鈦/鋼異種金屬激光焊接接頭微觀組織及數值模擬研究

楊勝 李軍兆 劉一搏 孫清潔

摘要：為實現TC4鈦合金與316L不銹鋼異種金屬的優質連接，采用Cu作為中間層進行激光焊接。研究表明，采用Cu中間層能夠有效抑制界面脆性Ti-Fe金屬間化合物的產生。隨著焊接速度的增加，接頭強度顯著提高，TC4鈦合金與焊縫界面主要為連續的Ti-Fe化合物層和非連續的Ti-Fe、Ti-Cu化合物層，厚度約為60 μm。有效地降低了接頭脆性、抑制裂紋，緩解了接頭應力，能夠獲得良好的鈦/鋼異種金屬激光焊接接頭。

關鍵詞：鈦合金;不銹鋼;激光焊接;數值模擬;組織

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0101-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.21

0 前言

異質材料焊接接頭在滿足結構強度要求同時，具有節能、減重、節約成本等優勢，因此得到了廣泛的關注和研究。鈦合金、不銹鋼材料有著優異的耐腐蝕性能及力學性能，被廣泛應用于化學化工和海洋工程領域，例如冷凝器、溶液儲存罐及大型浮式海洋結構等。然而鈦、鋼的物化性能存在巨大差異，導致在焊接過程中出現不均勻的受熱、變形，并產生大量的脆性金屬間化合物，對焊接接頭產生不良影響[1-2]。

目前，針對鈦/鋼異種金屬連接的研究主要圍繞如何抑制或代替界面處產生的脆性Ti-Fe金屬間化合物。相關研究表明，在鈦/鋼界面添加中間層的方式能夠有效抑制界面反應，改善接頭性能。吉林大學的孫大千等人[3]使用Nd：YAG脈沖激光器對Ti6Al4V鈦合金與301L不銹鋼板進行對接焊接。由于脈沖激光焊接的冷卻速度較快，共晶反應速率快，導致共晶反應區較窄，樹枝狀結構尺寸較細，有利于提高接頭的力學性能。北京科技大學黃繼華等人[4]使用激光脈沖焊焊接純鈦與不銹鋼，發現脈沖模式能夠有效減小熔池中兩種材料混合程度，在鈦側僅存在少量的FeTi化合物，抗拉強度可達鈦板的70%。此外，他們還采用CuSi3焊絲作為添加金屬，發現界面層主要包括Ti2Cu相、TiCu相、TiCu2相以及Ti-Cu-Si相，鈦側釬焊區的反應層平均厚度約為80 μm[5]。Gnyusov等人[6]采用Cu中間層抑制界面Ti-Fe金屬間化合物的形成，促使Ti-Cu金屬間化合物在界面生成，降低接頭脆性。Hosseini等[7]研究發現，隨著Cu中間層厚度的增加，Ti-Fe化合物得到有效抑制，接頭強度得到改善。

綜上，文中采用Cu作為中間層進行激光焊接，研究不同激光焊接速度對接頭成形、組織及性能的影響規律，并采用有限元數值模擬對鈦/鋼激光焊接接頭溫度場、應力場進行分析，以實現鈦/鋼異種金屬的可靠連接。

1 試驗材料與有限元模型

1.1 試驗材料

試驗用母材為2.0 mm厚316L不銹鋼和TC4鈦合金，中間層為1.0 mm厚純銅金屬，采用對接接頭形式，提前將中間層預置在對接間隙內進行鈦/鋼異種金屬的激光焊接。試驗過程中采用純氬氣進行保護，氣流量為18 L/min，避免焊縫金屬受到氧化。試驗前采用鋼絲刷去除工件表面的氧化膜，并用丙酮進行擦拭。焊后沿焊縫橫截面方向截取拉伸試件，采用掃描電子顯微鏡觀察鈦/鋼界面的微觀組織，分析界面成分，并采用拉伸試驗機測試接頭拉伸性能。

1.2 有限元模型建立

采用有限元軟件對鈦/鋼異種金屬激光焊接溫度場進行分析，TC4鈦合金和316L不銹鋼母材模型尺寸100 mm×100 mm×2.0 mm，中間層采用尺寸100 mm×2.0 mm×1.0 mm純銅金屬箔片，有限元模型如圖1所示，網格劃分及邊界條件如圖2所示。

熱源采用高斯面熱源和圓柱體熱源表示，具體表達式如（1）所示。

式中 H為體熱源有效深度;β為衰減系數;Pv為激光輸出功率;rv為激光光斑半徑;xv、yv、zv為激光光斑的作用位置;α為熱流集中系數（文中取α=0.3）;rs為面熱源有效作用半徑。

