基于Ta過渡層的鈦與不銹鋼電阻點(diǎn)焊

邱然鋒，侯龍龍，李 丹，石紅信，郭俊卿

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；2.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南洛陽(yáng)471003）

基于Ta過渡層的鈦與不銹鋼電阻點(diǎn)焊

邱然鋒1，2，侯龍龍1，李 丹1，石紅信1，郭俊卿1

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；2.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南洛陽(yáng)471003）

以Ta作為中間過渡層對(duì)純鈦與不銹鋼SUS304進(jìn)行電阻點(diǎn)焊。觀察分析接合界面區(qū)反應(yīng)層形貌及分布等微觀組織特征，探討焊接電流對(duì)熔核尺寸和接頭抗剪力的影響。在接頭中的Ta/SUS304界面生成了FeTa和含F(xiàn)e量不同的Fe-Fe2Ta共晶組織。在焊接電流為14 kA時(shí)，獲得的接頭抗剪力最大，為7.4 kN。結(jié)果表明，在鈦與不銹鋼的電阻點(diǎn)焊中，使用中間過渡層Ta能夠有效提高焊接接頭的強(qiáng)度。

純鈦；不銹鋼；中間過渡層；電阻點(diǎn)焊

0 前言

隨著新材料及現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，單一金屬結(jié)構(gòu)通常很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，因此異種材料連接的復(fù)合結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。鈦及鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性、高的比強(qiáng)度及較好的耐熱性和加工性，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、化工及冶金等各個(gè)領(lǐng)域，但其價(jià)格昂貴，制約了鈦及其合金在工業(yè)中的推廣應(yīng)用；不銹鋼是最常用的結(jié)構(gòu)材料之一，具有一系列優(yōu)良的性能。鈦與不銹鋼的焊接構(gòu)件綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，既能降低成本，又可提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性，因此，鈦與不銹鋼異種金屬的連接將是不可或缺的。但由于鈦與不銹鋼兩者在物理、冶金性能方面存在很大差異且焊接中易生成脆性的金屬間化合物，嚴(yán)重惡化了接頭的力學(xué)性能，從而制約了兩者的有效連接。

鑒于此，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)鈦與不銹鋼的異種材料連接，如鎢極氬弧焊[2]、電子束焊焊[3]、擴(kuò)散焊[4-5]、釬焊[6]和爆炸焊[7]等進(jìn)行了廣泛的研究。因具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，電阻點(diǎn)焊是一種用于薄板構(gòu)件連接的主要焊接方法。然而，鈦與不銹鋼的電阻點(diǎn)焊的研究至今仍鮮見報(bào)道。

在電阻點(diǎn)焊中，電流流經(jīng)工件時(shí)產(chǎn)生的電阻熱使母材金屬發(fā)生局部熔化。因此，鈦與不銹鋼直接點(diǎn)焊容易形成脆硬的金屬間化合物，影響接頭的性能[8]。中間層的采用是解決異種金屬點(diǎn)焊的有效方法。

根據(jù)Ta-Ti二元相圖，金屬Ta在Ti中有較高的固溶度。因此，本研究以Ta為中間過渡層，對(duì)純鈦與不銹鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，以改善接頭性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料是1 mm厚的純鈦和不銹鋼SUS304板，其化學(xué)成分如表1所示。采用的中間過渡層為純Ta箔，厚度110 μm。純鈦、不銹鋼SUS304以及Ta的主要物理性能如表2所示。將鈦、不銹鋼板剪切尺寸100 mm×30 mm，中間層Ta箔尺寸30 mm×30mm，并用無(wú)水乙醇洗凈后烘干。

表1 不銹鋼SUS304與Ti的化學(xué)成分％

表2 材料的物理性質(zhì)

將清洗烘干后的純鈦、不銹鋼SUS板按圖1所示進(jìn)行搭接裝配，并將過渡層Ta箔置入兩者之間。采用DM-200固定式中頻逆變直流電阻點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊，固定焊接時(shí)間為10 Tycle，電極壓力2 807 N不變，在6～16 kA內(nèi)每隔2 kA變化焊接電流。

