鈦/鋼異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀

祝要民,李青哲,邱然鋒,賀玉剛

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽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471003）

鈦/鋼異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀

祝要民1,2,李青哲1,邱然鋒1,2,賀玉剛1

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽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471003）

實(shí)現(xiàn)鈦與鋼異種金屬間的有效連接比較困難。為了探尋鈦/鋼的有效連接方法，在分析鈦/鋼異種材料的焊接性基礎(chǔ)上，對鈦/鋼異種金屬間的激光焊、電子束焊、激光-電弧復(fù)合焊等研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討。生成于接合界面的脆性金屬間化合物是嚴(yán)重限制鈦/鋼異種金屬接頭性能的主要因素；選用合理的焊接工藝和添加適宜的中間層是實(shí)現(xiàn)鈦/鋼有效連接的重要途徑。提出采用雙層或多層金屬的中間層來抑制界面金屬間化合物生成是今后的研究方向。

鈦合金；鋼；熔化焊；金屬間化合物

0前言

隨著人們對結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和性能要求的提高，越來越來多的鈦鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥、核能等領(lǐng)域[1]。鈦/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)同時(shí)兼具了鈦合金的比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好和鋼材料應(yīng)用范圍廣、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。但由于鈦與鋼的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)的差異性太大，兩種元素的互溶性又較差，在焊接過程中容易生成脆硬性的Ti-Fe金屬間化合物[1-3]，致使鈦/鋼不易焊接。鑒于此，有關(guān)鈦/鋼的擴(kuò)散焊[1]、釬焊[2]、爆炸焊[3]在國內(nèi)外得到了深入研究。近來有關(guān)鈦/鋼的高能密度焊的研究作為一個(gè)熱點(diǎn)在國內(nèi)外已廣泛展開[4-6]。

在此總結(jié)鈦/鋼異種金屬的激光焊、電子束焊的研究進(jìn)展，分析鈦/鋼高能密度焊過程中存在的問題及解決措施。

1鈦/鋼焊接的焊接難點(diǎn)

異種材料的焊接性取決于母材的物理和冶金性能。鈦及鈦合金與鋼在密度、熔點(diǎn)、比熱容和線膨

脹系數(shù)等性能方面差異很大，其焊接問題主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）物理性能方面。鈦與鋼的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率的差異很大，鐵的熱導(dǎo)率約為鈦的4倍，而其線膨脹系數(shù)約為鈦的1.5倍。熔化焊接過程中鈦、鋼受熱不均勻容易導(dǎo)致兩種材料的變形量不同，引起焊后冷卻過程中兩者收縮不一致，進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力，從而誘導(dǎo)裂紋的生成。

（2）冶金性能方面。由Ti-Fe二元相圖可以看出，室溫下鐵在鈦中的溶解度僅為0.05％～0.1％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。鐵在α-Ti中的溶解度最大也僅為0.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。同時(shí)鈦較為活潑，高溫時(shí)以體心立方晶格β-Ti存在，低溫時(shí)為密排六方晶格α-Ti。相變轉(zhuǎn)變溫度為882℃。焊接時(shí)溫度升高，鐵在鈦中的固溶度增加，焊后溫度下降，鐵在鈦中的固溶度下降，導(dǎo)致鐵在鈦中的過飽和，形成脆性相的TiFe、TiFe2等金屬間化合物，降低接頭的塑性和強(qiáng)度。

（3）Ti易與鋼中的Ni、Cr、C等元素形成TiNi3、TiNi2、TiNi、TiCr2、TiC等多種脆性相金屬間化合物，使焊縫脆化，嚴(yán)重降低焊接接頭性能。

（4）不存在同時(shí)與Ti、Fe不形成單一金屬的金屬間化合物，因此鈦/鋼的間接連接中，過渡層的選擇較為困難。

2鈦/鋼高能密度焊的研究進(jìn)展

鈦/鋼高能密度焊的研究主要集中在電子束焊[4]、激光焊[5]以及激光-電弧復(fù)合焊[6]等焊接領(lǐng)域。但總體來說可分為直接焊與間接焊兩類。

2.1鈦/鋼直接高能密度焊

電子束焊具有焊接熱源集中、可控性精確、熱影響區(qū)及焊接變形小的優(yōu)點(diǎn)，在異種材料的連接中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。王廷[4]等人對2.5 mm的α-TA15鈦合金和304不銹鋼進(jìn)行了直接電子束焊接。利用散焦電子束對試驗(yàn)進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后后熱處理。焊接接頭的宏觀照片如圖1所示。

