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文献综述

TC4/304不锈钢异种金属焊接工艺及接头性能研究

1.课题研究的意义及背景

随着航空航天等领域高新技术的快速发展，我们对材料的要求越来越高，如今无论从经济性还是实用性上来说，单一的材料已经满足不了快速发展的科技和人们日益增长的需求。采用异种材料的复合结构能够兼有两种材料的优点，最大程度的降低材料成本和提高材料性能。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，钛及其合金由于其比强度高、密度低、耐高温、耐腐蚀以及塑性和韧性优良的性能广泛应用于航空航天(如图一)、石油化工等领域。而Ti-6Al-4V合金（TC4）由于其优良的性能成为钛合金中的王牌合金。然而由于钛及其合金的价格昂贵，导致其无法在工业工程中得到广泛的应用。不锈钢作为一种常见的结构材料，具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性、冷热加工性能等，且价格相对较低，经济性好。304不锈钢是一种常见的不锈钢，也叫做18/8不锈钢。耐高温800℃，具有加工性能好、耐蚀性好、韧性高等特点，用途广泛。

如果将两者的优点相结合，既能拥有钛的特性，又能降低成本。所以开展钛合金和不锈钢焊接方面的研究，无论是从经济角度，还是从使用性能角度都是非常有必要的，具有广阔的应用前景和深远意义。

目前，钛合金与不锈钢焊接的方法主要有：电弧焊、激光焊、电子束焊、爆炸焊、摩擦焊、扩散焊、钎焊等。而冷金属过渡焊接技术(CMT)是一种新型的熔化极气体保护电弧焊方法，该方法通过采用数字化电源和过程的精密控制技术，使得在焊接过程中可大幅度降低焊接热输入量，从而减小焊接残余应力和焊接变形。

本文的研究内容包括利用CMT焊接方法对TC4/304不锈钢异种金属进行焊接试验。分析TC4/304不锈钢异种金属焊接工艺，焊接参数的的选择以及焊缝成形。分析TC4/304不锈钢异种金属焊接冶金问题及其力学性能，重点研究TC4/304SS异种金属焊接接头界面微观组织及其对力学性能的影响。

2.CMT焊接的基本原理

2.1 CMT焊接的原理

冷金属过渡焊接技术(CMT)是一种新型的熔化极气体保护电弧焊方法，CMT技术第一次将送丝与焊接过程控制直接地联系起来。当数字化的过程控制监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离（如图1）。在全数字化的控制下，这种过渡方式完全区别于传统的熔滴过渡方式，CMT技术实现了无电流状态下的熔滴过渡。当短路电流产生，焊丝即停止前进并自动地回抽，在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少，整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。CMT熔滴过渡过程中，熔滴的”热一冷一热一冷”的循环过程，显著降低了飞溅和焊接热输入量[1-2]。

CMT技术是在短路过渡基础上开发的,普通的短路过渡过程如下:焊丝端部熔化形成熔滴,熔滴与熔池接触形成短路,焊丝爆断,短路时伴有大的电流和飞溅。而CMT技术在熔滴短路时,焊机得到短路信号后会切断电流,同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落,实现熔滴的冷过渡,消除了飞溅现象[3]。

(a)焊丝进给电弧燃烧 (b)电流短路焊丝回抽

(c)电弧再燃熔滴过渡 (d)焊丝进给循环往复

图1 CMT熔滴过渡图像[4]

