釩作中間層的TC4 鈦合金與316L不銹鋼雙道激光焊接

余騰義，陳樹海，劉 珂，賈 旭，陳 容

（1.釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,攀鋼集團(tuán)研究院有限公司,四川 攀枝花 617000；2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083）

0 引言

鈦/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠兼具鈦合金高比強(qiáng)度、輕量化、高耐蝕性與鋼的低成本、高耐磨性和高溫強(qiáng)度等多重優(yōu)勢，在船舶、石化和電力等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[1?3]。因此，開發(fā)可靠的焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鈦合金與不銹鋼的可靠連接，對于制造鈦/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)具有重要意義。

鈦合金和鋼的物理與化學(xué)性能有巨大差異，Ti和Fe 的溶解度非常低，二者熔化焊接頭中由于應(yīng)力集中以及界面會(huì)生成脆性極大的Ti-Fe、Ti-Cr 金屬間化合物[4]，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)連接。目前鈦/鋼焊接采用的擴(kuò)散焊[5]，爆炸焊[6]和摩擦焊[7]等壓力焊接方法存在焊接效率低、接頭形式受限等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和復(fù)雜構(gòu)件的焊接。

通過添加中間材料，可以對元素的擴(kuò)散進(jìn)行抑制，消除金屬間化合物，從而改善接頭的性能。中間材料的選擇取決于其與鈦和鐵的冶金相容性和性能，中間層材料應(yīng)避免形成金屬間化合物相。鈦和鋼的連接采用了各種中間層，最常用的中間層材料包括Cu[8]、Ni[9]及其合金?，F(xiàn)有研究表明[8?10]Cu、Ni 及其合金作中間層焊接鈦/鋼依然不足以抑制脆性金屬間化合物的形成。

釩基合金是先進(jìn)熔合系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)材料的潛在候選材料，因?yàn)殁C與鈦形成連續(xù)固溶體。然而，鐵與釩在一定成分下可以形成金屬間化合物σ 相，會(huì)導(dǎo)致接頭性能下降，因此最好的選擇是將鋼/釩熔化區(qū)中的V 含量降低到σ 相形成極限以下。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[11]，由于高冷卻速率，在激光焊接過程中不會(huì)在Fe 和V 之間形成σ 相。目前，鈦合金不銹鋼接頭以純釩為中間層已實(shí)現(xiàn)雙道激光焊接[12]，但是這些研究均針對焊接工藝參數(shù)，對接頭微觀組織與力學(xué)性能的研究不夠充分。

基于上述問題，筆者選用純釩作中間層，采用雙道激光焊接的方法，即將激光首先聚焦在鈦合金/釩界面形成焊縫，再將激光聚焦于釩/不銹鋼界面附近不銹鋼一側(cè)，研究和探討雙道激光焊接過程工藝參數(shù)對焊接接頭的影響規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)鈦/鋼異種金屬的高質(zhì)量焊接。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑門C4 鈦合金和316L 不銹鋼，其主要成分見表1，母材規(guī)格均為100 mm×60 mm×3 mm，中間層材料純釩規(guī)格為100 mm×3 mm×2 mm。因試驗(yàn)焊接的板材均為3 mm 厚的薄板，所以焊前不需要開坡口，焊前被焊材料及中間層都用砂紙將待焊面打磨干凈，去除表面氧化皮，然后用丙酮清洗以去除表面的油污及雜質(zhì)。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of TC4 and 316L %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所選的焊接設(shè)備為數(shù)控激光焊接與加工系統(tǒng)的軸流式二氧化碳激光器，型號為SLCF-X1225，最大功率為4 000 W，波長為10.6 μm。焊接過程中嚴(yán)格裝配，保證釩層和鈦合金及不銹鋼間無間隙。采用氬氣作為保護(hù)氣體，正反面雙面保護(hù)，焊接形式為對接。

按照圖1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，第一道激光焊接TC4 鈦合金板和純釩，第二道激光焊接釩/不銹鋼。通過調(diào)節(jié)激光焦距進(jìn)行焊前試驗(yàn)，調(diào)試成功后，調(diào)整激光作用在鈦合金側(cè)、不銹鋼側(cè)的位置（光束偏移量）和激光束在工件表面的移動(dòng)速度（即焊接速度）等設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。先期探索得到激光功率3 500 W，焊接速度1.0～1.5 m/min，激光束偏移量0.1～0.5 mm，離焦量為0，即聚焦焊接。

圖1 不銹鋼/釩/鈦合金焊接示意Fig.1 Welding schematic of stainless steel,vanadium and titanium alloy

