張義弓，劉愛國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

TA2/16MnR異種冷金屬過渡焊接工藝研究

張義弓，劉愛國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

在16MnR上堆焊一層純鎳，使用冷金屬過渡焊接技術(shù)在大氣環(huán)境下對TA2和16MnR進行搭接焊。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和顯微硬度儀對鈦/鋼異種金屬連接的焊縫組織、成分和顯微硬度分布進行分析。結(jié)果表明在鈦板和鋼板兩側(cè)均有脆性金屬間化合物生成。通過堆焊鎳過渡層能一定程度上抑制鐵-鋁金屬間化合物的產(chǎn)生，提高焊縫的力學(xué)性能。

冷金屬過渡；顯微硬度；金屬間化合物

隨著科技的發(fā)展，單一的傳統(tǒng)材料往往很難滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量要求。在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到異種金屬的連接問題。鈦由于其比強度高、密度低、抗腐蝕能力強等特點[1]，被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療器械、核動力等領(lǐng)域[2]，但鈦的價格相對較為昂貴。鋼有較好的焊接性和力學(xué)性能且價格較低[3]。鈦/鋼的焊接既可以有效的節(jié)約成本，又可以得到密度較低、比強度高的綜合性材料。

張瑛瑛[4]采用Cu、CuNb合金、Nb作為填充材料，對TCA鈦合金與lCr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼進行了TIG熔釬焊連接，結(jié)果顯示，分別采用Cu、CuNb合金、Nb作為填充材料進行鈦合金與不銹鋼的焊接，難以有效避免脆性金屬間化合物的生成，其中采用CuNb合金填充材料接頭抗拉強度最大可達125MPa。

Ting Wang等[5]用V/Cu基復(fù)合材料作為填充材料，對Ti6Al2Zr2Mo2V鈦合金和304奧氏體不銹鋼進行了電子束焊接，表明單一的填料不能有效抑制Ti-Fe金屬間化合物的生成，只有兩種或兩種以上的填料才能達到抑制效果。其中V/Cu金屬間化合物的生成量最小。

通過鈦/鋼異種金屬的焊接在真空條件下取得了一定強度的焊接接頭。但由于在真空環(huán)境下焊接價格較為昂貴且不能對較大工件進行施焊，限制了其應(yīng)用范圍。冷金屬過渡焊接技術(shù)在異種金屬的焊接中有較大優(yōu)勢，本文通過過渡層的方式，應(yīng)用冷金屬過渡焊接技術(shù)對鈦/鋼異種金屬連接進行研究。

1 實驗

實驗?zāi)覆臑門A2工業(yè)純鈦和16MnR低合金鋼板，板厚均為6mm。兩種母材的主要化學(xué)成分如表1所示。其中TA2屬于退火態(tài)工業(yè)純鈦，室溫下抗拉強度為441MPa[6]；16MnR屬于普通低合金鋼，是壓力容器的常用材料，室溫下抗拉強度為551MPa[7]。

表1 母材的化學(xué)成分 wt.%

實驗采用氧乙炔火焰切割，將母材切割成200mm×100mm的長方形焊接試樣，不銹鋼刷打磨，用角磨砂輪去除母材表面的氧化皮。采用Trans Plus Synergic 4000型CMT焊機。將焊槍裝卡到FANUC焊接機器人上，通過焊接機器人對焊接速度進行控制。焊槍和焊接機器人共同工作，用直徑為1.2mm的ER5356鋁鎂焊絲對鋼板和鈦板進行搭接焊。在鋼板上堆焊一層純鎳過渡層，然后將鎳堆焊表面機械打磨平整。焊接電流為70A，焊接電壓為11.5V，焊接速度為0.7m/min，Ar流量為18min/L。實驗結(jié)束后，用線切割橫向切取15mm×15mm的焊接接頭試樣，拋光、腐蝕后，掃描電子顯微鏡(SEM)對焊接接頭的顯微組織進行觀察；能譜測試儀(EDS)對焊縫的元素組成進行分析；顯微硬度儀對鋼側(cè)和鈦側(cè)進行顯微硬度測試(在焊縫處每隔0.25mm取一點進行顯微硬度測試)。

2 實驗結(jié)果分析

硬度是衡量材料機械性能的一項重要指標(biāo)。采用顯微維氏硬度儀來測試焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度，觀察硬度的變化規(guī)律，如圖1所示，由中間點開始每隔0.25mm取一點進行硬度測試。

