前言

超薄板鈦合金/不銹鋼異種金屬連接結(jié)構(gòu)兼具鈦合金密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能強(qiáng)和不銹鋼的較低 的成本和良好的綜合性能的特點(diǎn)，在軌道交通、能源化工、航空航天及日用器皿等領(lǐng)域需求廣泛[1?4]。

然而，鈦合金和不銹鋼兩種材料在物理性能上差異大和冶金相容性差，導(dǎo)致鈦合金和不銹鋼異種金屬的 焊接性較差，主要表現(xiàn)在：①鈦合金和不銹鋼的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)和比熱容等物理性能相差較大，在焊接 時(shí)容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形；②鈦合金和不銹鋼在高溫下易反應(yīng)生成脆性金屬間化合物，嚴(yán)重降低接頭性 能，甚至產(chǎn)生裂紋[5?7]。因此，這使得鈦合金和不銹鋼異種金屬的連接非常困難，焊接工藝復(fù)雜，焊接 成本高，焊接效率低，極大地影響了鈦合金/不銹鋼異種金屬結(jié)構(gòu)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用[8]。

近年來(lái)，鈦/鋼異種金屬的連接的研究成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，在焊接新方法、焊接工藝及機(jī)理 、焊接材料、接頭組織和性能等方面開(kāi)展了廣泛和深入的研究，采用的焊接方法涵蓋釬焊、熔釬焊、壓力焊 和熔化焊等焊接方法[9?12]。

相較于釬焊與固相焊等低熱輸入焊接方法，熔焊具有焊接柔性好、焊接效率高等特點(diǎn)；然而，采用直接 熔焊方法會(huì)導(dǎo)致Ti，F(xiàn)e等元素在熔池中劇烈反應(yīng)，生成大量脆性金屬間化合物。因此，近些年，學(xué)者們主 要研究填充金屬及中間層等對(duì)接頭冶金行為及性能的影響[13?15]。Gao等學(xué)者[16]采用爆炸焊接制備的 TA2/Q235復(fù)合中間層，將激光分別聚焦TC4/TA2界面和Q235/304SS界面，實(shí)現(xiàn)了1mm厚的TC4和304 SS的雙道激光熔化焊接，該方法可防止焊接過(guò)程中形成Ti-Fe金屬間化合物。Tomashchuk等學(xué)者[17]

研究了以銅箔為中間層的鈦合金與316L奧氏體不銹鋼電子束焊接，接頭的力學(xué)性能取決于金屬間化合 物層的厚度。Fang等學(xué)者[18]使用Cu/Nb雙金屬層作為中間層，采用脈沖Nd/YAG激光焊接系統(tǒng)對(duì)厚度為 2mm的TC4鈦合金和AISI316L不銹鋼進(jìn)行焊接，在高激光功率下，鈦合金側(cè)熔合區(qū)組織主要為 (Nb,Ti)固溶體，在Cu和Nb之間的熔合區(qū)附近會(huì)產(chǎn)生Ti-Cu相；當(dāng)激光功率較低時(shí)，Cu-Nb熔合區(qū)的組 織被(Cu,Nb)固溶體所取代，有助于抑制裂紋。Pardal等學(xué)者[19]采用CMT冷金屬過(guò)渡技術(shù)對(duì)316L不銹 鋼和Ti-6Al-4V進(jìn)行連接，用CuSi3焊絲作為填充金屬，通過(guò)控制熱輸入，控制了鈦鐵金屬間化合物的生 成，抗拉強(qiáng)度為200MPa。然而，針對(duì)厚度小于0.5mm的超薄板鈦合金與不銹鋼異種金屬連接難度更大， 難以采用寬度較小的過(guò)渡層實(shí)現(xiàn)可靠連接，必須采用過(guò)渡段；若采用雙過(guò)渡段，則會(huì)由于連接板太薄，過(guò)渡 段及母材之間的物理性能差異較大而產(chǎn)生較大的變形；若采用單過(guò)渡段，必須要優(yōu)化選材和工藝，避免生成 新的金屬間化合物。

如何有效避免超薄板鈦合金/不銹鋼焊縫脆性組織的生成所導(dǎo)致的性能下降甚至開(kāi)裂，如何減小由于鈦 合金/不銹鋼異種金屬物理性能的差異所導(dǎo)致的較大焊接應(yīng)力和變形，如何避免各種焊接缺陷是超薄板鈦合 金/不銹鋼異種金屬連接需要解決的核心問(wèn)題。為了解決該連接難題，該文開(kāi)發(fā)了一種超薄板鈦合金/不銹鋼 異種金屬連接新工藝，采用單過(guò)渡段，并通過(guò)優(yōu)化組合工藝，精確控制熱輸入，實(shí)現(xiàn)了超薄板異種金屬高質(zhì) 量連接。

