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)

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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度高、密度低、抗腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)[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(jià)格相對較為昂貴。鋼有較好的焊接性和力學(xué)性能且價(jià)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度最大可達(dá)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(jìn)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(dá)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(qiáng)度的焊接接頭。但由于在真空環(huán)境下焊接價(jià)格較為昂貴且不能對較大工件進(jìn)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(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?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(qiáng)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(qiáng)度為551MPa[7]。

表1 母材的化學(xué)成分 wt.%

實(shí)驗(yàn)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(jī)。將焊槍裝卡到FANUC焊接機(jī)器人上，通過焊接機(jī)器人對焊接速度進(jìn)行控制。焊槍和焊接機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行觀察；能譜測試儀(EDS)對焊縫的元素組成進(jìn)行分析；顯微硬度儀對鋼側(cè)和鈦側(cè)進(jìn)行顯微硬度測試(在焊縫處每隔0.25mm取一點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測試)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

硬度是衡量材料機(jī)械性能的一項(xiàng)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(diǎn)開始每隔0.25mm取一點(diǎn)進(jìn)行硬度測試。

圖1 顯微硬度點(diǎn)分布

圖2a為鈦側(cè)焊縫內(nèi)的顯微硬度分布，隨著測試點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jī)理，需觀察焊接接頭的宏觀形貌。本實(shí)驗(yàn)采用的焊絲為ER5356鋁鎂合金焊絲，熔點(diǎn)較低(660℃)；TA2工業(yè)純鈦的熔點(diǎn)為1670 ℃；16MnR熔點(diǎn)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(diǎn)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(kuò)散作用和鐵、鎳原子結(jié)合；鈦側(cè)焊縫界面通過鋁原子擴(kuò)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(kuò)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?yàn)榻饘匍g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(jìn)行點(diǎn)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(kuò)散作用有少量的Ni和Mn擴(kuò)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(jìn)行點(diǎn)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(kuò)散作用進(jìn)入到焊縫中的；Fe和Ni常溫下在Al中的溶解度很小[9]，因?yàn)镕e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(jìn)行點(diǎn)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(jìn)行線掃描(圖5)。由圖5b可知，隨測試點(diǎn)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(shí)驗(yàn)在鋼板上堆焊了一層純鎳，因此，焊縫中由于原子的擴(kuò)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?yàn)榻饘匍g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(jìn)行點(diǎn)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(jìn)行點(diǎn)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(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的Ti原子是由其擴(kuò)散作用進(jìn)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(jìn)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(kuò)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(kuò)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(qiáng)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(jī)理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

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[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.

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[6]劉曉燕.室溫ECAP變形工業(yè)純鈦?zhàn)冃涡袨榧敖M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.

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[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

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