圖1 顯微硬度點分布

圖2a為鈦側(cè)焊縫內(nèi)的顯微硬度分布，隨著測試點到鈦側(cè)焊縫的距離減小，硬度逐漸增加，在焊縫界面附近出現(xiàn)最大值379.91HV，繼續(xù)向焊縫內(nèi)打點硬度有一定降低，然后升高到和釬焊界面相近硬度378.42HV后，硬度突然降低到100HV以下，硬度在65.00HV作用很小范圍內(nèi)上下波動。圖2b為鋼側(cè)焊縫內(nèi)的顯微硬度分布，在鋼板內(nèi)硬度為196.52HV，在鋼板和Ni過渡層的交界面硬度突然提高為408HV，進入Ni過渡層后硬度在200HV左右很小范圍內(nèi)上下波動，在Ni過渡層焊縫界面處硬度突然增大到394.39HV，進入填充金屬后硬度突然降低到64HV左右，該硬度值為ER5356鋁合金的顯微硬度。

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

為了解TA2工業(yè)純鈦和16MnR低合金鋼接頭連接的結(jié)合機理，需觀察焊接接頭的宏觀形貌。本實驗采用的焊絲為ER5356鋁鎂合金焊絲，熔點較低(660℃)；TA2工業(yè)純鈦的熔點為1670 ℃；16MnR熔點為1300℃。在焊接過程中，只有鋁鎂合金焊絲在電弧作用下熔化。而熔點較高的工業(yè)純鈦和16MnR低合金鋼不熔化或者微熔。圖3為鈦、鋼焊接接頭的宏觀形貌。從圖3中可看出，焊縫和鋼側(cè)的有明顯分界線，鋼側(cè)焊縫界面通過鋁原子擴散作用和鐵、鎳原子結(jié)合；鈦側(cè)焊縫界面通過鋁原子擴散作用和鈦原子結(jié)合。

圖2 鈦側(cè)和鋼側(cè)焊縫顯微硬度

圖3 鈦/鋼焊接接頭的宏觀形貌

2.2 鈦側(cè)焊接接頭的組織分析

在對鈦/鋼異種金屬冷金屬過渡焊接過程中，熔融的焊縫金屬原子通過原子間的相互擴散作用在釬焊的焊接界面生成一層Ti-Al金屬間化合物。通過分析Ti-Al金屬間化合物的形態(tài)、種類、厚度等觀察和分析鈦/焊縫之間釬焊界面的連接情況。

圖4分別為80倍和2000倍放大后的鈦側(cè)焊縫組織情況。其中圖4b中間位置的銀灰色區(qū)域為金屬間化合物層，厚度為60～70μm。金屬間化合物層分為兩層，靠近Ti基體的一側(cè)較為平整;靠近Al側(cè)為鋸齒狀，局部為針狀，向焊縫金屬內(nèi)部生長。用EDS對金屬間化合物平滑區(qū)域內(nèi)進行點掃描，得出各種元素占總原子數(shù)的百分比為76.20%Al、20.33%Ti、0.06%Mn、3.41%Ni；由于擴散作用有少量的Ni和Mn擴散到焊縫中，結(jié)合Ti-Al二元相圖[8]，分析其成分為TiAl3。用EDS對鋸齒狀黑色部分區(qū)域進行點掃描，得出各元素占總原子數(shù)百分比為97.63%Al、0.03%Mn、1.49%Fe、0.85%Ni，主要成分為Al，焊縫中有少量的Fe和Ni，這些Fe和Ni是通過擴散作用進入到焊縫中的；Fe和Ni常溫下在Al中的溶解度很小[9]，因為Fe和Ni是以Fe-Al和Ni-Al金屬間化合物形式存在于焊縫中。使用EDS對鋸齒狀區(qū)域內(nèi)白色部分進行點掃描，得出各元素占總原子數(shù)的百分比為77.33%Al、22.67%Ti，該區(qū)域內(nèi)的Al和Ti原子數(shù)比與平滑區(qū)域內(nèi)Al和Ti原子數(shù)比相近，分析該區(qū)域成分也為TiAl3。TiAl3為有序狀結(jié)構(gòu)，主要靠結(jié)晶形核長大，其生長有方向性，因此生長為針狀或棒狀；又由于TiAl3為脆性金屬間化合物，使焊縫的焊接接頭變得較脆，易發(fā)生斷裂。

圖4 鈦側(cè)焊縫組織形態(tài)

為了解鈦側(cè)焊縫金屬間的元素分布，對焊縫區(qū)域進行線掃描(圖5)。由圖5b可知，隨測試點到鈦側(cè)釬焊界面距離的減小，鋁元素的含量逐漸減少，鈦元素的含量逐漸增加；在焊縫內(nèi)的白色棒狀區(qū)域內(nèi)也有少量的Ti存在，Ti和Al的比例為1∶3，經(jīng)分析為金屬間化合物TiAl3，金屬間化合物TiAl3的存在是該區(qū)域硬度提高的主要原因。