1　試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑門A1板和304不銹鋼板，厚度為0.4mm，根據(jù)TA1和304的化學(xué)成分、物理及化學(xué)性能特點(diǎn)，設(shè) 計(jì)的過(guò)渡段為純鈮板，對(duì)TA1/Nb板的連接，采用ERTi-1鈦合金焊絲，對(duì)304不銹鋼/Nb板的連接，采 用S214鋁青銅焊絲，并設(shè)定304不銹鋼/純鈮板對(duì)接間隙以形成銅隔離層，最終形成TA1-Nb-Cu-304組 合連接結(jié)構(gòu)，TA1/304組合連接工藝示意圖如圖1所示，焊絲直徑均為1.0mm，母材和焊絲成分見(jiàn)表1。 母材與過(guò)渡段的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

該方法的基本原理如下：第一，由于ERTi-1鈦合金焊絲、TA1鈦合金和純鈮三者之間冶金相容性均好 ，使得TA1/Nb的連接焊縫不會(huì)形成金屬間化合物；第二，S214焊絲與304不銹鋼冶金相容性好，且 S214焊絲熔點(diǎn)顯著低于純鈮的熔點(diǎn)，焊接時(shí)將S214焊絲的軸向延伸線與純鈮表面交點(diǎn)與距離純鈮的被連接 端面最近的點(diǎn)相距合適的距離，確保純鈮微熔化，不會(huì)形成釬焊連接，以及由于鈮熔點(diǎn)高、熔化少，在熔池 中擴(kuò)散距離短，能避免形成脆性組織；同時(shí)，由于S214焊絲偏離不銹鋼一側(cè)，使得304不銹鋼板熱輸入低 ，熔化少，不會(huì)焊穿；第三，通過(guò)設(shè)定合適的純鈮和不銹鋼端面間距，采用S214銅基焊絲填充間隙，以起 到隔離不銹鋼和金屬過(guò)渡段純鈮的作用。這主要由于S214銅基焊絲熔化后流動(dòng)性好，進(jìn)入間隙，形成一定 寬度的銅基隔離層，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，由于純鈮和304不銹鋼熔化很少，Nb元素和304不銹鋼中的 各種元素?cái)U(kuò)散距離短，形成的銅基隔離層能夠阻礙Nb元素和不銹鋼中的Fe，Ni，Cr等元素的接觸；同時(shí) ，由于S214銅基焊絲與金屬過(guò)渡段純鈮和304不銹鋼的化學(xué)相容性均好，這樣S214銅基焊絲熔化后填充 間隙形成的隔離層，能夠有效避免金屬過(guò)渡段鈮和304不銹鋼的直接接觸，消除金屬間化合物等脆性組織 [20]。

采用的焊機(jī)牌號(hào)為CMTAdvanced4000Rnc，對(duì)Ti/Nb連接焊縫采用HCl∶HNO3=3∶1(體積比) 溶液和HF溶液腐蝕，對(duì)Nb/304連接焊縫采用HCl∶HNO3=3∶1(體積比)溶液腐蝕，采用LEICADMi8型 金相顯微鏡觀察微觀組織，采用HitachiSU8010型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和能譜儀分析元素分布和變化。 TA1/Nb焊接接頭拉伸試樣尺寸如圖2所示，304/Nb焊接接頭拉伸試樣尺寸如圖3所示。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　超薄板TA1/304連接工藝

采用的焊接模式為CMT，保護(hù)氣體為純氬氣，流量為20L/min，設(shè)定Nb/304板的間隙為1mm，TA1/304 板的組合連接工藝參數(shù)見(jiàn)表3，Nb/304-1號(hào)和Nb/304-2號(hào)的S214鋁青銅焊絲的軸向延伸線與純鈮過(guò)渡段的 表面交點(diǎn)與距離純鈮過(guò)渡段的被連接端面最近的點(diǎn)的距離分別為1.5mm和0.5mm。圖4為TA1/304異 種金屬焊接接頭宏觀形貌?？梢钥吹?，TA1/Nb-1號(hào)焊縫反面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的未焊透缺陷，這是由于焊接 速度較快，熱輸入較低導(dǎo)致，TA1/Nb-2號(hào)焊縫正反面成形良好，焊縫寬度一致，沒(méi)有焊接缺陷； Nb/304-1號(hào)焊縫兩板材未能成功熔合，這是由于焊絲向Nb金屬過(guò)渡段偏移量過(guò)大導(dǎo)致，當(dāng)熔化的Cu基焊 絲鋪展至焊縫時(shí)，熔池?zé)崃繜o(wú)法熔化304不銹鋼，導(dǎo)致兩金屬薄板對(duì)接處未能熔合，Nb/304-2號(hào)焊縫正面 和反面寬度均勻一致，成形良好，無(wú)焊穿、塌陷、咬邊、未熔合等缺陷。圖5為對(duì)應(yīng)工藝優(yōu)良的TA1/Nb-2號(hào) 和Nb/304-2號(hào)的Nb/304異種金屬接頭橫截面。