2.2 CMT焊接的优点

送丝系统和熔滴过渡的数字化协调控制：CMT焊接技术首次将送丝与焊接过程控制直接地联系起来。数字化处理器监测到短路信号会实时反馈给送丝机，送丝机回抽焊丝，促使焊丝与熔滴分离。这种全数字化的熔滴过渡方式已经完全地区别于传统的自由过渡方式:(1)无电流状态下的熔滴过渡：CMT技术首次实现了无电流状态下的熔滴过渡，CMT焊接系统的数字化控制系统会自动监控短路过渡的过程，焊丝与工件短路时，短路电流几乎为零，送丝机停止送丝并自动回抽焊丝。这样就减少了电弧输入热量的时间，短路时电弧熄灭，大幅降低热输入量。整个熔滴过渡过程就是高频率的”热-.冷-热”交替的过程。(2)CMT技术精准控制弧长：普通MIG/MAG焊弧长是通过电压反馈方式控制的，电弧的稳定性往往受到工件表面平整度及焊接速度的影响。CMT的电弧长度控制是机械式的，系统会根据实际情况自动调节保持电弧长度不变，就是说不管工件的表面状态如何或焊接速度有多快，电弧都能够保持稳定。它能保证CMT电弧的稳定性，即使在焊接速度极快的前提下，也不会出现断弧的情况。(3)热输入量低，焊接变形小：CMT焊接过程是”冷-热-冷-热”循环过程，当熔滴短路时，焊机切断输入电流，此时，热输入量极小，故CMT焊接技术外观成型良好，焊接变形小，特别适用于1mm以下的薄板的焊接。(4)CMT焊接技术实现了无飞溅焊接：在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离。通过对短路的控制，保证短路电流很小，从而使得熔滴过渡无飞溅。这就是CMT技术：无飞溅冷熔滴过渡。通过CMT技术可以很轻松的实现无飞溅焊接，钎焊接缝，0.3mm超薄板的焊接以及背面无气体保护的对接结构件的焊接等。而传统的焊接技术要实现这些应用将耗费巨大的精力。(5)CMT技术良好的搭桥能力：由于CMT焊接过程是通过数字化处理器来实现焊接电流、电压的控制，因此，CMT焊接对工件装配间隙要求降低，实验统计1mm钢板的搭接接头最大搭接间隙允许达到1.5mm。(6)焊接速度快：CMT技术通过数字化控制器来控制电流、电压，可保证焊接电弧的稳定性，即使在焊接速度极快的前提下，也不会出现断弧的情况。数据显示，在相同的焊缝质量和熔深要求下，CMT的焊接速度比传统的短路过渡可提高2倍以上。(7)污染低：CMT焊接工艺的热输入量极低，母材熔敷飞溅少，故高温蒸发，排放在空中的金属少[5]。

2.3 CMT焊接的应用

CMT焊接技术通过采用数字化电源和过程的精密控制技术，使得在焊接过程中可大幅度降低焊接热输入量，从而减小焊接残余应力和焊接变形。几乎可以应用于所有已知的材料,拥有广泛的应用领域,包括微电子器件、机车制造行业、航天领域、桥梁和钢结构等领域。CMT技术由于具有热输人量小、无飞溅、焊接速度快、焊接质量好、装配间隙容忍度高、焊接变形小、焊缝均匀一致等优点,拓宽了普通MIG/MAG焊难以涉及的领域,如薄板或超薄板(0.3-3.0mm)的焊接,电镀锌板或热镀锌板的无飞溅CMT钎焊,钢与铝异种材料连接等领域。目前CMT技术的主要应用有：(1)无飞溅的MIG钎焊：由于很低的热输入量以及真正的无飞溅焊接，使之可以进行钎焊。独特的熔滴过渡方式，使它可以适于各种位置的钎焊。效率和应用范围与传统钎焊相比，效率更高，应用更广。(2)焊接薄板：CMT解决了传统气体保护焊热输入量大和因此带来的焊接变形大、飞溅大的问题。非常适于焊接薄板材料，甚至到0.3mm的超薄板，并且无需担心烧穿和塌陷。(3)钢与铝的异种金属焊接：随着汽车行业越来越多的应用铝板，钢与铝的连接也就是一个必须解决的问题。人们对此进行大量的研究，热连接或者普通的熔焊，在连接钢与铝时产生较厚的脆性金属间化合物，这影响了接头性能。在用CMT焊接镀锌钢板与铝的研究中，CMT可以很好的控制脆性金属间化合物的厚度，保证接头的力学性能。在焊接铝与镀锌钢板时减少锌层的蒸发，保证了材料的抗腐蚀性。

