鈦銅異種金屬CMT焊接參數的優化

陳 濤 雒旭亮 馬元學 王 暾 車永平

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

隨著現代工業的發展和科技的進步，焊接構件除需滿足力學性能外，還要求滿足如高溫強度、耐蝕性、耐磨性、抗蠕變性能、低溫韌性及導電導熱性等多方面的要求。因此異種材料的焊接成為現代工業生產中不可或缺的一種先進技術，其特點是能夠最大限度地利用材料的各自優點滿足現代生產對材料結構性能多方面的要求。鈦和鈦合金是一種優良的結構材料，具有密度小、比強度高、塑韌性好、耐熱耐蝕性好及可加工性好等特點，在航空航天、車輛工程和生物醫學工程領域具有非常重要的應用價值和廣闊的應用前景[1]。銅和銅合金通常具有優良的導電導熱性能、延展性和優良的抗腐蝕性能，某些銅合金還兼有較高的強度。實現銅合金與鈦合金異種材料的有效連接既能滿足導熱性、耐磨性和耐蝕性的要求，又能滿足輕質高強的要求，在航空航天、造船及儀表等領域必將擁有廣闊的應用前景。CMT(Cold Metal Transfer) 冷金屬過渡技術可以輕松實現無飛濺、低能量且變形較小的熔釬焊連接[2,3]。筆者采用CMT焊機和機器人集成的焊接系統，以ERCuNiAl焊絲為填充金屬，探索鈦銅異種金屬的焊接工藝，通過調整工藝參數和改善工藝條件，研究工藝參數對焊接成形質量的影響[4]，同時對焊接試樣進行宏觀和微觀組織以及力學性能的測試，分析力學性能、微觀組織與焊接工藝的關系[5,6]。

1 試驗材料和試驗方法

焊接試驗母材選用TA2工業純鈦和T2純銅板材，尺寸規格為100mm×50mm×1mm，采用ERCuNiAl焊絲，直徑1.2mm，采用CMT焊接技術進行搭接焊，接頭形式如圖1所示。

圖1 焊接接頭搭接示意圖

通過對鈦銅焊接參數的優化(焊接電壓14.5V，電流155A，送絲速度4.3m/min，焊速6mm/s，偏移量為0)，最終可以得到具有較好成形的焊接接頭，焊縫成形較為美觀，余高約2～4mm，潤濕角度在34～70°之間。

采用Ti上Cu下的搭接方式焊縫成形美觀，是理想的焊縫(圖2)；采用Cu上Ti下的搭接方式焊縫余高較低，并且焊縫顏色灰暗，當焊接參數較大時產生裂紋(圖3)。

圖2 試樣Ti上Cu下的焊縫

2 力學性能分析

圖3 試樣Cu上Ti下的焊縫

從試驗樣品中，隨機抽選25組樣品進行分析，從圖4試樣拉伸結果柱狀圖可以看出，除21號試樣和85號試樣以外，其他試樣抗拉強度均在190MPa以上，達到了銅母材抗拉強度的70%(191.80MPa)以上。其中1、14、16、19、28號試樣的抗拉強度超過了210MPa。1、14、19號采用的是Cu上Ti下的搭接方式；16和28號試樣采用的是Ti上Cu下的搭接方式。21、85號試樣在焊縫與銅母材的結合面處發生斷裂。

圖4 試樣拉伸結果柱狀圖

從圖5可以看出，1、14、16、19、28號試樣的抗拉強度超過了210MPa。1、14、19號采用的是Cu上Ti下的搭接方式；16和28號試樣采用的是Ti上Cu下的搭接方式。因此可以得出：當采用一元CuSi3程序時，設計成Cu上Ti下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應在4.0～4.5m/min范圍內；以銅為墊板，送絲速度可達到5.7m/min；如果超過此范圍，在焊縫處形成橫向裂紋的趨勢將明顯增大。

當采用一元CuSi3程序時，設計成Ti上Cu下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應在5.0～6.0m/min范圍內；以銅為墊板，送絲速度為6.0m/min時比相同條件下以鐵為墊板的力學性能低一些。

圖5 一元CuSi3程序試樣拉伸結果柱狀圖

3 焊接接頭橫截面顯微組織分析

圖6為1號試樣焊縫橫截面的顯微結構，從圖6a可以看出銅母材焊縫界面有明顯的熔合線，在焊接過程中銅母材熔化與填充金屬發生了冶金反應；由圖6b可知在鈦母材焊縫界面有化合物層，可以推測在焊接過程中，鈦母材熔化并且與焊縫金屬形成化合物層。由此可知，焊接接頭主要是通過金屬間化合物層連在一起的[7]。

圖6 1號試樣焊縫橫截面的顯微結構圖

圖7為1號試樣橫截面線掃描圖，由圖7a(A→B方向)可以看出，在銅母材焊縫界面上Al、Ti、Fe、Ni元素含量急劇增高，而銅的含量急劇下降，說明鈦母材熔化進入了銅母材焊縫界面并與銅進行冶金反應。由圖7b(C→D方向)可以看出，鈦元素含量在界面處急劇降低，后逐漸變小，而銅元素的含量依次增加，說明鈦元素和銅元素擴散到彼此內部，形成可靠的接頭[8]。

圖7 1號試樣焊縫橫截面線掃描圖

4 結論

4.1鈦銅CMT焊接時鈦元素和銅元素相互擴散到對方的基體中，通過金屬間化合物形成可靠的焊接接頭。

4.2設計成Ti上Cu下的搭接方式，必須使處于下方的銅母材熔化才能得到力學性能較好的焊接接頭。

4.3當采用一元CuSi3程序，焊接速度為6mm/s時，設計成Cu上Ti下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應在4.0～4.5m/min范圍內，力學性能較佳；以銅為墊板，送絲速度可以達到5.7m/min，如果超過此范圍，在焊縫處形成橫向裂紋的趨勢將明顯增大。設計成Ti上Cu下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應在5.0～6.0m/min范圍內，力學性能較好；以銅為墊板，送絲速度為6.0m/min時比相同條件下鐵墊板的力學性能差一些。

[1] Leyens C, Peters M著，陳振華譯.鈦與鈦合金[M].北京:化學工業出版社，2005.

[2] 李亞江, 王娟, 劉鵬. 異種難焊材料的焊接及應用[M]. 北京:化學工業出版社，2005.

[3] 吳全興. 日本鈦合金研發及應用最新動向[J]. 稀有金屬快報，2005，24(2)：38～40.

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[5] 周宇, 楊賢金, 崔振鐸. 新型醫用β- 鈦合金的研究現狀及發展趨勢[J]. 金屬熱處理，2005,30(1)：47～50.

[6] 趙樹萍, 呂雙坤. 鈦合金在航空航天領域中的應用[J].鈦工業進展，2002,(6)：18～21.

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[8] 張凱峰, 吳為. TB2/Cu/TB2 擴散焊的界面反應[J]. 中國有色金屬學報，2000,10(1)：17～21.