將激光焊接的試樣沿垂直焊縫的方向切割，制成10 mm×5 mm 的小試樣。采用標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣制備方法進(jìn)行打磨拋光，滿足要求后對金相試樣中鈦合金與不銹鋼分別采用HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶2∶4∶50 配制而成的溶液和FeCl3溶液進(jìn)行腐蝕，金相試樣腐蝕完成后，用水和酒精清洗試樣表面，以除去殘留的腐蝕液，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干，再在金相顯微鏡下觀察焊縫金相組織并拍照。

利用掃描電子顯微鏡（FEIQuanta 250）和能譜分析儀（EDS）對激光焊接接頭顯微組織進(jìn)行形貌觀察和元素分析。焊接得到的試樣進(jìn)行切割，加工成122 mm×15 mm×3 mm 的拉伸試樣，利用MTS810型萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)測試接頭抗拉強(qiáng)度，焊縫位于拉伸試樣中部，每組試件線切割3 個(gè)拉伸試樣，速率選用1.5 mm/min，試樣被拉斷時(shí)記錄其峰值，再根據(jù)斷裂處的承載截面積計(jì)算出抗拉強(qiáng)度，取拉伸試樣的平均值作為試件的抗拉強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

為了研究第一道激光焊接工藝參數(shù)在TC4 鈦合金/釩焊縫界面成形的影響，按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)，激光功率恒定為3 500 W，離焦量為0，改變中間層釩和鈦合金焊接時(shí)的激光焊接速度，激光光束對準(zhǔn)V/Ti焊縫中央，分別選取激光焊接速度為1.5、1.2 m/min和1.0 m/min 進(jìn)行試驗(yàn)。

不同焊接速度下鈦合金/釩焊縫界面成形如圖2所示，當(dāng)焊接速度為1.5 m/min 和1.2 m/min 時(shí)，焊接速度較高，熱輸入較低，焊縫底部出現(xiàn)未焊透缺陷，隨著焊接速度的降低，未焊透缺陷得到進(jìn)一步改善。當(dāng)焊接速度降低至1.0 m/min 時(shí)，焊縫完全焊透，接頭呈現(xiàn)典型的T 字型焊接接頭，成形良好。

圖2 不同焊接速度下鈦合金/釩焊縫界面成形Fig.2 Weld interface forming of titanium alloy and vanadium at different welding speeds

為了研究鈦合金/釩激光焊接中鈦合金側(cè)光束偏移量對接頭焊縫成形的影響，在激光功率恒定為3 500 W，焊接速度恒定為1.0 m/min 時(shí)，改變釩和鈦合金焊接時(shí)的激光偏移量，分別向鈦合金側(cè)偏移0.1、0.2、0.3、0.4 mm 和0.5 mm。

不同偏移量下鈦/釩激光焊接界面微觀組織如圖3 所示。在不同的偏移量下，焊接接頭成形良好，呈現(xiàn)典型的T 字型，接頭處鈦和釩都發(fā)生了熔化，從圖3（a）中可以看出，當(dāng)偏移量較小為0.1 mm 時(shí)，接頭焊縫正面鋪展面積較大，同時(shí)焊縫背面液態(tài)金屬流出；當(dāng)偏移量繼續(xù)增大，在0.2～0.4 mm 變化過程中，焊縫組織基本相同，焊縫美觀，背部焊透，為典型的熔焊接頭界面。從宏觀形貌來看，當(dāng)偏移量達(dá)到0.2 mm 時(shí)，釩層熔化量相同，背面尺寸趨于穩(wěn)定，因此確定激光束在鈦側(cè)的最佳偏移量為0.2 mm。焊接功率3 500 W，焊接速度1.0 m/min，偏移量為0.2 mm時(shí)，焊縫金相組織如圖3（b）所示，釩與鈦熔合得很好，焊接接頭美觀，呈現(xiàn)出激光焊接典型的T 字型接頭，焊縫背部完全焊透，鈦側(cè)呈現(xiàn)銀白色光澤，且無裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，熔合線兩側(cè)界線很明顯，實(shí)現(xiàn)了很好的冶金結(jié)合。

圖3 不同偏移量下鈦/釩激光焊接接頭組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of titanium/vanadium laser welded joint with different offsets

實(shí)現(xiàn)了鈦合金和釩的穩(wěn)定焊接后，開始第二道激光焊接釩和不銹鋼，由于光束偏移量是影響焊縫性能的主要參數(shù)，因此作為主要探究的變量，研究不同偏移量對焊縫的影響，光束向鋼側(cè)分別偏移0.1、0.2、0.3 mm 和0.4 mm。