圖1 焊縫橫截面宏觀形貌[4]Fig.1Macrostructure of cross section of weld[4]

由圖1可知，鈦合金與不銹鋼的直接電子束焊接接頭中存在裂紋且靠近不銹鋼側(cè)的裂紋明顯多于鈦合金側(cè)。結(jié)果表明，鈦/鋼的電子束焊接性能較差且焊縫內(nèi)形成連續(xù)的顯微硬度明顯高于母材硬度的Ti-Fe相，而且裂紋產(chǎn)生于TiFe2相的富集區(qū)域。成分分析結(jié)果表明，焊接接頭中未出現(xiàn)明顯的成分偏析。雖然焊前和焊后進(jìn)行了熱處理但并未消除裂縫的形成，排除了焊接熱應(yīng)力對接頭裂紋的影響。因此主要是Ti-Fe金屬間化合物的生成導(dǎo)致裂紋的形成。

激光焊技術(shù)由于其焊接線能量小，熱影響區(qū)極窄，工件的變形量較小，焊接生產(chǎn)效率高，可進(jìn)行精確焊接并易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。隨著多種新型激光器的快速發(fā)展，激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。

胡小紅[7]等人采用ANSYS軟件對鈦/鋼激光焊接過程中激光束偏焦量的變化對溫度場的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，得出鈦/鋼異種材料激光焊時(shí)偏焦量離鋼側(cè)的最佳偏移量為0.4～0.6 mm時(shí)能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭，但是并沒有進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)方面，Shuhai Chen[5]等人對1mm的Ti6Al4V和201不銹鋼進(jìn)行了激光焊對接試驗(yàn)，并研究激光束的偏移對接頭的力學(xué)性能和顯微組織的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光束偏向不銹鋼側(cè)0.6 mm時(shí)焊接接頭的力學(xué)性能最好，約為150 MPa；激光束偏移量為-0.6 mm時(shí)接頭強(qiáng)度僅為24.75 MPa。相同的偏移量、不同的偏移方向?qū)е陆宇^強(qiáng)度相差了近6倍。而激光束的偏移量為0 mm和-0.3 mm時(shí)，焊接過程中鈦與鋼的焊接接頭發(fā)生了自動(dòng)開裂現(xiàn)象。因此，只有在合適的焊接工藝下才能實(shí)現(xiàn)鈦/鋼的有效連接。此外，該文獻(xiàn)還重點(diǎn)研究了激光束偏移量分別為0.6 mm和-0.6 mm的接頭顯微組織。當(dāng)激光束的偏移量為0.6 mm時(shí)，接頭連接處形成了約30 μm的均勻反應(yīng)層，生成于界面的化合物主要為FeAl+ Ti/FeTi+Fe2Ti+Ti5Fe17Cr5。而當(dāng)激光束的偏移量為-0.6 mm時(shí)，接頭連接處并未形成均勻一致的反應(yīng)層。在接頭厚度方向上反應(yīng)層也表現(xiàn)出不均勻的特征，頂部的反應(yīng)層比底部的反應(yīng)層厚。由于鈦熔化過程中必然引起鋼的熔化因此形成了這種復(fù)雜相組成的反應(yīng)層，反應(yīng)層的相從上往下為FeAl+Ti/

Fe2Ti+Ti5Fe17Cr5→FeAl+Ti/FeTi+Fe2Ti+Ti5Fe17Cr5→FeAl+Ti。由不同偏移量的接頭反應(yīng)層組織可以看出，Ti-Fe金屬間化合物的厚度對接頭的力學(xué)性能有顯著的影響。適當(dāng)?shù)暮附庸に囅履軌驅(qū)崿F(xiàn)鈦鋼的有效連接，但是不能避免Ti-Fe脆性金屬間化合物的生成。

