鈦/鋼異種金屬焊接技術(shù)的研究進展

                                                             鈦/鋼異種金屬焊接技術(shù)的研究進展


    鈦和鋼廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，其中，鋼材主要用于船體，鈦合金則大量用于海水管路等部位，由于鈦與鋼的物理化學(xué)性能差異，焊接界面常形成大量脆性金屬間化合物，無法獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，因此產(chǎn)生了鈦/ 鋼連接問題。本研究在分析鈦/鋼異種金屬的焊接性基礎(chǔ)上，綜述了鈦/鋼異種金屬間的釬焊、壓力焊、熔焊等研究現(xiàn)狀，并對鈦/鋼異種金屬焊接的發(fā)展前景進行了展望。

     鈦及鈦合金具有一系列優(yōu)良的性能，如比強度高、耐蝕性能優(yōu)異、耐熱性能與低溫性能好、焊接性良好等，因此在船舶、航空航天、核能、石油化工等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。鋼鐵材料具有高強度以及良好的焊接性，且價格相對便宜。如果能得到有效的鈦/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)焊接接頭，充分利用鈦的耐蝕性和鋼的低成本，將會獲得獨特的性能優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟效益。然而，鈦和鋼在熔點、線膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率等物理性能方面存在明顯的差異，使得鈦與鋼在焊接過程中容易出現(xiàn)受熱不均和內(nèi)應(yīng)力，降低接頭性能。另外，鈦與鋼在晶格類型、原子半徑、電負性等化學(xué)性能方面相差顯著，存在冶金學(xué)不相容性，在焊接過程中，接頭中極易產(chǎn)生 Ti－Fe 脆性金屬間化合物，使接頭呈現(xiàn)很大的脆性，難以形成可靠的連接。近幾十年來，焊接工作者在鈦鋼異種金屬焊接方面開展了大量研究工作， 研究涉及的焊接方法大致可分為釬焊、壓力焊和熔焊三大類。本研究將綜述鈦鋼焊接的總體研究進展，總結(jié)鈦鋼異種金屬焊接面臨的主要問題，并對其未來發(fā)展前景進行展望。


  01鈦/鋼釬焊

   鈦/鋼釬焊的研究主要集中在工藝優(yōu)化、新型釬料的研制和加入金屬過渡層等方面。采用 Ag－28Cu 銀基釬料對 CP 鈦和 Q235 鋼進行真空釬焊，研究了不同釬焊工藝對鈦/鋼釬焊接頭的界面成分分布和剪切強度的影響。研究結(jié)果表明: 釬焊接頭結(jié)合區(qū)域的組織成分與釬焊溫度和保溫時間有關(guān)，逐漸消失; 隨著釬焊溫度和保溫時間的進一步增加，F(xiàn)e－Ti 脆性相的生成使接頭剪切強度進一步下降，直接升溫到釬焊溫度 保溫，釬焊接頭結(jié)合區(qū)域的成分主要為 Ag －Cu 共晶結(jié)構(gòu)，增加中間保溫過程，母材與釬料之間充分反應(yīng)，開始產(chǎn)生 Cu－Ti 金屬間化合物，釬焊區(qū)域中共晶結(jié)構(gòu)接頭最高剪切強度可達100 MPa。劉士磊等選用一種新型 Ti37．5Zr37．5Ni10 Cu15非晶釬料，實現(xiàn)了 TC4 鈦合金和 304 不銹鋼的釬焊連接，該釬料與 TC4 鈦合金母材側(cè)的冶金結(jié)合較好，與 304 不銹鋼側(cè)冶金作用較差，焊縫中心區(qū)域和靠近不銹鋼區(qū)域金屬間化合物較多，接頭剪切強度最高可達122. 14 MPa。