圖1 焊接試樣尺寸和形狀

焊后，在室溫條件下以1.7×10-5m/s的速率對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對(duì)部分接頭進(jìn)行斷面觀察試驗(yàn)。垂直于接合界面沿焊點(diǎn)直徑橫切焊接接頭，研磨、拋光其斷面。用掃描電子顯微鏡（SEM，JEOL JSM-6300）沿接合面觀察界面區(qū)微觀形貌，并對(duì)界面反應(yīng)層進(jìn)行成分分析。本研究所列結(jié)果為相同條件下焊接的5個(gè)接頭的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

接頭熔核斷面低倍率的SEM像如圖2所示，可以觀察到以下四個(gè)特征現(xiàn)象：①在焊接區(qū)域觀察到一個(gè)色彩稍微發(fā)白的熔核，在熔核中，Ti與中間層Ta、不銹鋼SUS304與Ta的接合也較好。②中間過渡層Ta的厚度約為60 μm，這與Ta箔原始厚度（110 μm）相比明顯變薄。這是因?yàn)楦邷叵耇a向Ti以及不銹鋼中溶解擴(kuò)散所致。③中間層Ta在熔核中發(fā)生了熔斷。盡管Ta的熔點(diǎn)較高，但是熔核中心區(qū)域溫度較高，處于中心區(qū)域的Ta因溶解和熔化而消失。④在熔核中心有裂紋生成。區(qū)別于一般點(diǎn)焊裂紋的是該裂紋方向垂直于接合界面。裂紋形成的原因有兩個(gè)方面。其一，在熔核冷卻凝固時(shí)受到沿接合界面的拉應(yīng)力。與Ti、不銹鋼SUS304相比，Ta的熱膨脹系數(shù)較小，因此在冷卻過程中Ta收縮較小而使熔核受拉應(yīng)力。其二，熔核中心區(qū)域溫度較高，是最后凝固的部位。由于熔核中心區(qū)域距離外部環(huán)境較遠(yuǎn)，散熱較少，在其他部位凝固時(shí)，該區(qū)仍存有液態(tài)金屬。在拉力的作用下，處于薄弱環(huán)節(jié)的液膜被拉開，而又沒有多余液態(tài)金屬給予補(bǔ)充就形成了裂紋。

圖2 接頭熔核橫斷面

8 kA焊接電流下獲得的接頭界面區(qū)SEM像如圖3所示。Ta的厚度約為60 μm，說(shuō)明在焊接過程中Ta發(fā)生了溶解。在Ta/SUS304界面觀察到了扇貝狀生成物，而在Ta/Ti界面未觀察新的生成物。

接頭中Ta/SUS304界面區(qū)的SEM像如圖4所示。除去SUS304和Ta，Ta/SUS304界面區(qū)由4個(gè)形態(tài)不同的區(qū)域組成?？拷黅a的Ⅰ區(qū)為淺灰色的帶狀區(qū)域，其厚度大于10 μm。較薄的Ⅱ區(qū)是在圖3中觀察

到的扇貝狀區(qū)域，厚約1 μm。深灰色帶狀的Ⅲ區(qū)厚度約為8 μm。靠近SUS304的Ⅳ枝狀區(qū)域，其生長(zhǎng)方向指向不銹鋼一側(cè)。

