TA2/16MnR异种冷金属过渡焊接工艺研究

张义弓，刘爱国

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

TA2/16MnR异种冷金属过渡焊接工艺研究

张义弓，刘爱国

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

在16MnR上堆焊一层纯镍，使用冷金属过渡焊接技术在大气环境下对TA2和16MnR进行搭接焊。采用光学显微镜、扫描电子显微镜和显微硬度仪对钛/钢异种金属连接的焊缝组织、成分和显微硬度分布进行分析。结果表明在钛板和钢板两侧均有脆性金属间化合物生成。通过堆焊镍过渡层能一定程度上抑制铁-铝金属间化合物的产生，提高焊缝的力学性能。

冷金属过渡；显微硬度；金属间化合物

随着科技的发展，单一的传统材料往往很难满足现代工业生产的质量要求。在生产过程中经常会遇到异种金属的连接问题。钛由于其比强度高、密度低、抗腐蚀能力强等特点[1]，被广泛应用在航空航天、医疗器械、核动力等领域[2]，但钛的价格相对较为昂贵。钢有较好的焊接性和力学性能且价格较低[3]。钛/钢的焊接既可以有效的节约成本，又可以得到密度较低、比强度高的综合性材料。

张瑛瑛[4]采用Cu、CuNb合金、Nb作为填充材料，对TCA钛合金与lCr18Ni9Ti奥氏体不锈钢进行了TIG熔钎焊连接，结果显示，分别采用Cu、CuNb合金、Nb作为填充材料进行钛合金与不锈钢的焊接，难以有效避免脆性金属间化合物的生成，其中采用CuNb合金填充材料接头抗拉强度最大可达125MPa。

Ting Wang等[5]用V/Cu基复合材料作为填充材料，对Ti6Al2Zr2Mo2V钛合金和304奥氏体不锈钢进行了电子束焊接，表明单一的填料不能有效抑制Ti-Fe金属间化合物的生成，只有两种或两种以上的填料才能达到抑制效果。其中V/Cu金属间化合物的生成量最小。

通过钛/钢异种金属的焊接在真空条件下取得了一定强度的焊接接头。但由于在真空环境下焊接价格较为昂贵且不能对较大工件进行施焊，限制了其应用范围。冷金属过渡焊接技术在异种金属的焊接中有较大优势，本文通过过渡层的方式，应用冷金属过渡焊接技术对钛/钢异种金属连接进行研究。

1 实验

实验母材为TA2工业纯钛和16MnR低合金钢板，板厚均为6mm。两种母材的主要化学成分如表1所示。其中TA2属于退火态工业纯钛，室温下抗拉强度为441MPa[6]；16MnR属于普通低合金钢，是压力容器的常用材料，室温下抗拉强度为551MPa[7]。

表1 母材的化学成分 wt.%

实验采用氧乙炔火焰切割，将母材切割成200mm×100mm的长方形焊接试样，不锈钢刷打磨，用角磨砂轮去除母材表面的氧化皮。采用Trans Plus Synergic 4000型CMT焊机。将焊枪装卡到FANUC焊接机器人上，通过焊接机器人对焊接速度进行控制。焊枪和焊接机器人共同工作，用直径为1.2mm的ER5356铝镁焊丝对钢板和钛板进行搭接焊。在钢板上堆焊一层纯镍过渡层，然后将镍堆焊表面机械打磨平整。焊接电流为70A，焊接电压为11.5V，焊接速度为0.7m/min，Ar流量为18min/L。实验结束后，用线切割横向切取15mm×15mm的焊接接头试样，抛光、腐蚀后，扫描电子显微镜(SEM)对焊接接头的显微组织进行观察；能谱测试仪(EDS)对焊缝的元素组成进行分析；显微硬度仪对钢侧和钛侧进行显微硬度测试(在焊缝处每隔0.25mm取一点进行显微硬度测试)。

