鈦銅異種金屬CMT焊接參數(shù)的優(yōu)化

陳 濤 雒旭亮 馬元學(xué) 王 暾 車永平

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，焊接構(gòu)件除需滿足力學(xué)性能外，還要求滿足如高溫強(qiáng)度、耐蝕性、耐磨性、抗蠕變性能、低溫韌性及導(dǎo)電導(dǎo)熱性等多方面的要求。因此異種材料的焊接成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一種先進(jìn)技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠最大限度地利用材料的各自優(yōu)點(diǎn)滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能多方面的要求。鈦和鈦合金是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、塑韌性好、耐熱耐蝕性好及可加工性好等特點(diǎn)，在航空航天、車輛工程和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1]。銅和銅合金通常具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、延展性和優(yōu)良的抗腐蝕性能，某些銅合金還兼有較高的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)銅合金與鈦合金異種材料的有效連接既能滿足導(dǎo)熱性、耐磨性和耐蝕性的要求，又能滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的要求，在航空航天、造船及儀表等領(lǐng)域必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。CMT(Cold Metal Transfer) 冷金屬過(guò)渡技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺、低能量且變形較小的熔釬焊連接[2,3]。筆者采用CMT焊機(jī)和機(jī)器人集成的焊接系統(tǒng)，以ERCuNiAl焊絲為填充金屬，探索鈦銅異種金屬的焊接工藝，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)和改善工藝條件，研究工藝參數(shù)對(duì)焊接成形質(zhì)量的影響[4]，同時(shí)對(duì)焊接試樣進(jìn)行宏觀和微觀組織以及力學(xué)性能的測(cè)試，分析力學(xué)性能、微觀組織與焊接工藝的關(guān)系[5,6]。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)?zāi)覆倪x用TA2工業(yè)純鈦和T2純銅板材，尺寸規(guī)格為100mm×50mm×1mm，采用ERCuNiAl焊絲，直徑1.2mm，采用CMT焊接技術(shù)進(jìn)行搭接焊，接頭形式如圖1所示。

圖1 焊接接頭搭接示意圖

通過(guò)對(duì)鈦銅焊接參數(shù)的優(yōu)化(焊接電壓14.5V，電流155A，送絲速度4.3m/min，焊速6mm/s，偏移量為0)，最終可以得到具有較好成形的焊接接頭，焊縫成形較為美觀，余高約2～4mm，潤(rùn)濕角度在34～70°之間。

采用Ti上Cu下的搭接方式焊縫成形美觀，是理想的焊縫(圖2)；采用Cu上Ti下的搭接方式焊縫余高較低，并且焊縫顏色灰暗，當(dāng)焊接參數(shù)較大時(shí)產(chǎn)生裂紋(圖3)。

圖2 試樣Ti上Cu下的焊縫

2 力學(xué)性能分析

圖3 試樣Cu上Ti下的焊縫

從試驗(yàn)樣品中，隨機(jī)抽選25組樣品進(jìn)行分析，從圖4試樣拉伸結(jié)果柱狀圖可以看出，除21號(hào)試樣和85號(hào)試樣以外，其他試樣抗拉強(qiáng)度均在190MPa以上，達(dá)到了銅母材抗拉強(qiáng)度的70%(191.80MPa)以上。其中1、14、16、19、28號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度超過(guò)了210MPa。1、14、19號(hào)采用的是Cu上Ti下的搭接方式；16和28號(hào)試樣采用的是Ti上Cu下的搭接方式。21、85號(hào)試樣在焊縫與銅母材的結(jié)合面處發(fā)生斷裂。

圖4 試樣拉伸結(jié)果柱狀圖

從圖5可以看出，1、14、16、19、28號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度超過(guò)了210MPa。1、14、19號(hào)采用的是Cu上Ti下的搭接方式；16和28號(hào)試樣采用的是Ti上Cu下的搭接方式。因此可以得出：當(dāng)采用一元CuSi3程序時(shí)，設(shè)計(jì)成Cu上Ti下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應(yīng)在4.0～4.5m/min范圍內(nèi)；以銅為墊板，送絲速度可達(dá)到5.7m/min；如果超過(guò)此范圍，在焊縫處形成橫向裂紋的趨勢(shì)將明顯增大。