圖3 接頭界面區(qū)SEM像

圖4 Ta/SUS304界面區(qū)SEM像

對(duì)圖4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ區(qū)中的A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表3所示。根據(jù)Fe-Ta二元相圖及A、B、C、D處的成分分析結(jié)果可以推出：Ⅰ區(qū)為FeTa-Ta的共晶組織，是在1 690℃時(shí)富Ta側(cè)共晶反應(yīng)的產(chǎn)物。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)均為Fe-Fe2Ta的共晶組織，是1 442℃時(shí)富Fe側(cè)共晶反應(yīng)產(chǎn)物。因共晶反應(yīng)前液態(tài)金屬中Ta含量不同而導(dǎo)致共晶組織中所含F(xiàn)e2Ta量不同，其中Ⅱ區(qū)含F(xiàn)e2Ta最多，Ⅳ區(qū)含F(xiàn)e2Ta最少。另外，在四類界面反應(yīng)物中均檢測(cè)到了Cr、Ni及少量的Ti。Cr與Ni是母材不銹鋼的組成成分，可以認(rèn)為固溶到反應(yīng)產(chǎn)物中，而Ti的存在說(shuō)明了另一側(cè)的Ti在焊接過程中具有較強(qiáng)的擴(kuò)散作用，其穿過中間層Ta擴(kuò)散至SUS304側(cè)界面區(qū)。

表3 界面區(qū)生成物EDS分析結(jié)果

接頭Ta/Ti界面區(qū)的SEM像如圖5所示。在靠近界面的Ti中觀察到一個(gè)厚度約為8 μm的柱狀區(qū)（圖5中Ⅴ區(qū)）。對(duì)E處進(jìn)行成分分析得知此區(qū)域Ta的含量為15.82％，超過了室溫下Ta在α-Ti中的固溶度（11％），是過飽和固溶體。這主要是焊接過程中在水冷電極冷卻下接頭過冷造成的。

圖5 Ta/Ti界面區(qū)SEM照片

焊接電流對(duì)接頭熔核直徑和抗剪載荷的影響如圖6所示。這里的熔核直徑是在斷口處測(cè)得。由圖6可知，隨著焊接電流的增加，接頭的熔核直徑不斷增大。這是因?yàn)殡娮椟c(diǎn)焊的熱源是電阻熱，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，焊接電流是影響電阻熱的主要因素，且隨著焊接電流的增大，析出的電阻熱增大，因而形成的熔核直徑也增大。根據(jù)點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)所要求的熔核直徑d＞4t0.5（t為板厚），而在本實(shí)驗(yàn)中的板厚為1 mm，即d＞4 mm，故所得接頭均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 焊接電流對(duì)熔核直徑和接頭抗剪載荷的影響

接頭的抗剪載荷卻并非呈單調(diào)增加。在6～14 kA焊接電流區(qū)間，接頭的抗剪載荷隨焊接電流的增加而增加。焊接接電流為14 kA時(shí)，抗剪載荷達(dá)到最大值，為7.4kN，然后隨焊接電流增大而呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著電流的增大，熔核尺寸增大，接頭抗剪力增大。但是，電流過大，在界面生成反應(yīng)物較厚，

影響了接頭性能。所以，焊接電流超過14 kA后，接頭抗剪力降低。在文獻(xiàn)[8]中，鈦與不銹鋼SUS304直接點(diǎn)焊獲得的接頭最大抗剪力為3.25 kN；采用鋁合金A5052板為中間層點(diǎn)焊時(shí)接頭最大抗剪載荷為5.38 kN。與之相比，本研究所得最大接頭抗剪力最大。這主要?dú)w功于中間過渡層Ta的使用抑制了界面反應(yīng)物的生長(zhǎng)，改善了接頭性能。

3 結(jié)論

采用Ta箔作為中間過渡層對(duì)純鈦與不銹鋼SUS304進(jìn)行點(diǎn)焊，探討焊接電流對(duì)接頭熔核大小及抗剪力的影響，分析界面組織，得到以下主要結(jié)論：

（1）在點(diǎn)焊接頭中Ta/SUS304界面區(qū)由四個(gè)區(qū)域組成，分別是FeTa和含F(xiàn)e量不同的Fe-Fe2Ta共晶組織區(qū)。

（2）在靠近Ta/Ti界面的Ti內(nèi)觀察到了一個(gè)厚度約為8 μm的Ta在α-Ti中的過飽和固溶體區(qū)。

（3）熔核直徑隨焊接電流的增大而增大，而接頭抗剪力隨焊接電流的增大先增大后降低。在焊接電流為14 kA時(shí)，接頭抗剪力最大，為7.4 kN。

[1]馮吉才，王廷，張秉剛，等.異種材料真空電子束焊接研究現(xiàn)狀分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30（10）：108-112.