2 实验结果分析

硬度是衡量材料机械性能的一项重要指标。采用显微维氏硬度仪来测试焊缝、热影响区、母材的硬度，观察硬度的变化规律，如图1所示，由中间点开始每隔0.25mm取一点进行硬度测试。

图1 显微硬度点分布

图2a为钛侧焊缝内的显微硬度分布，随着测试点到钛侧焊缝的距离减小，硬度逐渐增加，在焊缝界面附近出现最大值379.91HV，继续向焊缝内打点硬度有一定降低，然后升高到和钎焊界面相近硬度378.42HV后，硬度突然降低到100HV以下，硬度在65.00HV作用很小范围内上下波动。图2b为钢侧焊缝内的显微硬度分布，在钢板内硬度为196.52HV，在钢板和Ni过渡层的交界面硬度突然提高为408HV，进入Ni过渡层后硬度在200HV左右很小范围内上下波动，在Ni过渡层焊缝界面处硬度突然增大到394.39HV，进入填充金属后硬度突然降低到64HV左右，该硬度值为ER5356铝合金的显微硬度。

2.1 焊接接头的宏观形貌

为了解TA2工业纯钛和16MnR低合金钢接头连接的结合机理，需观察焊接接头的宏观形貌。本实验采用的焊丝为ER5356铝镁合金焊丝，熔点较低(660℃)；TA2工业纯钛的熔点为1670 ℃；16MnR熔点为1300℃。在焊接过程中，只有铝镁合金焊丝在电弧作用下熔化。而熔点较高的工业纯钛和16MnR低合金钢不熔化或者微熔。图3为钛、钢焊接接头的宏观形貌。从图3中可看出，焊缝和钢侧的有明显分界线，钢侧焊缝界面通过铝原子扩散作用和铁、镍原子结合；钛侧焊缝界面通过铝原子扩散作用和钛原子结合。

图2 钛侧和钢侧焊缝显微硬度

图3 钛/钢焊接接头的宏观形貌

2.2 钛侧焊接接头的组织分析

在对钛/钢异种金属冷金属过渡焊接过程中，熔融的焊缝金属原子通过原子间的相互扩散作用在钎焊的焊接界面生成一层Ti-Al金属间化合物。通过分析Ti-Al金属间化合物的形态、种类、厚度等观察和分析钛/焊缝之间钎焊界面的连接情况。

图4分别为80倍和2000倍放大后的钛侧焊缝组织情况。其中图4b中间位置的银灰色区域为金属间化合物层，厚度为60～70μm。金属间化合物层分为两层，靠近Ti基体的一侧较为平整;靠近Al侧为锯齿状，局部为针状，向焊缝金属内部生长。用EDS对金属间化合物平滑区域内进行点扫描，得出各种元素占总原子数的百分比为76.20%Al、20.33%Ti、0.06%Mn、3.41%Ni；由于扩散作用有少量的Ni和Mn扩散到焊缝中，结合Ti-Al二元相图[8]，分析其成分为TiAl3。用EDS对锯齿状黑色部分区域进行点扫描，得出各元素占总原子数百分比为97.63%Al、0.03%Mn、1.49%Fe、0.85%Ni，主要成分为Al，焊缝中有少量的Fe和Ni，这些Fe和Ni是通过扩散作用进入到焊缝中的；Fe和Ni常温下在Al中的溶解度很小[9]，因为Fe和Ni是以Fe-Al和Ni-Al金属间化合物形式存在于焊缝中。使用EDS对锯齿状区域内白色部分进行点扫描，得出各元素占总原子数的百分比为77.33%Al、22.67%Ti，该区域内的Al和Ti原子数比与平滑区域内Al和Ti原子数比相近，分析该区域成分也为TiAl3。TiAl3为有序状结构，主要靠结晶形核长大，其生长有方向性，因此生长为针状或棒状；又由于TiAl3为脆性金属间化合物，使焊缝的焊接接头变得较脆，易发生断裂。