Hui-Chi Chen[8]等人則采用改變脈沖波的形狀實(shí)現(xiàn)了2.5 mm純鈦與304不銹鋼的有效焊接。試驗(yàn)方法主要設(shè)計(jì)了三種不同的脈沖波形實(shí)現(xiàn)脈沖能量的變化，脈沖波形如圖2所示。這種梯度的脈沖波的使用使焊接過程中形成的焊縫寬度（1 014 μm）和熔化區(qū)域的面積均小于未改變脈沖波形狀的，其接頭強(qiáng)度（200MPa）達(dá)到了純鈦板強(qiáng)度（345 MPa）的70％。焊接接頭未出現(xiàn)微裂紋。但是接頭顯微組織的結(jié)果表明改變時(shí)間脈沖形狀的脈沖激光焊接未能阻止Ti-Fe金屬間化合物的形成。

圖2 所用脈沖波的形狀[8]Fig.2Illustration of the pulse profiles used in this work

可以得出，合理的焊接參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鈦/鋼的有效連接，這成為鈦/鋼高能密度的一個(gè)研究重點(diǎn)。

2.2鈦/鋼間接高能密度焊

為了避免脆性的Ti-Fe金屬間化合物的生成，國內(nèi)外研究者在鈦/鋼的焊接過程中加入過渡層來抑制脆性金屬間化合物的生成。

2.2.1單一中間層的鈦鋼高能密度焊連接

王廷[9]等人通過添加Cu中間層以及調(diào)整工藝等手段實(shí)現(xiàn)了鈦/銅/鋼的有效連接。通過添加1 mm厚的Cu作為過渡層對2.5 mm厚的β型Ti-15-3合金和304不銹鋼進(jìn)行電子束焊接。由于中間層厚度大于電子束的光斑半徑，因此焊接采用雙道焊接，先在銅中間層與鈦結(jié)合面的0.3 mm處采用9 mA焊接電流進(jìn)行焊接，然后在銅中間層和不銹鋼的結(jié)合面處，采用8 mA焊接電流進(jìn)行焊接。圖3a為接頭橫截面宏觀圖。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙道焊接可以有效避免Ti與Fe兩相的混合，抑制了金屬間化合物的形成，焊接接頭強(qiáng)度達(dá)224 MPa。但是不能避免Ti-Cu金屬間化合物的形成，接頭的斷裂位置為鈦與銅的結(jié)合面。為了進(jìn)一步提高接頭強(qiáng)度，采用了單道焊接，并使電子束的位置處于銅中間層正中間的位置，對近α型鈦合金Ti6Al2Mo2V2Zr和304奧氏體不銹鋼18Cr9Ni進(jìn)行焊接[10]。接頭宏觀照片如圖3b所示。試驗(yàn)結(jié)果表明鈦/鋼接頭的強(qiáng)度提高到310 MPa。雖然所用母材組織及成分不一樣，但是對比圖3可知，雙道焊接靠近鈦側(cè)形成了明顯的反應(yīng)層，而在單道焊接過程中明顯的反應(yīng)層則在靠不銹鋼側(cè)形成。因此，電子束焊接過程中的能量變化對接頭組織有明顯影響。

I.Tomashchuk等人詳細(xì)研究了焊接過程中電子束的位置對接頭強(qiáng)度和組織的影響關(guān)系[11]。首先采用COMSOL Multiphysics模擬軟件對異種材料基于中間層的電子束連接進(jìn)行模擬。建立一個(gè)包括溫度轉(zhuǎn)移和液體流動(dòng)的二維模型，用于模擬異種材料連接過程中的水平面內(nèi)熔化區(qū)的形貌及組成。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種二維模型能夠預(yù)測液態(tài)金屬的混合狀態(tài)以及銅中間層的最終狀態(tài)，但是該模型忽略了

電子束焊接過程中垂直對流的影響，直接影響模擬結(jié)果的精確度。同時(shí)得出鈦/鋼基于中間層Cu的電子束焊接的合適條件是存在連續(xù)的熔化中間層和減少焊接過程中鈦的熔化來避免生成金屬間化合物。這種適當(dāng)?shù)暮附訔l件受焊接過程中電子束的位置和焊接速度的影響，焊接范圍較小。