圖4 為在釩/鈦偏移量為0.2 mm 的條件下偏移量對釩/鋼焊縫成形的影響。當(dāng)鋼側(cè)偏移量為0.1、0.2、0.3 mm 時(shí)，如圖4（a）～（c）所示。試樣均完全焊透，正面及背面成形都很光滑，焊縫正面顏色略發(fā)藍(lán)，說明焊縫表面保護(hù)得不是太好，發(fā)生了一定的氧化，但不會(huì)影響力學(xué)性能，焊縫背面呈現(xiàn)出金屬光澤銀白色，說明背面氬氣氛圍保護(hù)良好，成形美觀，未發(fā)現(xiàn)有裂紋。對照橫截面金相組織可以看出，釩層很好地充當(dāng)了中間層的作用，焊縫成形美觀，光滑，且無裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，熔合線兩側(cè)界線很明顯，實(shí)現(xiàn)了很好的冶金結(jié)合，因此Ti/V 界面和Fe/V界面均呈現(xiàn)熔焊接頭。當(dāng)鋼側(cè)偏移量增加到0.4 mm 時(shí)，如圖4（d），據(jù)焊縫截面形貌圖可知，由于偏移量較大，此時(shí)釩/不銹鋼界面焊縫正面釩熔化量很小，原因可能為激光束遠(yuǎn)離焊縫中央，熱輸入較小，導(dǎo)致沒有形成良好的冶金結(jié)合，焊縫背面也未焊透，直接影響力學(xué)性能。

圖4 偏移量對鋼/釩焊接接頭的影響（P=3 500 W,v=1.0 m/min）Fig.4 Effect of offsets on steel/vanadium welded joints

2.2 工藝參數(shù)對焊縫力學(xué)性能的影響

鈦合金/釩/不銹鋼雙道激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度測試中，發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷裂位置由釩變?yōu)殁C/鋼界面，鈦/釩界面力學(xué)性能較好，不發(fā)生斷裂。在釩/鈦側(cè)偏移量為0.2 mm 時(shí)，釩/鋼側(cè)激光焊接不同光束偏移量下試樣力學(xué)性能的變化如圖5 所示。由圖5可知，隨著偏移量的增加，接頭的力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，試樣的接頭斷裂位置當(dāng)偏移量為0.1、0.2、0.3 mm 時(shí)，斷裂位置均處于釩層，且隨著偏移量的增大，試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢，這與激光熱輸入對釩層的熱影響有關(guān)，當(dāng)光束偏移量較小時(shí)，釩層受激光熱輸入的影響，組織狀態(tài)發(fā)生改變，從而成為接頭中的薄弱地帶，因此斷裂位置位于釩層。當(dāng)偏移量為0.4 mm 時(shí)，相比于斷裂位置在釩的試樣，試樣的抗拉強(qiáng)度明顯降低，斷裂位置位于釩/不銹鋼，斷裂形式為脆性斷裂，說明偏移量太大時(shí)，熱源距離界面太遠(yuǎn)，界面處的溫度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致界面反應(yīng)不充分，無法形成有效的冶金結(jié)合，甚至出現(xiàn)焊縫根部未熔合等缺陷，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度有所降低，釩/不銹鋼界面處沒有形成穩(wěn)定的焊接接頭。

圖5 鋼側(cè)不同偏移量下的焊縫抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of weld at different offsets of steel side

綜上可以得知，為了保證中間層釩受到激光熱輸入的影響最小，同時(shí)又要有足夠的熱輸入使得界面形成良好的冶金結(jié)合，偏移量是影響力學(xué)性能最主要的工藝參數(shù)，偏移量為0.3 mm 時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大。通過對焊縫成形及拉伸強(qiáng)度的分析，將釩作為中間層，采用雙道激光焊接TC4 鈦合金和316L 不銹鋼異種金屬時(shí)，獲得了最佳的工藝參數(shù)：雙道激光焊接功率3 500 W、焊接速度1.0 m/min，第一道激光（鈦合金/釩）偏向鈦合金側(cè)0.2 mm，第二道激光（釩/不銹鋼）偏向不銹鋼側(cè)0.3 mm，焊件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了406.9 MPa。試樣斷裂的宏觀形貌圖如圖6 所示，由斷口的放大圖可以看出，斷裂位置從釩中間處發(fā)生，說明界面的連接強(qiáng)度大于中間層的強(qiáng)度，證明該方法可以獲得良好的界面強(qiáng)度，并且斷裂過程中發(fā)生明顯的縮頸，屬于韌性斷裂。