除此之外，CMT有非常好的适应性，不必像TIG一样对装配精度要求极高。再加上一元化的专家库系统，使它特别适用于自动焊。因此，CMT是一种非常有发展前景的工艺。在汽车行业、家用电器、航天和航空工业、船舶行业和某些建筑行业都有很好的应用前景[6]。

3.钛合金与不锈钢焊接中的问题

钛及钛合金与钢在密度、熔点、比热容和线膨胀系数等性能方面差异很大，其焊接问题主要表现在以下方面。

物理性能方面：由于铁、钛的烙点相差约140℃，当铁熔化时，钛仍成固体状态，这时已熔化的材料容易渗入过热区的晶界，会造成低熔点材料的流失、合金元素烧损或蒸发，使焊接接头难以焊合。铁的线膨胀系数约为钛的1.5倍，焊接时由于变形量不同，冷却时容易形成较大的残余应力，从而导致焊缝区和热影响区产生裂纹，严重时甚至会导致焊缝与母材的剥离铁的热导率约为钛的5倍，这会导致两侧金属受热不均，热输入量产生差异，金属的熔化量也不同，从而影响焊缝金属的成分，影响接头质量。

化学性能方面：由钛－铁二元相图（图2）可知，铁在882℃时发生相变，高温时以体心立方晶格β-Ti形式存在，低温时以密排六方晶格α-Ti形式存在。常温下铁在α-Ti中的溶解度很小，仅为0.1%左右，在共析温度下不超过0.5%。Fe在β-Ti中的溶解度较高，当铁合金中含铁量超过0.1%时，冷却时就会生成硬脆的金属间化合物TiFe、TiFe₂、Ti₂Fe，使接头塑性严重下降，脆硬性增加。高温下铁的吸气能力显著提高，从250℃开始吸收氨，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，焊接区会被这些气体污染而脆化，甚至产生气孔。钛是强碳化物形成元素，极易与钢中的碳形成脆性相TiC。当与含的铬、镍的奥氏体不锈钢焊接时，高温下铁会与铬、镍形成复杂的金属间化合物，导致焊缝脆化，降低接头性能，甚至产生裂纹、气孔等焊接缺陷。

Ti易与钢中的Ni、Cr、C等元素形成TiNi₃、TiNi₂、TiNi、TiCr₂、TiC等多种脆性相金属间化合物，使焊缝脆化，严重降低焊接接头性能。

不存在同时与Ti、Fe不形成单一金属的金属间化合物，因此钛/钢的间接连接中，过渡层的选择较为困难[7-8]。

图2 Ti-Fe二元相图

4.钛合金与不锈钢焊接工艺国内外研究现状及分析

铁在钛中溶解度极低,焊接时焊缝金属中容易形成金属间化合物TiFe、TiFe₂,使接头金属塑性严重下降,脆性增加。同时,高温下钛易于吸收氢、氧、氮,使焊接区被这些气体污染而脆化,甚至产生气孔,严重影响焊接质量。为了克服困难,获得良好的焊接接头,国内外学者进行了大量研究。

焊接方法可以分为三大类，即熔化焊、压力焊和钎焊。其中熔化焊方法常见的有TIG、MIG、MAG、埋弧焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊等。压力焊包括电阻焊、摩擦焊、扩散焊和爆炸焊等。钎焊包括硬钎焊和软钎焊。下面综述各种焊接方法在钛/钢焊接中的研究现状。

4.1熔化焊

采用熔化焊能够简化部分工艺,从而提高焊接生产率。但是,金属间化合物的产生仍是这类焊接方法的主要难题,另外,由于线膨胀系数不同,热应力以及裂纹都使熔化焊接的主要缺点,因此常规熔化焊接成功率也不是很高。若想用熔化焊方法实现钛/钢的有效连接，目前可行的方法是采用添加填充层的方式。