    探 究 了 Cr、V 粉末層介入對 TC4 和 304 鋼電阻釬焊的影響。其接頭形式，焊接母材尺寸均為 80 mm × 20 mm × 1. 2 mm。分別在不銹鋼、鈦合金表面添加 Cr、V 粉末層，實驗選用 Ag45CuZn 為焊接釬料。結(jié)果表明，釬焊接頭擴散反應(yīng)區(qū)新生成的 Fe－Cr、Ti－ V 相替代了 Fe－Ti、Cu－Ti、Cr－Ti 等脆性相，使得接頭的力學(xué)性能得到很大的改善，釬焊接頭剪切強度最高可達187 MPa。在此基礎(chǔ)上嘗試了在不銹鋼表面噴涂鎳涂層，開展了鈦鋼電阻釬焊的研究。研究表明，鎳噴涂層有效地改變了不銹鋼母材原子釬焊擴散過程的反應(yīng)機制，使 Ni 原子與 Fe、Cr 等原子共同參與釬焊過程和擴散反應(yīng)，形成了具有多層反應(yīng)區(qū)特征的顯微組織。當(dāng)涂層厚度為 27 μm 時，釬焊接頭獲得了最高剪切強度，為 254．71 MPa。
 

   鈦鋼釬焊溫度較低，對母材的組織和性能影響小。釬焊過程中鈦母材不發(fā)生熔化，可限制 Ti－Fe 脆性相的生成。選用合適的釬焊工藝參數(shù)、研制新型釬料和加入金屬過渡層， 可調(diào)節(jié)界面反應(yīng)層的成分和組織。由于釬焊效率低、成本高，真空、電阻釬焊又受設(shè)備條件限制，不適用于大尺度工件的焊接，且釬焊接頭強 度普遍較低，難以作為工程結(jié)構(gòu)承載件應(yīng)用。
 

   02鈦/鋼壓力焊

 鈦/鋼壓力焊的方法很多，主要包括爆炸焊、 擴散焊和摩擦焊三種。鈦/鋼擴散焊是近年來的研究熱點。 
 

   2．1 鈦/鋼爆炸焊 

     鈦/鋼爆炸焊技術(shù)已較為成熟，我國已經(jīng)能生產(chǎn)最大面積為 9 000 mm × 4 000 mm的鈦鋼復(fù)合板。爆炸焊接工藝條件較 多，主要有焊材的種類、厚度，炸藥的成分、密度、 爆速、動態(tài)碰撞角度以及基復(fù)板間距等。用 TA2 與 Q235B 進行了大量實驗，給出了爆炸焊爆速與動態(tài)碰撞角的范圍分別為 1． 8 ～ 2．6 km /s 和 11° ～ 17°，在此范圍內(nèi)可獲得良好的結(jié)合。在此基礎(chǔ)上開展了相關(guān)實驗，發(fā)現(xiàn) 3 mm 厚的 TA2 鈦板與 Q345Ｒ 鋼在上述參數(shù)下進行爆炸焊接時，很難獲得良好的焊接結(jié) 合，而在焊速＞760 m /s、動態(tài)碰撞角＞17°時，可獲得最高剪切強度為 387 MPa 的接頭。這反映了爆炸焊工藝仍面臨著普適性問題。何小松研究了熱處理對爆炸焊接成型的鈦鋼復(fù)合板界面強度的影響，結(jié)果表明，合適的退火溫度是提高復(fù)合板力學(xué)性能的關(guān)鍵，溫度過低則應(yīng)力無法徹底消除，溫度過高則接頭強度下降快，在 500 ～ 550 ℃范圍內(nèi)能得到綜合性能較好的鈦鋼復(fù)合板。 
 

PＲASANTHI 等研究表明，退火過程中 Ti 原子在鋼中擴散的距離遠遠小于 Fe、Cr 等原子在鈦中擴散的距離，因而脆性化合物往往產(chǎn)生于鈦側(cè)焊縫處，可能導(dǎo)致板材脫焊等問題。 

    爆炸焊具有方法簡單、能源豐富、靈活性強、 成本很低以及性能優(yōu)良等優(yōu)勢，但也存在一些局限性。其中，爆炸焊接工藝參數(shù)主要是針對特定的兩種或幾種金屬開發(fā)制定，一套工藝參數(shù)可能適用于某兩種金屬的焊接，但不一定適用于其他金屬。因此，探索合理的爆炸焊工藝參數(shù)普適理論仍是目前面臨的一個問題，同時，后續(xù)熱 處理過程仍然存在板材端部脫焊問題，如何改善邊界效應(yīng)仍需要研究。 
 