2.2　組合連接焊縫微觀組織

圖6為超薄板TA1/Nb焊接接頭金相組織。從圖6(a)可以看出，形成了Nb/Ti界面，由于Nb熔點(diǎn) 高，Nb金屬過(guò)渡段熔化量較少，界面處熔合線形狀規(guī)則，過(guò)渡區(qū)較窄，Nb/Ti界面無(wú)氣孔、未熔合、裂紋 等缺陷；從圖6(b)可以看出，Ti焊縫主要為α-Ti片層狀組織和少量β-Ti組織。圖7為304/Nb焊 接接頭金相組織。從圖7(a)可以看出，Cu/Nb界面處形成了較窄的過(guò)渡區(qū)，由于焊絲指向Nb側(cè)，盡管 Nb熔點(diǎn)高，但是使得Nb發(fā)生了微量熔化，并向Cu基焊縫擴(kuò)散較少；從圖7(b)可以看出，304不銹鋼 母材熔化量也較少，在Cu/304界面處生成了較多不規(guī)則形狀的灰色組織。由于Cu基焊縫熔點(diǎn)最低，在凝 固過(guò)程中，液相Cu發(fā)生非自發(fā)形核，非自發(fā)晶核依附在兩個(gè)界面處半熔化狀態(tài)母材晶粒表面，以柱狀晶的 形式向焊縫中心生長(zhǎng)。

2.3　Nb-Cu-304不銹鋼焊縫界面元素分布

圖8為304/Cu界面處微觀組織及EDS掃描結(jié)果。可以看出，304/Cu界面處冶金結(jié)合良好，在界面 Cu焊縫側(cè)彌散分布著許多球形小顆粒；從圖8(b)可以看出，該處對(duì)應(yīng)Fe元素分布，判斷為Fe基固溶體 。從圖8(c)可以看出，界面處304焊縫側(cè)，銅元素分布很少。從圖8(d)線掃描可以看出，304/Cu界面 處Fe，Cu，Al，Cr，Ni等元素在界面兩側(cè)變化劇烈；在304母材側(cè)，F(xiàn)e，Ni，Cr等元素含量穩(wěn)定在一定 范圍內(nèi)，而Cu元素和Al元素含量基本為零；在界面處Cu區(qū)一側(cè)，Cu元素含量急劇上升，Al元素含量 穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，而Fe，Cr，Ni等元素降低至基本為零，Nb元素在304/Cu界面處的含量也基本為零。 這說(shuō)明Cu基焊縫對(duì)Fe，Cr，Ni等元素的擴(kuò)散有良好的抑制效果，有效隔離了Nb與304不銹鋼中的Cr ，Ni和Fe元素的接觸和反應(yīng)。

圖9為Nb/Cu界面的微觀組織及EDS掃描結(jié)果。

從圖9(a)可以看出，Cu/Nb界面結(jié)合良好，由于Nb的熔點(diǎn)較高，Nb熔化量較少，界面處形成了結(jié)晶 區(qū)，尺寸為30μm；結(jié)晶區(qū)顯示，從Nb基體一側(cè)生長(zhǎng)出針片狀組織，向Cu基焊縫延伸。圖9(b)顯示 ，結(jié)晶區(qū)的針片狀組織主要由Nb元素組成，針片狀組織之間分布Cu元素。圖9(c)顯示Cu元素未擴(kuò)散 到Nb基體。從圖9(d)線掃描結(jié)果可以看出，Nb元素和Cu元素含量變化較為明顯，Cu元素在界面處急 速降低，而Nb元素含量發(fā)生了兩次跳躍性的變化，在結(jié)晶區(qū)含量第一次急速升高，到達(dá)Nb金屬過(guò)渡段側(cè) 后，Nb元素含量再次升高，界面兩側(cè)幾乎不含Cr，Ni和Fe元素，Al元素主要分布在Cu基焊縫處，說(shuō)明 Nb發(fā)生了微熔化，并且擴(kuò)散距離較短，主要在結(jié)晶區(qū)，這樣Cu基焊縫有效阻擋了Nb的擴(kuò)散，防止了Nb 與304不銹鋼中的Cr，Ni和Fe元素接觸和反應(yīng)。

