鈦合金TC6與TC11高頻感應(yīng)釬焊工藝

李萬(wàn)強(qiáng)

（貴州楓陽(yáng)液壓有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng)550009）

鈦合金TC6與TC11高頻感應(yīng)釬焊工藝

李萬(wàn)強(qiáng)

（貴州楓陽(yáng)液壓有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng)550009）

以B-Ti57CuZrNi-S為釬料，在氬氣保護(hù)氣氛下對(duì)TC6/TC11鈦合金進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊工藝實(shí)驗(yàn)研究。采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）及能譜分析（EDS）等測(cè)試方法，分析氣體保護(hù)流量、流態(tài)以及工藝參數(shù)對(duì)焊接界面形貌、接頭組織及元素分布的影響，并測(cè)試接頭的抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明，釬焊界面主要由富Ti的β-Ti固溶組織和Cu-Ti、Ni-Ti以及（Cu，Ni）Ti/Zr組成的金屬間化合物相組成。釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度隨釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，接頭最高強(qiáng)度可達(dá)433MPa。TC6/TC11鈦合金高頻感應(yīng)釬焊優(yōu)化工藝參數(shù)帶為：焊接溫度910℃～930℃，保溫時(shí)間120～150s，Ar氣保護(hù)流量1MPa。

高頻感應(yīng)釬焊；鈦合金；釬焊接頭；優(yōu)化工藝帶

0 前言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、中溫性能好、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)磁等特點(diǎn)，是重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、軍工、車輛工程、生物醫(yī)用工程以及日常生活等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前，鈦合金的焊接方法主要有釬焊、氬弧焊、電子束焊、摩擦焊與擴(kuò)散焊等。釬焊[2]是一種利用熔點(diǎn)低于母材的釬料，在低于母材熔化溫度、高于釬料熔點(diǎn)的溫度實(shí)現(xiàn)接頭連接的一種焊接方式。釬焊是連接鈦合金的常用方法之一，所得焊接接頭強(qiáng)度高、一致性好、不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，既成本低廉，又可滿足焊接的冶金及結(jié)構(gòu)要求[3-5]。本研究以氬氣作為保護(hù)氣氛，采用Ti基釬料對(duì)TC6與TC11鈦合金進(jìn)行釬焊工藝實(shí)驗(yàn)研究。觀察釬焊接頭的宏觀形貌和釬縫的微觀組織，分析不同工藝參數(shù)下界面組織成分和元素分布狀態(tài)；測(cè)試釬焊接頭的拉伸性能和硬度，獲得TC6與TC11鈦合金釬焊的最佳工藝參數(shù)帶。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用TC6及TC11雙相鈦合金作為被焊母材，化學(xué)成分如表1、表2所示[6]；釬料是B-Ti57CuZrNi-S，為粉末狀，粒度150目。TC6鈦合金、TC11鈦合金試樣尺寸如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前用細(xì)砂輕吹焊接表面（風(fēng)壓≤0.2 MPa，砂?！?.5，均勻吹毛），置于丙酮中超聲波清洗3～ 5 min，冷風(fēng)吹干待用。焊接時(shí)將釬料與丙酮混合均勻，釬料漿放入內(nèi)臺(tái)階上，裝配于釬焊爐中。

表1 TC6鈦合金化學(xué)成分%

表2 TC11鈦合金化學(xué)成分%

圖1 試樣幾何尺寸

以氬氣為保護(hù)氣體，采用SP-15高頻感應(yīng)電源進(jìn)行焊接，釬縫間隙20μm，釬焊溫度890℃，920℃，950℃，980℃，保溫時(shí)間5 s，30 s，120 s，300 s。釬焊結(jié)束后，利用萬(wàn)能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)（Instron 3382）對(duì)釬焊接頭進(jìn)行抗拉實(shí)驗(yàn)，采用光鏡、掃描電鏡分析釬焊接頭和斷口的微觀組織；利用X射線能譜儀分析接頭組織的界面成分及分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 保護(hù)氣體流量

氣體分配裝置如圖2所示。將直徑5 mm的火銅管繞制成圓形，在內(nèi)壁斜45°方向開(kāi)直徑為1 mm的圓孔80個(gè)，圓孔均布于圓周方向。銅管出口堵住，進(jìn)口處以軟管連接，調(diào)整氣體流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