圖3 接頭宏觀圖片F(xiàn)ig.3Macrostructure of cross section of weld

通過模擬結(jié)果，I.Tomashchuk等人[12]詳細(xì)研究了電子束的位置和焊接速度對Cu作中間層的鈦鋼電子束接頭組織和性能的影響，如圖4所示。試驗(yàn)設(shè)置了五種不同的偏移量和四種不同的焊接速度。試驗(yàn)結(jié)果表明電子束偏向鈦側(cè)或置于中心處時(shí)，焊接接頭的組織主要為富銅相的樹狀晶以及τ2（Ti40FexCu60-x，x=5～17）相，并且接頭的最大強(qiáng)度僅為195 MPa，且斷裂發(fā)生在鋼與結(jié)合面的連接處。這是因?yàn)門iFe2相在近鋼側(cè)的積累。相反當(dāng)電子束偏向不銹鋼側(cè)時(shí)，接頭組織主要為γ-Fe球狀?yuàn)A雜物和富銅相，僅有少量TiFe2相。接頭的斷裂發(fā)生在鈦與結(jié)合面的連接處。通過XRD和EDS分析手段發(fā)現(xiàn)斷裂面主要為TiCu相和TiCu1-xFex相。電子束偏向鋼側(cè)0.25～0.5 mm時(shí)獲得最大的抗拉強(qiáng)度350 MPa。通過對比分析得知，添加中間層Cu的鈦/鋼異種金屬的電子束焊接的最優(yōu)焊接條件為：中間層Cu厚570 μm、焊接速度2 m/min、電子束置于中間層和鋼之間。

I.Tomashchuk等人[13]同時(shí)還研究了添加中間層Cu的鈦/鋼激光焊和電子束焊接中形成的金屬間化合物。結(jié)果表明，兩種焊接技術(shù)下均形成了不同的連接區(qū)域，電子束焊的富Cu區(qū)域比激光焊的少。斷裂同樣發(fā)生在熔化區(qū)與鈦的結(jié)合面處。但是接頭強(qiáng)度與擴(kuò)散焊、摩擦焊等固態(tài)焊接方法下獲得的接頭強(qiáng)度基本一致。

圖4 不同電子束偏移量的焊接示意Fig.4Configuration of welding with different beam offset

I.Mitelea[14]等人采用Nd∶YAG激光焊對Ti6Al4V合金與X5CrNi18-10鋼添加600 μm的Cu中間層進(jìn)行了焊接。主要通過改變激光能量和焊接速度實(shí)現(xiàn)了鈦與鋼的有效連接，最有效的焊接參數(shù)為：激光能量4 000 W，焊接速度3 mm/min。但是接頭強(qiáng)度同樣受到靠近鈦側(cè)化合物的種類和數(shù)量的限制。為了鈦/鋼更有效的連接，I.Tomashchuk等人[15]通過金屬V作中間層來實(shí)現(xiàn)316L不銹鋼和Ti6-Al4-6V金屬的激光焊連接。試驗(yàn)采用單道焊接（A）、雙道焊接（B）、雙點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)（C）三種不同的焊接方法，接頭強(qiáng)度如圖5所示。可以看出，雙道焊接獲得的接頭強(qiáng)度最大。通過顯微組織和斷口分析可以得出，接頭強(qiáng)度與V的剩余量有關(guān)，雙道焊接過程中Fe-V熔化區(qū)域中V的數(shù)量較少，剩余的釩對晶粒的大小有較大影響。

王廷[16]等人還對鈦/鋼電子束焊接過程中添加中間層Ni、Ag、V等單一金屬進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，銅作中間層時(shí)接頭的強(qiáng)度最大。單一的中間層不能夠完全阻止Ti-Fe金屬間化合物的生成，主要是由于熔化焊接過程中，總會(huì)引起Ti或者Fe元素的擴(kuò)散和遷移，使得接頭中形成Ti-Fe金屬間化

合物，降低接頭的力學(xué)性能。

圖5 試樣A、B、C的抗拉強(qiáng)度與V在450℃熱處理后的強(qiáng)度曲線[15]Fig.5Tensile test curves of the samples A，B and C compared with behavior of V foil annealed at 450℃

同樣為了能夠?qū)崿F(xiàn)鈦/鋼的有效連接，Goncalo Pardal等人[17]則采用冷熱循環(huán)交替的CMT新型焊接技術(shù)，借助CuSi3焊絲實(shí)現(xiàn)了Ti6Al4V合金與316L不銹鋼的有效連接。焊接原理如圖6所示。這種類似于熔釬焊的焊接技術(shù)并未完全阻止Ti-Fe金屬間化合物的形成，但是接頭強(qiáng)度比釬焊和電子束焊獲得的接頭強(qiáng)度更高（318MPa）。與其他方法相比，這種熔釬焊的焊接方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖6 焊接原理Fig.6Schematics from the welding-brazing technique