圖5 鈦側(cè)結(jié)合面線掃描譜線

2.3 鋼側(cè)焊接接頭的組織分析

相比于鈦側(cè)焊縫截面，鋼側(cè)焊縫的成分較為復(fù)雜。由于本實驗在鋼板上堆焊了一層純鎳，因此，焊縫中由于原子的擴散作用易形成Ni-Al、Fe-Al金屬間化合物，如圖6所示。圖6a和圖6b分別為鋼側(cè)焊縫80倍和2000倍放大后的焊縫組織情況，圖6b中間的銀灰色區(qū)域為金屬間化合物層，厚度為120～130μm；金屬間化合物層也分為兩層，一層為靠近鋼側(cè)的金屬間化合物層，外觀平整均勻，另一層靠近Al側(cè)呈柱狀或針狀向焊縫內(nèi)部生長。用EDS對該區(qū)域進行點掃描，得出各種元素占總原子數(shù)的百分比為76.20%Al、0.06%Mn、20.33%Fe、3.41%Ni，其中Ni+Fe與Al的比例為1∶3，經(jīng)分析得金屬間化合物的成分為NiAl3+FeAl3。用EDS對鋸齒狀金屬間化合物黑色區(qū)域進行點掃描得出各元素占總原子數(shù)的百分比為99.53 %Al、0.47 %Ti；該區(qū)域成分主要為Al，并有少量的Ti，分析認為該區(qū)域內(nèi)的Ti原子是由其擴散作用進入的。

圖6 鋼側(cè)焊縫組織形態(tài)

為分析焊縫周圍的元素分布對鋼側(cè)焊縫進行線掃描(圖7)，由圖7b可知，在由焊縫到母材方向，Al含量逐漸減少，F(xiàn)e含量逐漸增加。在焊縫界面處有Al原子擴散到鋼板中與Fe原子和Ni原子形成金屬間化合物FeAl3和NiAl3。由于FeAl3和NiAl3均為脆性金屬間化合物且延展率幾乎為0，是造成焊縫脆性斷裂的主要原因。

圖7 鋼側(cè)結(jié)合面線掃描譜線

3 結(jié)論

(1)鈦板母材和鋼板母材與焊縫交界面處硬度變大。在兩側(cè)母材和焊縫內(nèi)的硬度變化不大。

(2)鈦側(cè)焊縫界面有Ti向焊縫內(nèi)擴散，在焊縫內(nèi)形成脆性金屬間化合物TiAl3，使鈦板焊縫焊接接頭的強度性能下降。

(3)鋼側(cè)焊縫，由于Ni過渡層的作用，有脆性金屬間化合物NiAl3和FeAl3生成，其中Ni能減少FeAl3的生成量。

[1]張洪濤.鋁/鍍鋅鋼板CMT熔-釬焊機理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[2]V N Zamkov,李寶明.鈦合金的焊接與釬焊[J].稀有金屬材料與工程,1986,11(10):79-83.

[3]王廷,張秉剛,陳國慶，等.鈦/鋼異種金屬焊接存在問題及研究現(xiàn)狀[J].焊接,2009(9):29-33.

[4]張瑛瑛.鈦合金/不銹鋼TIG熔焊接頭微觀組織及力學(xué)性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[5]Ting Wang,Binggang Zhang.High strength electron beam welded titanium-stainless steel joint with V/Cu based composite filler metals[J].Vacuum,2013，94(8):41-47.

[6]劉曉燕.室溫ECAP變形工業(yè)純鈦變形行為及組織性能研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2014.

[7]王寧煦.壓力容器用鋼板16MnR焊后熱處理工藝參數(shù)的研究與優(yōu)化[D].天津：天津理工大學(xué),2014.

[8]X U Yue,P He,J C Feng,et al.Microstructure and interfacial reactions of vacuum brazing titanium alloy to stainless steel using an AgCuTi filler metal[J].Materials Characterization,2008,59(12)：1721-1727.

[9]Taeshin CHUNG.Microstructures of brazing zone between titanium alloy and stainless steel using various filler metals[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22(10):22-23.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Study on Cold Metal Transfer Welding Technology Between TA2 and 16MnR

ZHANG Yigong， LIU Aiguo

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Through surfacing a layer of pure nickel on 16MnR,lap welding of TA2 and 16MnR is processed by using cold metal transition welding technology in atmospheric environment.Organization,composition and hardness distribution of titanium/steel dissimilar metal weld is analyzed by optical microscope,scanning electron microscope and Micro hardness tester.The result showed that there was brittle inter-metallic compound formation on both sides of he titanium plate and steel plate.It can inhibit the production of Fe-Al inter-metallic compound and improve mechanical properties of the weld by surfacing a layer of pure nickel.

cold metal transition；micro-hardness；inter-metallic compound

2015-11-08

張義弓(1989—)，男，碩士研究生； 通訊作者：劉愛國(1969—)，男，教授，博士，研究方向：堆焊、新材料的焊接。

1003-1251(2016)06-0039-05

TG457.1

A