將加壓閥分別調(diào)整至0.5 MPa、1 MPa，焊后試樣宏觀形貌如圖3所示，雖然氣體流量并未增大很多，但試樣氧化區(qū)域顯著減少。當(dāng)保護(hù)氣體流量為1 MPa時(shí)，焊后試樣表面顏色光亮，沒(méi)有出現(xiàn)氧化色，產(chǎn)品焊后的釬劑角過(guò)渡平滑，釬縫均一，宏觀形貌無(wú)缺陷產(chǎn)生?？梢?jiàn)，氬氣流量1 MPa或以上的工藝條件下可有效改善焊件被氧化的情況。

圖2 氣體分配裝置

2.2 釬焊溫度對(duì)接頭形貌及力學(xué)性能的影響

不同釬焊溫度（890℃、920℃、950℃、980℃）下釬縫的微觀組織形貌如圖4所示。釬焊溫度890℃時(shí)，釬縫與母材的界面邊界清晰，兩側(cè)界面完全平行，釬縫組織與母材組織無(wú)平滑過(guò)渡而呈垂直梯度變化。焊縫區(qū)域內(nèi)存在兩種不同形態(tài)的組織——灰色片狀組織A及白亮色不連續(xù)圓斑組織B。隨著焊接溫度升高至950℃，擴(kuò)散反應(yīng)層逐漸增大，但組織分布類似，從左至右為：母材—擴(kuò)散反應(yīng)層—白亮色顆粒組織—灰色板條狀組織—白量色顆粒組織—擴(kuò)散反應(yīng)層—母材，釬焊界面以釬縫為中心呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。當(dāng)釬焊溫度為980℃時(shí)，釬焊界面發(fā)生巨大變化。焊后母材組織變?yōu)閱蜗嘟M織，釬縫與兩側(cè)母材界面出現(xiàn)細(xì)小的針狀組織，釬縫中心與兩側(cè)組織分離。釬焊界面從左至右為：母材—針狀反應(yīng)層—灰色過(guò)渡層—釬縫—灰色過(guò)渡層—母材，釬焊界面以釬縫為中心呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

圖3 不同Ar氣流量下焊后試樣形貌

圖4 不同釬焊溫度下的焊接界面微觀形貌

結(jié)合釬縫界面不同區(qū)域的EDS分析，獲得各組織及反應(yīng)層內(nèi)元素的種類及具體比例，如表3所示。白亮組織A是以Ti（56.86%）元素為基體，富含Ni（9.2%），Cu（20.28%）元素及少量Zr（5.29%）元素的組織。白亮組織內(nèi)部存在共晶狀顆粒組織，由Ti、Cu、Ni的質(zhì)量百分比可以推測(cè)，此組織可能為Ti-Cu、Ti-Ni及Ti-（Cu，Ni）形成的脆性組織；灰色塊狀組織同樣以Ti為基，但其內(nèi)部Cu、Ni含量較少，分析認(rèn)為此時(shí)Cu、Ni可能固溶于Ti基組織內(nèi)部，而不形成金屬間化合物，組織應(yīng)該具有良好的韌性。

不同焊接溫度下釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度如圖5所示。隨著釬焊溫度的升高，抗拉強(qiáng)度先升高后降低，最高為371 MPa。釬焊溫度較低時(shí)，釬料與母材之間的擴(kuò)散受限，界面處結(jié)合較弱，抗拉強(qiáng)度較低；隨著釬焊溫度的升高，釬料與母材間元素得到充分?jǐn)U散，且此時(shí)釬縫內(nèi)的組織形貌與釬縫的原始組織基本相同，因此釬焊接頭強(qiáng)度較高；溫度繼續(xù)升高，使母材產(chǎn)生相變，組織粗化，抗拉強(qiáng)度降低。

表3 不同釬焊溫度下元素成分%

圖5 不同釬焊溫度下的接頭強(qiáng)度

2.3 保溫時(shí)間對(duì)接頭的影響

結(jié)合不同保溫時(shí)間下釬焊接頭的界面形貌（見(jiàn)圖6）和EDS分析（見(jiàn)圖7）可知，保溫時(shí)間較短時(shí)，釬縫與母材的元素?cái)U(kuò)散程度較小，焊接完成后釬縫組織保留釬料的原始凝固組織形態(tài)，即Ti-Cu-Ni-Zr的金屬間化合物組織和富Ti的韌性組織；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，母材中的Ti、V、Al等元素向釬縫中擴(kuò)散程度提高，Ti元素在釬縫內(nèi)呈現(xiàn)梯度分布，接頭凝固時(shí)靠近界面處出現(xiàn)兩條連續(xù)的富Ti相，而釬縫內(nèi)由于組織偏析的作用亦出現(xiàn)了不連續(xù)的韌性富Ti組織，由于釬料中的Cu、Ni元素均為β相穩(wěn)定元素，認(rèn)為界面處形成的富Ti相為β-Ti固溶體。進(jìn)一步延長(zhǎng)保溫時(shí)間，釬焊接頭內(nèi)元素?cái)U(kuò)散已較為充分，Ti元素在釬縫中比例較高，釬料凝固時(shí)釬縫中心區(qū)域的點(diǎn)狀富Ti組織也成為連續(xù)的帶狀，接頭內(nèi)韌性富Ti組織比例較高，強(qiáng)度升高明顯。繼續(xù)延長(zhǎng)釬焊保溫時(shí)間，釬縫內(nèi)的金屬間化合物組織完全被富Ti相組織取代，接頭強(qiáng)度良好。