  2．2 鈦/鋼擴散焊 

   擴散焊是指兩直接接觸的被焊工件，在真空或惰性氣體環(huán)境中，高溫和一定壓力作用下，通過原子間相互擴散而形成冶金結(jié)合。

  鈦/鋼擴散焊的研究主要包括焊接工藝和中間層的研究。開展了 316L 不銹鋼和 TC4 鈦合金直接擴散焊的研究，結(jié)果表明，直接擴散焊焊縫界面處主要由 FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti 等脆性相組成，接頭性能差，不能形成有效連接。AYDAN 等采用純 Ni 中間層開展了 TA2 鈦合金和 430 不銹鋼的擴散焊工藝研究，接頭剪切強度，研究表明，Ni 雖然阻斷了 Fe、Ti 原子的直接接觸，形成了脆性較小的 TiNi 等脆性相，一定程度上改善了接頭性能，但接頭仍表現(xiàn)出脆性斷裂。DENG 等以 Ag 作為中間層對 Ti 和 304 不銹鋼進行擴散焊接，因為 Ag 僅與 Ti 生成 TiAg 相，與 Fe /Cr/Ni 不會形成金屬間化合物，并且 TiAg 相具有較大韌性，斷面有大量韌窩出現(xiàn)，實現(xiàn)了鈦鋼塑性連接，且接頭最高剪切強 度可達 410 MPa。宋庭豐等通過添加復(fù)合中 間層 Cu /Nb，開展了 316L 不銹鋼和 TC4 鈦合金擴散焊焊接工藝的研究，研究表明，當(dāng)焊接溫度 低于 900 ℃ 時，焊縫界面處能形成 TiA/α－βTi / Nb /Cu /Fe 的良好塑性過渡，最高剪切強度可達 489 MPa，且隨著焊接溫度和保溫時間的增加， Fe、Ti 原子充分擴散，開始形成 FeTi 脆性相，使接頭強度下降。SUKUMAＲ 等研究了 TC4 和 雙相不銹鋼有無 Ni 合金中間層的擴散焊過程， 試驗選用 150 μm 厚的 Ni－17Cr－9Fe 鎳合金中間層; 結(jié)果表明，不添加中間層時，焊接接頭剪切強度極低，加入中間層后，接頭剪切強度明顯提高， 且在 925 ℃ 下擴散焊接頭取得最大值 498． 3 MPa，同時伸長率可達 6．2%。

綜上所述，鈦合金和鋼材的直接擴散焊易產(chǎn) 生 FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti 等脆性相，難以形成有效連接。通過加入中間層可避免 Fe、Ti 原子的直接接觸，純 Ni 中間層能在一定程度上改善接頭性 能，但接頭仍為脆性斷裂，Ag 中間層可以實現(xiàn)鈦鋼塑性連接，但焊接成本高且對零件待焊面表面光潔度要求較高，同時受焊接設(shè)備影響，焊接接頭的形式與尺寸有限，焊接靈活性較差。擴散焊能獲得高強度接頭，接頭拉伸強度可達400～ 500 MPa，其中，Cu /Nb 復(fù)合中間層和 Ni 基合金中間層能在降低成本的同時得到優(yōu)良的焊接接頭，是未來的發(fā)展方向。

  2．3 鈦/鋼摩擦焊 
 

  摩擦焊是使用機械摩擦熱將待焊金屬表面加熱到一定溫度，通過接觸面發(fā)生蠕變和原子間互擴散而形成的冶金結(jié)合。摩擦焊可分為慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊。目前，鈦/鋼摩擦焊的研究主要集中在工藝優(yōu)化和中間層的研究。 