4.1.1 TIG焊

张(王莹)瑛等人采用Cu、CuNi合金、Nb作为填充材料，进行了TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的TIG熔焊连接，测试了接头的拉伸强度，并利用光学显微镜、SEM、EDAX、XRD对接头的微观组织进行了分析。实验结果表明：填充CuNi合金焊接不锈钢时，焊缝中无裂纹产生，焊接接头的拉伸强度高。采用Cu作填充金属焊接钛合金无法抑制脆性相的生成，焊接接头的拉伸强度较低。而填充Nb焊接钛合金时，焊缝中无裂纹产生，其拉伸强度有很大的提高。使用单一填充金属焊接TC4与1Cr18Ni9Ti难以有效避免脆性金属间化合物的生成。采用过渡层法焊接钛合金与不锈钢，可以有效地阻止Ti-Fe、Ti-Cu和Fe-Nb之间的相互扩散，避免焊缝中金属间化合物的大量生成，提高焊接接头的力学性能[9]。

4.1.2激光焊

激光焊接具有高能量密度、快速加热和冷却、焊缝深宽比大、热影响区小以及热源可精确控制的特点,使得激光焊接成为焊接异种金属较为理想的焊接方法。

单磊等人对钛合金/钢激光焊接进行研究,分析了钛合金和钢激光焊接性。结果表明：在熔透的条件下,激光功率越大,焊接速度越小,会使焊接接头性能下降。而过大的热输入量使合金元素损失,同时引起金属间化合物的生成,进而使焊接接头的强度和塑性都明显下降[10]。

李权等人采用激光-电弧复合焊接技术，以TC4钛合金和304不锈钢为母材金属，研究了钛/钢异种金属激光-电弧复合焊接的焊接工艺。结果表明：钢异种金属可通过激光－电弧复合热源焊接实现连接，但是焊缝中生成大量的脆性金属间化合物，严重影响接头性能。需要通过降低热输入，减少母材金属的熔化量的方法来控制生成金属间化合物的量。研究发现对焊缝成型影响较大的焊接参数主要有以下3个因素：激光功率、TIG电流以及焊接速度[11]。

吕攀以5mm厚纯钛与304不锈钢作为基体，采用激光焊接的方法进行了一系列试验，包括纯铁、不锈钢同种材料焊接，纯铁与不锈钢异种材料直接焊接，采用钒作为中间层、采用铜作为中间层、采用铜钒复合层作为中间层的异种材料间接焊接。实验结果表明：采用钒作为中间层时，焊缝主要由钒基固溶体和Ti-Fe金属间化合物组成。采用铜作为中间层时，焊缝中形成的铜基固溶体有利于改善焊缝塑性。以铜钒复合层作为中间层，复合层可以有效的阻止钛元素与铁元素的接触[12]。

Yan Zhang等人采用脉冲激光焊接TC4钛合金与以铌板为中间层的SUS301L不锈钢。焊缝中未发现Ti-Fe金属间化合物，表明以铌作为中间层能够有效阻止Ti-Fe的生成，提高焊接接头性能[13]。

Yongjian Fang等人在TC4钛合金和AISI316L不锈钢中插入铜/铌双层进行激光焊接。实验结果表明：如果采用高激光功率，会产生Ti-Cu金属间化合物。当激光功率较低时，裂纹的形成会受到轻微的抑制 [14]。

4.1.3电子束焊

电子束焊接具有热输入量小、焊接残余应力低、变形小；在真空条件下进行焊接，焊缝纯洁度高；焊接参数精确可调，工艺适应性强，重复性和再现性好等优点，特别适合异种金属的焊接，异种金属电子束焊接已经成为国内外的研究热点[15-16]。

张艳桥对异种难焊材料钛合金与不锈钢进行了电子束焊接试验，研究了添加不同组元、不同接头形式和不同工艺参数对接头组织和性能的影响。实验结果表明：直接添加片状Cu/V填充层进行钛合金与不锈钢焊接时，接头强度低。添加QCr0.8作为过渡段可以实现TA15钛合金与304不锈钢的焊接，获得了具有较好塑韧配合的焊接接头。添加Cu、V、Cr组元可以获得高强度的钛合金与不锈钢电子束焊接接头。添加单一的Cu-Cr合金无法避免焊缝中脆性金属间化合物的生成，焊缝中出现显微裂纹。添加Cu2Cr/V复合填充层进行钛合金与不锈钢电子束焊接时，焊缝中基本无脆性金属间化合物的形成[17]。