2.4　組合連接接頭拉伸性能分析

圖10為TA1/304焊接接頭室溫拉伸試樣斷裂圖，超薄板TA1/Nb焊接接頭抗拉強(qiáng)度為326MPa，斷 后伸長(zhǎng)率為18.5%，斷裂位置在TA1母材上，超薄板304/Nb焊接接頭抗拉強(qiáng)度為467MPa，斷后伸長(zhǎng)率為 22.1%，斷裂位置在Nb過(guò)渡段上。圖11為TA1/304焊接接頭室溫拉伸斷口形貌，兩個(gè)接頭斷口處均分布 大量等軸韌窩，斷裂類型均為韌性斷裂，TA1/Nb焊接接頭TA1斷口處韌窩尺寸較小，韌窩深度較淺， 304/Nb焊接接頭Nb斷口處韌窩尺寸較大。

3、結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了組合連接工藝，使用Nb作為過(guò)渡段，采用ERTi-1鈦合金焊絲連接TA1/Nb板，采用 S214鋁青銅焊絲連接Nb/304板，設(shè)定Nb/304板的間隙為1mm，并將鋁青銅焊絲指向Nb板一側(cè)，形成 TA1-Nb-Cu-304組合連接結(jié)構(gòu)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形良好，焊縫分區(qū)明顯，界面結(jié)合良好，實(shí)現(xiàn)了冶金 結(jié)合。

（2）對(duì)于Nb/304焊接接頭，F(xiàn)e/Cu界面處Cu基焊縫有效阻擋了Fe，Cr，Ni等元素的擴(kuò)散，Nb/Cu 界面處Cu基焊縫有效阻擋了Nb元素的擴(kuò)散，從而避免了Nb與Cr，Ni和Fe元素接觸和反應(yīng)，抑制了 金屬間化合物的生成。

（3）TA1/Nb焊接接頭抗拉強(qiáng)度為326MPa，斷后伸長(zhǎng)率為18.5%，斷裂位置在TA1母材上，304/Nb 焊接接頭抗拉強(qiáng)度為467MPa，斷后伸長(zhǎng)率為22.1%，斷裂位置在Nb過(guò)渡段上。

參考文獻(xiàn)

［1］王廷, 謝志尚, 馮吉才, 等. 鈦合金與異種金屬的高能束焊接研究現(xiàn)狀 [J]. 焊接, 2015(10): 18 ? 22.

Wang Ting, Xie Zhishang, Feng Jicai, et al. Research status of high-energy beam welding of titanium alloys with dissimilar metals[J]. Welding & Joining, 2015(10): 18 ? 22.

［2］ 呂攀, 王克鴻, 朱和國(guó). 鈦合金與不銹鋼異種金屬焊接的研究現(xiàn)狀 [J]. 熱加工工藝, 2017, 46(13): 26 ? 32.

Lv Pan, Wang Kehong, Zhu Heguo. Research Status of titanium alloy and stainless steel dissimilar metal welding [J]. Hot Working Technology, 2017, 46(13): 26 ? 32.

［3］ 郝曉虎. TC4 鈦合金/304 不銹鋼薄板鎢極氬弧焊接頭組織及性能研究 [D]. 遼寧大連: 大連理 工大學(xué), 2020.

Hao Xiaohu. Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy/304 stainless steel sheets gas tungsten arc welded joint [D]. Dalian, Liaoning, China: Dalian University of Technology, 2020.

［4］ 常敬歡, 曹睿, 閆英杰. 鈦合金/不銹鋼冷金屬過(guò)渡焊接頭組織及性能 [J]. 焊接學(xué)報(bào), 2021, 42(6): 44 ? 51.

Chang Jinghuan, Cao Rui, Yan Yingjie. Microstructure and properties of titanium alloy/stainless steel joint by cold metal transfer joining technology[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2021, 42(6): 44 ? 51.

［5］ 朱瑞, 李國(guó)選, 汪月勇, 等. TC4 鈦合金-316L 不銹鋼真 空釬焊接頭組織與性能研究 [J]. 有 色金屬工程, 2021,11(12): 8 ? 14.

Zhu Rui, Li Guoxuan, Wang Yueyong, et al. An investi-gation on microstructure and mechanical properties of vacuum brazed TC4 titanium to 316L stainless steel[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2021, 11(12): 8 ? 14.