     研究了熱處理對 316L 不銹鋼和 TC4 鈦合金慣性摩擦焊焊接接頭的組織性能的影響，結(jié)果表明，由于焊接過程中金屬內(nèi)部缺陷變成表面裂紋而產(chǎn)生應(yīng)力集中，直接焊接接頭的平均拉伸強度僅為 117 MPa，在 600 ℃退火2 h后應(yīng)力得到釋放，接頭拉伸強度劇增至 419 MPa， 但接頭處仍有大量 TiC、Cr23 C6、FeTi、Fe2 Ti 等脆性相存在，斷裂仍為脆性沿晶斷裂。LI 等對 30CrMnSiNi2A 合金鋼及 TC4 鈦合金攪拌摩擦焊接工藝進行了詳細研究，研究表明，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，焊接接頭中 FeTi 脆性相的厚度相應(yīng)減小，當(dāng) FeTi 脆性相的平均厚度小于 5 μm 時， 能得到極限拉伸強度為 740 MPa 的無脆化焊接接頭，焊接系數(shù)為 0．82。 

     CHEEPU 等通過在不銹鋼表面電鍍一層 1 μm 厚的純 Ni 層，開展了 CP－Ti 和 304 不銹鋼慣性摩擦焊焊接工藝研究，接頭拉伸強度測試結(jié)果; 不加中間層，焊接接頭的拉伸強度普遍偏低，加入 Ni 中間層后，焊接接頭橫截面與焊縫金相組織，接頭脆性得到一定程度的改善，但仍會產(chǎn)生明顯缺陷，成分、組織均勻性難以保證，同時由于 TiNi 低脆性相的存在， 所有接頭斷裂都發(fā)生在鈦鎳界面，表現(xiàn)為脆性斷裂。KUMAＲ 等以純銅為中間層，研究了 TC4 和 304L 不銹鋼慣性摩擦焊工藝，純銅層能比較明顯地改善鈦鋼接頭脆性，最大拉伸強度可達 370 MPa，焊接系數(shù)為 0．72。

    鈦鋼摩擦焊存在應(yīng)力集中問題，接頭強度較低，難以實現(xiàn)有效連接。合適的退火工藝能在一 定程度上改善接頭應(yīng)力集中，提升接頭強度， 但解決不了界面脆性金屬間化合物的問題。通過調(diào)節(jié)焊接工藝減少接頭界面脆性相厚度或者加入中間層阻斷 Fe、Ti 原子的擴散、減少鈦鋼脆性相的生成、控制脆性相的種類，可使接頭強度得到一定程度的提升。對于鈦/鋼慣性摩擦焊， 接頭焊接系數(shù)可達 0． 7 左右，而對于攪拌摩擦焊，接頭焊接系數(shù)可達 0．8 左右。 
 

  03鈦/鋼熔焊

   鈦與鋼熔焊主要指鈦鋼焊接過程中均發(fā)生或某一側(cè)發(fā)生熔化，產(chǎn)生熔池凝固后形成熔焊連接。根據(jù)熱源不同可分為電弧焊、電子束焊、激光焊三種。 
 

3．1 鈦/鋼電弧焊 

  鈦/鋼電弧焊的研究主要集中于工藝技術(shù)的創(chuàng)新、新型焊接材料的研發(fā)、中間層的選擇以及在此基礎(chǔ)上進行的工藝參數(shù)的優(yōu)化。 