[2]Wang J，Liu Q，Li Y J.The process of TA15 titanium alloy to austenitic stainless steel by filling wire pulsed tungsten argon arc welding[P].CN201210239743.5.

[3]Wang Ting，Zhang bing gang.Influences of different filler metals on electron beam welding of titanium alloy to stainless steel[J].Transactions of the china welding institution，2013（24）：108-114.

[4]Kundu S，Ghosh M.Diffusion bonding of commercially pure titanium to 304 stainless steel using copper interlayer[J]. Materials Science and Technology，2005（13）：154-160.

[5]Yuan X J，Shen G M，Qin B.Impulse pressuring diffusion bonding of titanium alloy to stainless steel[J].Materials Characterization，2008，59（7）：930-936.

[6]C C Liu，C Lou，R K Shi.The microstructural observation and wettability study of brazing Ti-6Al-4V and 304 stainless steel using three braze alloys[J].Mater.Sci.2002（37）：2225-2235.

[7]P Manikandana，K Hokamotob.Control of energetic conditions by employing interlayer of different thickness for explosive welding of titanium/304 stainless steel[J].Journal of materials processing technology，2008，37（3）：232-240.

[8]Zhang Xiaojiao，Qiu Ranfeng，Shi Hongxin，et al.Interfacial microstructure and property of resistance spot welded Ti/SUS304 joint[J].China Welding，2013，22（2）：43-48.

Page 12mixed zone formation[J]．Scripta Materialia，2006，55（11）：975-978．

[10]吳敏生，何龍標(biāo)，李路明，等．電弧超聲焊接技術(shù)[J]．焊接學(xué)報(bào)，2005，26（6）：40-44．

[11]Zhang C L，Wu M S，Hao H W，et al．Research on resonance mechanism of arc-ultrasonic[J]．Journal of Material Science Technology，2000，16（5）：525-528．

[12]王建軍，林濤.電弧超聲激勵(lì)共熔池雙鎢極氬弧焊接方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（01）：15-18.

[13]齊鉑金，許海鷹，張偉.0Cr18Ni9Ti超音頻脈沖TIG焊接頭組織與性能[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（02）：132-136.

[14]Yuan H R，LinSB，YangCL，etal．Microstructure and porosity analysis inultrasonicassistedTIGweldingof2014aluminum alloy[J]．China Welding，2011，20（1）：39-43，

[15]葛一凡.不同鋁合金材料及薄壁鋁合金管超聲TIG復(fù)合焊工藝性能研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[16]蔣日鵬.超聲場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)鋁合金凝固過程的影響規(guī)律與作用機(jī)理研究[D].湖南：中南大學(xué)，2014.

Resistance spot welding of pure titanium and stainless steel based on interlayer of Ta

QIU Ranfeng1，2，HOU Longlong1，LI Dan1，SHI Hongxin1，GUO Junqing1
（1.School of Materials Science and Engineering，He′nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals，Luoyang 471003，China）

Commercially pure titanium and stainless steel sheets were welded using resistance spot welding with interlayer of Ta.The effects of welding current on the nugget diameter and tensile shear load were investigated.At the Ta/SUS304 interfacial region，F(xiàn)eTa and Fe-Fe2Ta eutectic structure with various levels of Fe generated.The joint with the maximum tensile shear load of 7.4 kN was obtained at the condition of 14 kA.The results reveal that the strength of welded joint is improved by use of interlayer of Ta during the resistance spot weldingofthe pure titaniumand stainless steel.

titanium；stainless steel；interlayer；resistance spot welding

TG453+.9

A

1001－2303（2016）07－0013-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.04

2016-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1204520）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（2013GGJS-064）；河南省高校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（16HASTIT050）

邱然鋒（1974—），男，河南鹿邑人，博士，副教授，主要從事異種材料連接的研究工作。