［6］郭青蔚, 王桂生, 郭庚辰. 常用有色金屬二元合金相圖集[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

Guo Qingwei, Wang Guisheng, Guo Gengchen. Atlas of commonly used non-ferrous metal binary alloy phase[M].Beijing, China: Chemical Industry Press, 2010.

［7］ 余騰義, 陳樹(shù)海, 劉珂, 等. 釩作中間層的TC4 鈦合金與316L不銹鋼雙道激光焊接 [J]. 鋼鐵釩 鈦, 2023, 44(2): 92 ? 97.

Yu Tengyi, Chen Shuhai, Liu Ke, et al. Two pass laser welding of TC4 titanium alloy and 316L stainless steel with vanadium interlayer[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2023, 44(2): 92 ? 97.

［8］ Tomashchuk I, Grevey D, Sallamand P. Dissimilar laser welding of AISI 316L stainless steel to Ti6-Al4-6V alloy via pure vanadium interlayer[J]. Materials Science & Engi-neering: A, 2015, 622: 37 ? 45.

［9］ Xia Yueqing, Dong Honggang, Hao Xiaohu, et al. Vacuum brazing of Ti6Al4V alloy to 316L stainless steel using a Ti-Cu-based amorphous filler metal[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 269: 35 ? 44.

［10］ Jin Peng, Liu Yibo, Sun Qingjie, et al. Wetting mechanism and microstructure evolution of TC4/304 stainless steel joined by CMT with an assisted hybrid magnetic field[J].Journal of Alloys and Compounds, 2019, 819: 152951.

［11］ Song T F, Jiang X S, Shao Z Y, et al. Microstructure and mechanical properties of vacuum diffusion bonded joints between Ti-6Al-4V titanium alloy and AISI316L stainless steel using Cu/Nb multi-interlayer[J]. Vacuum, 2017, 145:68 ? 76.

［12］ Cheng Zhi, Huang Jihua, Ye Zheng, et al. Butt brazing of titanium alloys/stainless steel plates by MIG-TIG double-sided arc welding process with copper filler metal[J].Journal of Materials Research and Technology, 2019, 8 (1):1566 ? 1570.

［13］ Adomako N K, Kim J O, Lee S H, et al. Dissimilar welding between Ti-6Al- 4V and 17-4PH stainless steel using a vanadium interlayer [J]. Materials Science & Engineering:A, 2018, 732: 378 ? 397.

［14］Zhang Y, Sun D Q, Gu X Y, et al. Nd: YAG pulsed laser welding of TC4 Ti alloy to 301L stainless steel using Ta/V/Fe composite interlayer[J]. Materials Letters, 2017,212: 54 ? 57.

［15］ Li W, Yan L, Karnati S, et al. Ti-Fe intermetallics analysis and control in joining titanium alloy and stainless steel by laser metal deposition[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 242: 39 ? 48.

［16］ Gao Yidi, Zhou Jianping, Zhang Yan, et al. Two pass laser welding of TC4 titanium alloy and 304 stainless steel using TA2-Q235 composite interlayer[J]. Materials Letters, 2019,255: 126521.

［17］ Tomashchuk I, Sallamand P, Belyavina N, et al. Evolution of microstructures and mechanical properties during dissimilar electron beam welding of titanium alloy to stainless steel via copper interlayer[J]. Materials Science & Engineering: A, 2013, 585: 114 ? 122.

［18］ Fang Yongjian, Jiang Xiaosong, Song Tingfeng, et al.Pulsed laser welding of Ti-6Al-4V titanium alloy to AISI 316L stainless steel using Cu/Nb bilayer[J]. Materials Letters, 2019, 244: 163 ? 166.

［19］ Pardal G, Ganguly S, Williams S, et al. Dissimilar metal joining of stainless steel and titanium using copper as transition metal[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 86(5-8): 1139 ? 1150.

［20］ 陳國(guó)慶, 甘展華, 張戈, 等. 鈮合金與不銹鋼異種金屬焊接技術(shù)研究進(jìn)展 [J]. 航空制造技術(shù), 2023, 66(19): 93 ? 99.

Chen Guoqing, Gan Zhanhua, Zhang Ge, et al. Research progress of welding technology between niobium alloy and stainless steel dissimilar metal[J]. Aeronautical Manu-facturing Technology, 2023, 66(19): 93 ? 99.

第一作者：　郜雅楠，博士，講師；主要從事輕質(zhì)耐熱金屬基復(fù)合材料制備及連接等方向的研究； gaoyn@stdu.edu.cn。

通信作者：　胡連海，博士，副教授；主要從事高性能金屬材料制備及異種金屬連接等方向的研究； lianhai_hu@stdu.edu.cn。

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