   HAO 等以銅基絲材 EＲCuAl－A1 為焊絲， 開展了 TC4 鈦合金和 304 不銹鋼 TiG 焊焊接熱輸入與組織性能關(guān)系的研究; 研究表明，隨著熱輸入的增加，新生成的 Ti－Cu 反應(yīng)區(qū)逐漸替代了 TiFe、TiFe2等脆性相，當(dāng)熱輸入增加到 2．34 kJ/ cm 時，接頭獲得最大剪切強度 107 MPa，隨著熱輸入進一步增加，F(xiàn)e、Ti 原子充分擴 散并開始逐漸產(chǎn)生 TiFe、TiFe2等脆性相，使接頭性能下降; 同時，所有斷裂都發(fā)生在 Ti－Cu 反應(yīng)區(qū)，斷口呈解理特征，說明新生成的 Ti－Cu 反應(yīng) 區(qū)仍為脆性組織。CHENG 等以銅基絲材 CuSi－3 為焊絲實現(xiàn)了 TC4 鈦合金和 304 不銹鋼 的 MIG－TIG 雙面對接焊。分析表明，Si 元素的加入使接頭界面原有的 Ti－Cu、Cu－Fe 反應(yīng)區(qū)被新生成 的 TC4 /Ti2 Cu、TiCu /Ti － Cu、Ti5 Si3 /Cu、 FeSi /Fe( s，s) /304ss 等金屬間化合物所取代，進 一步改善了接頭性能，使接頭平均拉伸強度可達 278 MPa，最終斷裂發(fā)生在不銹鋼側(cè)。張敏等通過在 TA1 和鋼之間利用爆炸焊嵌入 1 mm 厚 的 Cu 層，再以過渡層焊接材料 Cu－Ag－Mo－Nb 為焊絲，對 TA1 /Cu /X65 三層復(fù)合板進行了 TIG 對接焊，中間層 Cu 夾層和 Cu－Ag－Mo－Nb 焊絲的使用，有效地抑制了焊接過程中鈦鐵元素的直接冶金作用，形成了塑性較好的銅基固溶體和 Ti－Ag 等金屬間化合物，接頭平均拉伸強度可達 507 MPa，拉伸時裂紋先產(chǎn)生于 TA1 層和過渡層之間，隨后向鋼層擴展，最終在鋼層斷裂。MOU 等和 GONACALO 等通過改變電源電壓、焊接電流和焊接位置，同時采用銅基焊絲，開展了鈦鋼冷金屬過渡焊的研究，但接頭拉伸強度均未能達到 300 MPa。 

     電弧焊能在大氣環(huán)境下進行，對焊件尺寸要求較小，具有適應(yīng)性強、易于操作、焊接成本低等優(yōu)勢，但常規(guī)電弧焊如 TIG、MIG 焊焊接接頭強度太低，爆炸－TIG 復(fù)合焊雖然強度高，但由于鈦 鋼熱導(dǎo)率與線膨脹系數(shù)的不同，焊接過程中容易產(chǎn)生熱應(yīng)力及裂紋，焊接成功率不高。進一步開發(fā)新的焊接材料，改善焊接工藝以控制鈦鐵原子的擴散、保證焊接成功率，仍是需要解決的問題。
 

   3．2 鈦/鋼電子束焊和激光焊 

電子束焊和激光焊都屬于高能束流焊接技術(shù)，具備能量密度高、熱輸入可控和冷卻迅速等特點，焊接過程中，焊件界面原子擴散時間較短， 這意味著只要采用合適的焊接工藝和保證一定的中間層厚度，就可以得到成型較好的焊接接頭。目前，鈦/鋼激光焊和電子束焊的研究主要集中在焊接工藝和中間層方面。WANG 等開展了加不同中間層 Ti－6－2－ 2－2 鈦合金和 304 不銹鋼電子束焊接的研究，分別選用 0．5 mm 的 V、Ni、Cu、Ag 作為中間層，測 試結(jié)果