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫宏觀成形及接頭力學性能

不同焊接速度下的焊縫表面成形如圖3所示。由圖可知，鈦合金和不銹鋼母材的熔化量隨著焊接速度的增加而降低，焊縫熔寬及熔化面積顯著減小;然而隨著焊接速度的增加，焊縫背面呈現稍微咬邊缺陷，這是因為熱量傳輸作用減弱，焊縫背面溫度降低，導致熔池金屬流動性降低。通過拉伸試驗發現，焊接接頭抗拉強度由50.5 MPa（焊速1.0 m/min）增加到309.6 MPa（焊速2.0 m/min），得到有效的改善。分析認為這主要歸因于兩方面：一是焊接速度增加，焊接熱輸入降低，極大程度上抑制了界面反應，降低接頭脆性;二是熱輸入的降低使得焊接接頭應力降低，工件變形減小，因此接頭整體性能得到改善。

2.2 界面微觀組織分析

不同焊接速度下的鈦/鋼激光焊接接頭界面微觀組織形貌如圖4所示。可見在較大的焊接熱輸入下，鈦合金和不銹鋼母材大量熔化，使得TC4/焊縫界面處產生大量的脆性金屬間化合物，導致TC4鈦合金和焊縫界面形成連續裂紋，接頭難以得到有效連接，在較低的抗拉強度下失效斷裂。通過對界面化合物進行分析（見表1），發現鈦/鋼界面主要分為連續Ti-Fe化合物層和非連續Ti-Fe、Ti-Cu化合物層，其中連續的Ti-Fe化合物層厚度約為60～104 μm，使得接頭脆性增強，且焊接裂紋主要位于該層。

焊接速度增加至2.0 m/min時的微觀組織如圖5所示。由于焊接熱輸入顯著減小，鈦合金和不銹鋼母材金屬的熔化量降低，316L/焊縫界面主要是熔化接頭形式，而TC4/焊縫界面主要是釬焊接頭形式。由于界面結晶速率快，元素擴散得到抑制，焊縫界面呈現較為連續的分布狀態，焊縫中間熔化聚集的Fe元素降低，可以抑制界面脆性金屬間化合物的產生。可見在TC4/焊縫界面處生成的化合物層較薄，整體厚度為52～72 μm，界面無裂紋產生，并在焊縫中產生斷續的非連續化合物。

2.3 有限元模擬分析

鈦/鋼異種金屬激光焊接溫度場分布有限元模擬如圖6所示。隨著激光焊接速度的增加，焊縫最高溫度值降低，并且鈦合金母材熔化范圍也顯著降低，抑制了Ti元素在焊縫中的擴散。

由于TC4鈦合金和316L不銹鋼物化性能的差異，導致激光焊接接頭產生較大的變形。接頭等效米塞斯應力如圖7所示。由圖7可知，在焊縫位置等效米塞斯應力具有最大值，并且界面脆性化合物的產生導致鈦/鋼界面極易因應力變形而產生裂紋失效。

3 結論

（1）隨著激光焊接速度的增加，鈦、鋼母材熔化量降低，焊縫熔寬及熔化面積顯著減小;當焊接速度為2.0 m/min時，接頭強度增加至309.6 MPa。

（2）鈦/鋼激光焊接接頭界面化合物主要分為連續層和非連續層，其中連續的脆性Ti-Fe層厚度較大，在焊接應力綜合作用下極易產生焊接裂紋;隨著焊接速度的增加，化合物層厚度降低至約60 μm，并且Ti-Fe化合物得到抑制，有利于改善接頭性能。

（3）通過有限元數值分析可知，由于鈦、鋼材料物化性能的差異，在焊縫處接頭的米塞斯應力值最大。

參考文獻：

[1] 王廷，張秉剛，陳國慶，等. TA15鈦合金與304不銹鋼的電子束焊接[J]. 焊接學報，2010（5）：53-56.

[2] 祝要民，李青哲，邱然鋒，等. 鈦/鋼異種金屬焊接的研究現狀[J]. 電焊機，2016，46（11）：78-82，106.

[3] Zhang Y，Sun D Q，Gu X，et al. Strength improvement and interface characteristic of direct laser welded Ti alloy/sta- inless steel joint[J]. Materials Letters，2018（231）：31-34.

[4] Cheng Z，Huang J H，Ye Z，et al. Interfacial microstructure evolution and mechanical properties of TC4 alloy/304 stainless steel joints with different joining modes[J]. Journal of Manufacturing Processes，2018（36）：115-125.

[5] Chen H C，Lee B Y，Bi G J，et al. Laser welding of CP Ti to stainless steel with different temporal pulse shapes[J]. Journal of Materials Processing Technology，2015（231）： 58-65.

[6] Gnyusov S F，Klimenov V A，Alkhimov Y V，et al. Forma- tion of the structure of titanium and stainless steel in laser welding[J]. Welding International，2013（27）：295-299.

[7] Hosseini S R，Feng K，Nie P L，et al. Interlayer thickening for development of laser-welded Ti-SS joint strength[J]. Optics and Laser Technology，2019（112）：379-394.

收稿日期：2020-06-28

作者簡介：楊 勝（1975— ），男，高級工程師，主要從事高性能鈦合金材料及裝備的研究與制造。E-mail：13874850716@163.com。