焊接接头抗拉强度为467MPa，断后伸长率为 22.1%，断裂位置在Nb过渡段上。图11为TA1/304焊接接头室温拉伸断口形貌，两个接头断口处均分布 大量等轴韧窝，断裂类型均为韧性断裂，TA1/Nb焊接接头TA1断口处韧窝尺寸较小，韧窝深度较浅， 304/Nb焊接接头Nb断口处韧窝尺寸较大。

3、结论

（1）设计了组合连接工艺，使用Nb作为过渡段，采用ERTi-1钛合金焊丝连接TA1/Nb板，采用 S214铝青铜焊丝连接Nb/304板，设定Nb/304板的间隙为1mm，并将铝青铜焊丝指向Nb板一侧，形成 TA1-Nb-Cu-304组合连接结构，焊接过程稳定，焊缝成形良好，焊缝分区明显，界面结合良好，实现了冶金 结合。

（2）对于Nb/304焊接接头，Fe/Cu界面处Cu基焊缝有效阻挡了Fe，Cr，Ni等元素的扩散，Nb/Cu 界面处Cu基焊缝有效阻挡了Nb元素的扩散，从而避免了Nb与Cr，Ni和Fe元素接触和反应，抑制了 金属间化合物的生成。

（3）TA1/Nb焊接接头抗拉强度为326MPa，断后伸长率为18.5%，断裂位置在TA1母材上，304/Nb 焊接接头抗拉强度为467MPa，断后伸长率为22.1%，断裂位置在Nb过渡段上。

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第一作者：　郜雅楠，博士，讲师；主要从事轻质耐热金属基复合材料制备及连接等方向的研究； gaoyn@stdu.edu.cn。

通信作者：　胡连海，博士，副教授；主要从事高性能金属材料制备及异种金属连接等方向的研究； lianhai_hu@stdu.edu.cn。

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