圖6 最佳工藝參數(shù)下的試樣斷口形貌Fig.6 Fracture profile of the specimen with optimal process parameters

2.3 焊縫顯微組織分析

不銹鋼/釩/鈦合金雙道激光焊接接頭組織形貌如圖7（a）所示，焊接過程中，激光聚焦分別聚焦在不銹鋼和鈦合金一側(cè)，釩中間未完全熔化，焊縫熔合區(qū)很窄，不明顯，因此將接頭分為5 個(gè)區(qū)域，包括316L 不銹鋼?不銹鋼與釩的焊縫區(qū)?未熔的釩層?釩與鈦合金的焊縫區(qū)?TC4 鈦合金。

圖7 不銹鋼/釩/鈦合金焊接試樣的接頭組織形貌Fig.7 Joint morphology of stainless steel/vanadium/titanium alloy welding sample

由圖7 可看出，316L 不銹鋼母材為單一奧氏體組織，不銹鋼/釩焊接接頭產(chǎn)生了焊縫、熱影響區(qū)和母材三個(gè)組織特征明顯不同的區(qū)域。焊接熱影響區(qū)組織與母材組織有顯著差異，該區(qū)域內(nèi)的奧氏體有顯著長大。焊縫中存在細(xì)小的等軸晶粒區(qū)，而兩側(cè)晶粒向焊縫中心方向生長，中心兩側(cè)晶粒夾雜不同形態(tài)的柱狀晶和等軸晶。TC4 鈦合金其微觀組織為α+β 雙相組織，在焊縫區(qū)，主要以粗大β 柱狀晶為主，這是由于鈦合金導(dǎo)熱性較差、β 相極易過熱且快速長大，在熔合線附近母材通過聯(lián)生結(jié)晶、外延生長形成。β 晶粒內(nèi)部分布著大量針狀α'馬氏體，這種組織的形成是由于鈦合金焊接過程中在較高溫度的β 區(qū)停留時(shí)間不足、冷卻速度過快所致。

圖8 為鋼側(cè)不同激光光束偏移量下V/Fe 焊縫界面的顯微組織照片，經(jīng)過成分線掃可知不同偏移量下界面層的厚度不同，鋼側(cè)偏移量為0.3 mm 時(shí)，界面層厚度為35.8 μm，當(dāng)偏移量為0.4 mm 時(shí)，界面層非常薄，原因?yàn)槠屏刻?，界面處熱輸入不夠高，而V 的熔點(diǎn)較高，導(dǎo)致熔化量較小，未能形成良好的焊接接頭。

圖8 鋼側(cè)不同激光光束偏移量下V/Fe 焊縫界面的顯微組織照片F(xiàn)ig.8 Microstructure of V/Fe weld interface at different laser beam offsets on steel side

圖9 為釩/鋼界面處的掃描電子顯微鏡照片，對A、B 兩點(diǎn)進(jìn)行EDS 能譜分析，各個(gè)元素的原子分?jǐn)?shù)見表2。由表2 可以發(fā)現(xiàn)，靠近不銹鋼與釩的界面處，釩的摩爾分?jǐn)?shù)為35.55%，遠(yuǎn)離焊縫界面處釩的摩爾分?jǐn)?shù)降至19.59%。根據(jù)Fe-V 二元相圖推斷，雖然有形成σ 相的可能，但由于激光焊本身快速冷卻的特點(diǎn)，不發(fā)生固相反應(yīng)，界面層的成分為鐵基固溶體，同時(shí)根據(jù)力學(xué)性能的分析，也證明了界面處不存在脆性相。

表2 不銹鋼/釩焊接界面的元素含量Table 2 Element content of stainless steel/vanadium welding interface %

3 結(jié)論

1）純釩作為中間層材料能實(shí)現(xiàn)鈦合金和不銹鋼的高強(qiáng)度焊接，釩層阻止了鈦-鐵的直接接觸，從而避免了脆性金屬間化合物的生成，同時(shí)，釩/鐵界面不形成σ 相。

2）激光光束偏移量對焊件的抗拉強(qiáng)度有很大的影響，通過調(diào)整焊接工藝，最佳焊接工藝下焊件的最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到了406.9 MPa，斷裂位置在釩/鋼界面，屬于韌性斷裂。

3）最佳的焊接工藝為：第一道激光首先焊接鈦合金和釩，激光功率為3 500 W，焊接速度為1.0 m/min，激光光束偏向鈦合金側(cè)0.2 mm；第二道激光焊接釩和不銹鋼，激光功率為3 500 W，焊接速度為1.0 m/min，激光光束偏向不銹鋼側(cè)0.3 mm。