2.2.2復(fù)合中間層的鈦鋼熔化焊連接

單一的金屬中間層不能夠完全阻止Ti-Fe金屬間化合物的生成。鈦與Mo、Ta、Nb、W、V不形成金屬間化合物，鐵則與Co、Mn、Cu、Ag不形成金屬間化合物[2]。因此不存在單一的異種金屬與兩者同時(shí)不形成金屬間化合物，采用復(fù)合的中間層進(jìn)行連接鈦/鋼則必須考慮復(fù)合中間層的相溶性。王廷[18]等人采用不同結(jié)構(gòu)的Cu/V過渡層對TA15鈦合金和304不銹鋼進(jìn)行了電子束連接。由于受到電子束熔深的影響，兩種接頭均存在未熔化的V層，并且這成為接頭的薄弱地帶和斷裂位置。接頭的組織形式發(fā)生明顯改變，形成了鐵基固溶體、釩基固溶體、銅基固溶體和鈦基固溶體，大大提高了接頭強(qiáng)度，楔形結(jié)構(gòu)接頭的強(qiáng)度最大達(dá)到385 MPa。因此采用復(fù)合過渡層可以明顯避免焊縫中的脆性金屬間化合物的生成，提高接頭強(qiáng)度。

王紅陽等人[6]則采用激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)通過Cu-Zn中間層實(shí)現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的連接。研究表明元素Zn并未對參與接頭的冶金發(fā)生反應(yīng)。銅合金中間層與鈦發(fā)生了激烈的冶金反應(yīng)生成Ti2Cu、TiCu、Ti2Cu3及AlCu2Ti金屬間化合物，而靠不銹鋼側(cè)基本未發(fā)生熔化，主要靠元素的擴(kuò)散形成了Fe-Cu化合物，實(shí)現(xiàn)了接頭的有效連接。這兩種金屬間化合物的厚度對接頭的強(qiáng)度有著重要影響。隨著激光能量輸入的變化，接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。在適當(dāng)?shù)募す饽芰肯驴梢垣@得較高的接頭強(qiáng)度。因此合理的焊接參數(shù)對接頭反應(yīng)層厚度的控制，仍會(huì)是今后的研究重點(diǎn)。

3結(jié)論

采用高能密度焊接方法焊接鈦/鋼異種金屬，在采用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚺c參數(shù)下可以實(shí)現(xiàn)有效連接。但是不能避免脆硬性金屬間化合物的生成。通過添加中間層增強(qiáng)了接頭組織的匹配性。添加單一金屬層時(shí)雖然可以實(shí)現(xiàn)有效連接，生成于界面的少量金屬間化合物仍是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。復(fù)合金屬中間層能明顯避免金屬間反應(yīng)物的生成，大大提高接頭強(qiáng)度。因此，為了獲得優(yōu)質(zhì)高效的鈦鋼焊接接頭，多種中間過渡層的使用以及不同的新型焊接方法、合理的焊接參數(shù)相互間的匹配仍然是以后的研究重點(diǎn)。

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Researching status of dissimilar metal welding of titanium and steel

ZHU Yaomin1，2，LI Qingzhe1，QIU Ranfeng1，2，HE Yugang1
（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）

The effective joining between titanium and steel is relatively difficult.Based on the weldability between titanium and steel，the laser welding，electron beam welding，laser arc hybrid welding technology of titanium/steel were introduced and analyzed in order to seek an effective joining method in this paper.The previous research results reveal that brittle intermetallic compounds generate at the welding interface severely limit the performance of titanium/steel joint，and that choosing the reasonable welding technology and add appropriate interlayer is an important method to realize the joining between titanium and steel.Adopting double layer or multilayer metal layer to suppress interfacial intermetallic compound formation is a future research direction.

titanium；steel；fusion welding；intermetallic compounds

TG457.1

C

1001-2303（2016）11-0078-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.16

獻(xiàn)

祝要民，李青哲，邱然鋒，等.鈦/鋼異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：78-82+107.

2016-09-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1204520）；河南省高校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（16HASTIT050）；河南省國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（162102410023）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃（2013GGJS-064）

祝要民（1959—），男，河南人，教授，博士，主要從事微觀分析方面的研究工作。