I.Tomashchuk等人以铜箔为中间层对钛合金与AISI316L奥氏体不锈钢进行了电子束焊接 。结果表明：获得的接头的机械稳定性取决于金属间层的厚度[18]。

Ting WANG等人采用镍、钒、铜等不同填充金属对钛合金与不锈钢进行了电子束焊接试验。结果表明：所有的填充金属都有助于抑制金属间化合物的生成。不同填充金属的焊缝均具有固溶和界面金属间化合物的特征 [19]。

4.1.4 冷金属过渡焊接

冷金属过渡焊接技术在在异种金属的连接具有较为明显的优势，小电流输入，低热输入的优点，使在大气环境下实现钛/钢异种金属的连接成为可能。同时能够降低在大气环境下对焊件尺寸大小的要求，降低焊接钛/钢异种金属的焊接成本，有较强的现实意义和广泛的工业应用前景。

张义弓通过使用冷金属过渡焊接技术，对钛/钢异种金属的连接工艺进行研究，希望通过加过渡层的方式解决钛/钢异种金属焊接生成脆性金属间化合物量大的问题，抑制金属间化合物的生成量，提高焊接接头的抗拉强度。实验结果表明：采用ER4043和ER5356可以实现钛/钢异种金属CMT焊接。在钛侧和钢侧焊缝中均有脆性金属间化合物产生。采用ER5356焊丝的焊接接头中气孔量较少，金属间化合物层厚度较小。Cu能有效地阻碍Fe-Al金属间化合物，接头容易发生脆性断裂。堆焊铝合金过渡层可以有效提高接头强度[20]。

4.2扩散焊

扩散焊是在一定温度和压力下将两种待焊物质的焊接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液相而扩大待焊表面的物理接触，使之距离达(1~ 5)#215;10－8cm以内(这样原子间的引力起作用，才可能形成金属键)，再经较长时间的原子扩散，相互渗透，来实现冶金结合的一种焊接方法。近年来扩散焊在钛/钢的焊接方面也是比较热门的研究方法。

S.Kundu等人对工业纯钛和不锈钢进行真空扩散焊，实验结果表明：在平均温度 850－950℃下真空中进行扩散焊，焊接保持的温度越高越容易形成脆性相：Fe－Ti，Cr－Ti金属间化合物，从而降低焊接接头的强度[21]。

Yongqiang Deng等人用纯Ag作为填充材料对工业纯钛和304不锈钢进行压力扩散焊，实验结果表明：Ag可以有效地抑制脆性金属间化合物Ti－Fe的形成，而Ag形成的金属间化合物承载能力较强，从而可以提高焊接接头的强度，所以Ag是较好连接钛/钢的焊接钎料[22]。

4.3爆炸焊

爆炸焊已经广泛地应用于钛和钢的焊接，其中制造钛/钢爆炸复合板是目前爆炸焊的重要应用之一，很多国家的学者都致力于钛/钢爆炸焊的连接机理、焊接工艺及应用前景的研究。

张越举以3mm厚的TA2钛板和26mm厚的正火态Q345R为材料，通过爆炸焊接实验，对钛/钢复合板爆炸焊接的动态参数进行了研究。实验结果表明：要获得高强度的3mm厚TA2与正火态Q345R爆炸复合板，焊接动态参数应为：β＞17#176;，Vp≥760m/s。在一定的碰撞角度范围内，动态碰撞速度Vp是影响界面波波形参数的一个重要因素。碰撞点前方射流阻碍复板连续碰撞基板可能是爆炸焊接界面波形成的重要原因之一[23]。