當(dāng)采用一元CuSi3程序時(shí)，設(shè)計(jì)成Ti上Cu下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應(yīng)在5.0～6.0m/min范圍內(nèi)；以銅為墊板，送絲速度為6.0m/min時(shí)比相同條件下以鐵為墊板的力學(xué)性能低一些。

圖5 一元CuSi3程序試樣拉伸結(jié)果柱狀圖

3 焊接接頭橫截面顯微組織分析

圖6為1號(hào)試樣焊縫橫截面的顯微結(jié)構(gòu)，從圖6a可以看出銅母材焊縫界面有明顯的熔合線，在焊接過(guò)程中銅母材熔化與填充金屬發(fā)生了冶金反應(yīng)；由圖6b可知在鈦母材焊縫界面有化合物層，可以推測(cè)在焊接過(guò)程中，鈦母材熔化并且與焊縫金屬形成化合物層。由此可知，焊接接頭主要是通過(guò)金屬間化合物層連在一起的[7]。

圖6 1號(hào)試樣焊縫橫截面的顯微結(jié)構(gòu)圖

圖7為1號(hào)試樣橫截面線掃描圖，由圖7a(A→B方向)可以看出，在銅母材焊縫界面上Al、Ti、Fe、Ni元素含量急劇增高，而銅的含量急劇下降，說(shuō)明鈦母材熔化進(jìn)入了銅母材焊縫界面并與銅進(jìn)行冶金反應(yīng)。由圖7b(C→D方向)可以看出，鈦元素含量在界面處急劇降低，后逐漸變小，而銅元素的含量依次增加，說(shuō)明鈦元素和銅元素?cái)U(kuò)散到彼此內(nèi)部，形成可靠的接頭[8]。

圖7 1號(hào)試樣焊縫橫截面線掃描圖

4 結(jié)論

4.1鈦銅CMT焊接時(shí)鈦元素和銅元素相互擴(kuò)散到對(duì)方的基體中，通過(guò)金屬間化合物形成可靠的焊接接頭。

4.2設(shè)計(jì)成Ti上Cu下的搭接方式，必須使處于下方的銅母材熔化才能得到力學(xué)性能較好的焊接接頭。

4.3當(dāng)采用一元CuSi3程序，焊接速度為6mm/s時(shí)，設(shè)計(jì)成Cu上Ti下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應(yīng)在4.0～4.5m/min范圍內(nèi)，力學(xué)性能較佳；以銅為墊板，送絲速度可以達(dá)到5.7m/min，如果超過(guò)此范圍，在焊縫處形成橫向裂紋的趨勢(shì)將明顯增大。設(shè)計(jì)成Ti上Cu下的搭接接頭，以鐵為墊板，送絲速度應(yīng)在5.0～6.0m/min范圍內(nèi)，力學(xué)性能較好；以銅為墊板，送絲速度為6.0m/min時(shí)比相同條件下鐵墊板的力學(xué)性能差一些。

[1] Leyens C, Peters M著，陳振華譯.鈦與鈦合金[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 李亞江, 王娟, 劉鵬. 異種難焊材料的焊接及應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 吳全興. 日本鈦合金研發(fā)及應(yīng)用最新動(dòng)向[J]. 稀有金屬快報(bào)，2005，24(2)：38～40.

[4] 余洪. 金屬鈦及其合金[J]. 汽車工藝與材料，2004,(12)：6～9.

[5] 周宇, 楊賢金, 崔振鐸. 新型醫(yī)用β- 鈦合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 金屬熱處理，2005,30(1)：47～50.

[6] 趙樹(shù)萍, 呂雙坤. 鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2002,(6)：18～21.

[7] 趙熹華, 韓立軍, 趙蕾. 鈦合金-銅合金組合筒擴(kuò)散焊配合間隙選擇研究[J]. 材料科學(xué)與工藝，1999，7(z1)：166～169.

[8] 張凱峰, 吳為. TB2/Cu/TB2 擴(kuò)散焊的界面反應(yīng)[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2000,10(1)：17～21.