    當(dāng)加入 V 中間層時，鈦鋼接頭直接開裂，這是由于 V 在 TiFe 相中溶解度極低，電子束焊接 快速冷卻過程中，過飽和的 V 從不同位置 TiFe 相中析出，使接頭急劇脆化。加入 Ni、Cu、Ag 中 間層時，接頭界面微觀組織主要為 Fe2Ti+Ni3Ti+ NiTi2、Cu2Ti+CuTi+CuTi2和Ti2Ag，其中 Ti－V、Ti－ Ni 斷面為解理型斷面，屬于脆性斷裂，因而強度極差，Ti－Cu 金屬間化合物脆性較小，斷面顯示出準(zhǔn)解理特征，強度較前兩者有所提升。Ti－Ag 界面主要由Ti2Ag相組成，斷面顯示出明顯的韌窩形態(tài)，屬于塑性斷裂，接頭拉伸強度最高，可達 310 MPa。在HＲ－2 不銹鋼表面電鍍 Ag、Cu 薄膜，并將電子束流向鋼側(cè)偏移，使不銹鋼側(cè)熔化并潤濕釬接鈦合金，但仍沒有控制住 Fe 原子的擴散，接頭拉伸強度僅為 45 MPa( 鍍 Ag) 和 100 MPa( 鍍 Cu) 。TOMASHCHUK 等以銅 為中間層，實現(xiàn)了鈦合金和 316L 鋼的電子束焊接，接頭拉伸強度最高可達 350 MPa。ZHANG 等采用鈦側(cè)偏束，開展了 TC4 鈦合金和 301L 不銹鋼激光焊的研究，最優(yōu)焊接工藝下，接頭截面微觀組織和反應(yīng)區(qū)微觀組織。鈦鋼結(jié)合界面處于焊接熱影區(qū)中， A 區(qū)為 β－Ti，B 區(qū)為 β－Ti+TiFe 相，C 區(qū)為 Ti2Fe 相。接頭仍為脆性接頭，拉伸強度最 高可達 336 MPa。ZHANG 等隨后在此基礎(chǔ)上 加入 Ta－V－Fe 復(fù)合中間層，試驗過程中，分別在 TC4－Ta 界面和 Fe－SS 界面兩個位置處焊接，并 保證 V 中間層不完全溶化; 結(jié)果表明，Ta－V－Fe 復(fù)合中間層的存在成功阻止了 Ti－Fe 脆性相的生成，得到了拉伸強度為 627 MPa 的接頭，此即 V 中間層的拉伸強度，接頭最終斷裂在 V 中間層 處。
 

      綜上所述，直接采用電子束焊或激光焊焊接 鈦合金和鋼鐵材料，因接頭處界面產(chǎn)生大量的 Fe－Ti 脆性相而無法實現(xiàn)可靠連接。目前，由于尚未找到一種能同時與鈦鋼形成性能穩(wěn)定的過渡組織的金屬材料，因此添加單一金屬中間層對 Fe-Ti 脆性相的抑制效果不明顯，尋找能避免脆性相的性能穩(wěn)定過渡的多種金屬復(fù)合中間層仍 是未來的發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)功率密度、焊接速度以控制焊接熱輸入，改變束流偏移量以得到合適的熱量分布，可進一步提高焊接質(zhì)量。

   鈦/鋼釬焊能得到脆性較小的釬焊接頭，同時工藝過程易于控制，可滿足鈦/鋼接頭的密封性能要求，適用于焊接尺寸較小的微電子領(lǐng)域。鈦/鋼爆炸焊適用于大面積板材焊接，生產(chǎn)工藝較為成熟，但普適性有待提高，且后續(xù)熱處理過程仍然存在板材端部脫焊等情況，如何改善邊界效應(yīng)仍需要研究。對于鈦/鋼擴散焊、摩擦焊和 熔焊，鈦/鋼界面易形成脆性金屬間化合物仍是鈦鋼異種金屬焊接的最大困難，尋找合適的復(fù)合金屬中間層和合理的焊接參數(shù)匹配以調(diào)節(jié)焊接接頭界面成分、減少脆性金屬間化合物的產(chǎn)生仍是熔焊未來的研究方向。另外，近年來異種金屬制備新方法如 GMA、激光、電子束熔絲 沉積增材制造梯度材料，鈦鋼軋制復(fù)合以及爆炸－電弧復(fù)合焊的出現(xiàn)，為解決鈦鋼異種金屬焊接難題提供了新的思路。 

    目前，已有的研究多集中于焊接工藝與接頭組織成分、接頭力學(xué)性能關(guān)系的研究，而對異種焊接接頭的界面形成規(guī)律缺乏深入系統(tǒng)的研究。例如，焊縫界面中間相的形成、元素的分布以及它們與接頭性能的關(guān)系等。深入系統(tǒng)研究鈦鋼異種焊接界面形成規(guī)律，對指導(dǎo)改善鈦鋼異種金屬焊接接頭組織性能具有重要意義。