图4 钛侧焊缝组织形态

为了解钛侧焊缝金属间的元素分布，对焊缝区域进行线扫描(图5)。由图5b可知，随测试点到钛侧钎焊界面距离的减小，铝元素的含量逐渐减少，钛元素的含量逐渐增加；在焊缝内的白色棒状区域内也有少量的Ti存在，Ti和Al的比例为1∶3，经分析为金属间化合物TiAl3，金属间化合物TiAl3的存在是该区域硬度提高的主要原因。

图5 钛侧结合面线扫描谱线

2.3 钢侧焊接接头的组织分析

相比于钛侧焊缝截面，钢侧焊缝的成分较为复杂。由于本实验在钢板上堆焊了一层纯镍，因此，焊缝中由于原子的扩散作用易形成Ni-Al、Fe-Al金属间化合物，如图6所示。图6a和图6b分别为钢侧焊缝80倍和2000倍放大后的焊缝组织情况，图6b中间的银灰色区域为金属间化合物层，厚度为120～130μm；金属间化合物层也分为两层，一层为靠近钢侧的金属间化合物层，外观平整均匀，另一层靠近Al侧呈柱状或针状向焊缝内部生长。用EDS对该区域进行点扫描，得出各种元素占总原子数的百分比为76.20%Al、0.06%Mn、20.33%Fe、3.41%Ni，其中Ni+Fe与Al的比例为1∶3，经分析得金属间化合物的成分为NiAl3+FeAl3。用EDS对锯齿状金属间化合物黑色区域进行点扫描得出各元素占总原子数的百分比为99.53 %Al、0.47 %Ti；该区域成分主要为Al，并有少量的Ti，分析认为该区域内的Ti原子是由其扩散作用进入的。

图6 钢侧焊缝组织形态

为分析焊缝周围的元素分布对钢侧焊缝进行线扫描(图7)，由图7b可知，在由焊缝到母材方向，Al含量逐渐减少，Fe含量逐渐增加。在焊缝界面处有Al原子扩散到钢板中与Fe原子和Ni原子形成金属间化合物FeAl3和NiAl3。由于FeAl3和NiAl3均为脆性金属间化合物且延展率几乎为0，是造成焊缝脆性断裂的主要原因。

图7 钢侧结合面线扫描谱线

3 结论

(1)钛板母材和钢板母材与焊缝交界面处硬度变大。在两侧母材和焊缝内的硬度变化不大。

(2)钛侧焊缝界面有Ti向焊缝内扩散，在焊缝内形成脆性金属间化合物TiAl3，使钛板焊缝焊接接头的强度性能下降。

(3)钢侧焊缝，由于Ni过渡层的作用，有脆性金属间化合物NiAl3和FeAl3生成，其中Ni能减少FeAl3的生成量。

[1]张洪涛.铝/镀锌钢板CMT熔-钎焊机理研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2008.

[2]V N Zamkov,李宝明.钛合金的焊接与钎焊[J].稀有金属材料与工程,1986,11(10):79-83.

[3]王廷,张秉刚,陈国庆，等.钛/钢异种金属焊接存在问题及研究现状[J].焊接,2009(9):29-33.

[4]张瑛瑛.钛合金/不锈钢TIG熔焊接头微观组织及力学性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006.

[5]Ting Wang,Binggang Zhang.High strength electron beam welded titanium-stainless steel joint with V/Cu based composite filler metals[J].Vacuum,2013，94(8):41-47.

[6]刘晓燕.室温ECAP变形工业纯钛变形行为及组织性能研究[D].西安：西安建筑科技大学,2014.

[7]王宁煦.压力容器用钢板16MnR焊后热处理工艺参数的研究与优化[D].天津：天津理工大学,2014.

[8]X U Yue,P He,J C Feng,et al.Microstructure and interfacial reactions of vacuum brazing titanium alloy to stainless steel using an AgCuTi filler metal[J].Materials Characterization,2008,59(12)：1721-1727.

[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.

(责任编辑：赵丽琴)

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

张义弓(1989—)，男，硕士研究生； 通讯作者：刘爱国(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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