4.4钎焊

钎焊是采用比母材熔点低的填充金属作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材的熔化温度的温度，利用液态钎料在母材上的润湿过程，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接焊件的方法。由于钎焊的温度较低，母材并不熔化，有效地抑制了金属间化合物的形成，使用哪种钎料解决Ti/Fe焊接接头质量问题的关键。

马驰原为了解决钛钢接头金属间化合物引起的焊缝组织性能恶化问题，在本试验中以为钎料，采用真空钎焊的方法，通过在钛合金与不锈钢母材匹配面镀层，研究了镀层对基体匹配面性能以及接头原子扩散行为、微观组织和力学性能的影响机制。结果表明：Ni层对Fe、Ti等原子扩散的阻碍程度存在差异，这种差异性与层在接头区域中的介入物理位置有关，在不锈钢侧镀Ni使组织和性能得到改善，而在钛合金侧镀Ni却使得组织和性能恶化[24]。

李慧芳以研制一种无Cd、低银且能够保证钛钢异质接头力学性能要求的钎料为目标，采用45AgCuZn钎料为基体，添加Ni元素，制备了AgCuZnNi系列钎料，并对其熔化特性、微观组织、铺展润湿性、及接头力学性能进行了研究。结果表明：影响接头性能的主要因素为温度、时间、压力，其中压力对接头影响显著，因此，合理的压力有利于得到可靠的接头[25]。

综上，通过填充中间层焊接钛合金与不锈钢，可以有效抑制焊缝中金属间化合物的生成，提高焊接接头的力学性能 ，获得的接头的机械稳定性取决于金属间层的厚度。通过降低热输入，减少母材金属的熔化量的方法也能够控制生成金属间化合物的量。激光焊接时，在熔透的条件下,激光功率越大,焊接速度越小,焊接接头性能越低。扩散焊接时保持的温度越高越容易形成金属间脆性化合物，从而降低焊接接头的强度。钎焊时影响接头性能的主要因素为温度、时间、压力，其中压力对接头影响显著。

5.课题研究内容

由于钛/钢异种金属物理化学性能方面的差异，其焊接会形成复杂的金属间化合物，导致焊缝脆化，降低接头性能，甚至产生裂纹、气孔等焊接缺陷。而冷金属过渡焊接技术具有小电流输入、低热输入、无飞溅、焊接速度快、无污染等优点，在在异种金属的连接中具有较为明显的优势，拥有良好的应用前景。本文使用冷金属过渡焊接技术，对TC4/3O4不锈钢异种金属焊接工艺进行研究，观察TC4/3O4不锈钢焊接界面的显微组织及其金属间化合物，分析焊接冶金问题与力学性能，研究微观组织对力学性能的影响。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

钛/钢异种金属焊接结构在航天、航空及化学工业领域具有广阔的应用前景,但由于钛的活性非常强，钛与钢进行熔化焊会生成大量金属间化合物，而且在大气中焊接会发生严重氧化和氮化。目前，质量较好的钛/钢焊接接头都是在真空状态下焊接形成的。而冷金属过渡焊接技术在在异种金属的连接具有较为明显的优势，小电流输入，低热输入的优点，使在大气环境下实现钛/钢异种金属的连接成为可能，有较强的现实意义和广泛的工业应用前景。本文使用冷金属过渡焊接技术，对TC4/3O4不锈钢异种金属焊接工艺进行研究，希望通过改变不同的焊接参数与实验条件来减少其金属间化合物，从而提高焊接接头力学性能。

课题研究内容如下：首先查阅文献，熟悉TC4/304SS异种金属焊接面临的问题、难点。然后利用CMT焊接方法对TC4/304SS异种金属进行焊接试验。接着分析TC4/304SS异种金属焊接工艺，焊接参数的的选择以及焊缝成形。分析TC4/304SS异种金属焊接冶金问题及其力学性能，重点研究TC4/304SS异种金属焊接接头界面微观组织及其对力学性能的影响。实验过程中要学会焊接接头金相的制作，熟悉材料分析方法和力学性能测试方法，完成TC4/304SS异种金属焊接接头的组织和性能测试。