圖6 不同保溫時(shí)間下釬焊接頭的界面形貌

不同保溫時(shí)間下釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度如圖8所示，當(dāng)釬焊保溫時(shí)間由30 s延長(zhǎng)至120 s時(shí)釬焊接頭強(qiáng)度有較大提高，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，接頭強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。結(jié)合顯微硬度測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖9）可以看出，當(dāng)釬焊保溫時(shí)間超過(guò)120 s時(shí)，釬縫區(qū)域硬度較保溫時(shí)間較短時(shí)有所降低，此時(shí)接頭擁有良好的綜合力學(xué)性能。綜上，焊接溫度920℃、釬縫間隙20μm時(shí)，以B-Ti57CuZrNi-S為釬料釬焊TC6與TC11鈦合金，保溫時(shí)間以大于120 s為宜，結(jié)合工程成本和提高效率將工藝參數(shù)帶定位120～150 s區(qū)間。

4 結(jié)論

以B-Ti57CuZrNi-S為釬料，在Ar氣保護(hù)條件下實(shí)現(xiàn)了TC6與TC11鈦合金的高頻感應(yīng)釬焊。

圖7 保溫30 s與120 s時(shí)釬焊接頭線掃描分析

圖8 不同保溫時(shí)間下的抗拉強(qiáng)度

（1）通過(guò)自制的簡(jiǎn)易氣體分配裝置，成功實(shí)現(xiàn)高純氬氣對(duì)釬焊工件的完全包縛，氬氣流量1MPa或以上的工藝條件下可有效改善焊件被氧化情況。

（2）釬焊界面主要由富Ti的β-Ti固溶組織和Cu-Ti、Ni-Ti以及（Cu，Ni）Ti/Zr組成的金屬間化合物相組成，兩相比例隨釬焊溫度及保溫時(shí)間的變化而變化。

（3）隨著釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度均呈先升高后降低趨勢(shì)，最高強(qiáng)度達(dá)433 MPa。

（4）以B-Ti57CuZrNi-S為釬料，釬焊TC6/TC11鈦合金的優(yōu)化工藝參數(shù)帶為：Ar氣保護(hù)流量1 MPa，焊接溫度910℃～930℃，保溫時(shí)間120～150s。所選工藝合理，可重復(fù)性良好，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖9 不同保溫時(shí)間下釬焊界面的硬度分布

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Study on high frequency induction brazing of TC6 and TC11 titanium alloy

LI Wanqiang
（Guizhou FengYang Hydranlic Co.，Ltd.，Guiyang 550009，China）

High frequency induction brazing of TC6/TC11 titanium alloy under argon atmosphere with B-Ti57CuZrNi-S as the brazing alloy has been studied.The impact of flow rate and flow pattern of atmosphere，brazing temperature，holding time on microstructures，element distribution and mechanical properties of joints has been researched by optical microscopy(OM)，scanning electron microscopy (SEM)and energy dispersive spectroscopy(EDS).The results show that brazed interface was constituted by two-phase structure，which were rich Ti solid solution and intermetallic compound of Cu-Ti，Ni-Ti，(Cu，Ni)Ti/Zr.With the increase of brazing temperature or holding time，brazed joint strength first increased and then decreased，the highest strength was 433 MPa.The optimized process parameters for high frequency induction brazing of TC6/TC11 titanium alloy were flow rate of Argon 1 MPa，brazing temperature 910℃～930℃，holding time 120～150 s.

high frequency induction brazing；titanium alloy；braze welding joint；optimized process parameters

TG457.19

A

1001－2303（2017）05－0077-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.16

2016-12-06；

2017-02-07

李萬(wàn)強(qiáng)（1983—），男，工程師，碩士，主要從事技術(shù)管理工作。E-mail：moke573@126.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：李萬(wàn)強(qiáng).鈦合金TC6與TC11高頻感應(yīng)釬焊工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：77-81.