鈦/鋼異種金屬焊接技術的研究進展
鈦/鋼異種金屬焊接技術的研究進展
鈦和鋼廣泛應用于船舶領域，其中，鋼材主要用于船體，鈦合金則大量用于海水管路等部位，由于鈦與鋼的物理化學性能差異，焊接界面常形成大量脆性金屬間化合物，無法獲得優質的焊接接頭，因此產生了鈦/ 鋼連接問題。本研究在分析鈦/鋼異種金屬的焊接性基礎上，綜述了鈦/鋼異種金屬間的釬焊、壓力焊、熔焊等研究現狀，并對鈦/鋼異種金屬焊接的發展前景進行了展望。
鈦及鈦合金具有一系列優良的性能，如比強度高、耐蝕性能優異、耐熱性能與低溫性能好、焊接性良好等，因此在船舶、航空航天、核能、石油化工等領域都獲得了廣泛的應用。鋼鐵材料具有高強度以及良好的焊接性，且價格相對便宜。如果能得到有效的鈦/鋼異種金屬復合結構焊接接頭，充分利用鈦的耐蝕性和鋼的低成本，將會獲得獨特的性能優勢和良好的經濟效益。然而，鈦和鋼在熔點、線膨脹系數、比熱容、熱導率等物理性能方面存在明顯的差異，使得鈦與鋼在焊接過程中容易出現受熱不均和內應力，降低接頭性能。另外，鈦與鋼在晶格類型、原子半徑、電負性等化學性能方面相差顯著，存在冶金學不相容性，在焊接過程中，接頭中極易產生 Ti－Fe 脆性金屬間化合物，使接頭呈現很大的脆性，難以形成可靠的連接。近幾十年來，焊接工作者在鈦鋼異種金屬焊接方面開展了大量研究工作， 研究涉及的焊接方法大致可分為釬焊、壓力焊和熔焊三大類。本研究將綜述鈦鋼焊接的總體研究進展，總結鈦鋼異種金屬焊接面臨的主要問題，并對其未來發展前景進行展望。
01鈦/鋼釬焊
鈦/鋼釬焊的研究主要集中在工藝優化、新型釬料的研制和加入金屬過渡層等方面。采用 Ag－28Cu 銀基釬料對 CP 鈦和 Q235 鋼進行真空釬焊，研究了不同釬焊工藝對鈦/鋼釬焊接頭的界面成分分布和剪切強度的影響。研究結果表明: 釬焊接頭結合區域的組織成分與釬焊溫度和保溫時間有關，逐漸消失; 隨著釬焊溫度和保溫時間的進一步增加，Fe－Ti 脆性相的生成使接頭剪切強度進一步下降，直接升溫到釬焊溫度 保溫，釬焊接頭結合區域的成分主要為 Ag －Cu 共晶結構，增加中間保溫過程，母材與釬料之間充分反應，開始產生 Cu－Ti 金屬間化合物，釬焊區域中共晶結構接頭最高剪切強度可達100 MPa。劉士磊等選用一種新型 Ti37．5Zr37．5Ni10 Cu15非晶釬料，實現了 TC4 鈦合金和 304 不銹鋼的釬焊連接，該釬料與 TC4 鈦合金母材側的冶金結合較好，與 304 不銹鋼側冶金作用較差，焊縫中心區域和靠近不銹鋼區域金屬間化合物較多，接頭剪切強度最高可達122. 14 MPa。
探 究 了 Cr、V 粉末層介入對 TC4 和 304 鋼電阻釬焊的影響。其接頭形式，焊接母材尺寸均為 80 mm × 20 mm × 1. 2 mm。分別在不銹鋼、鈦合金表面添加 Cr、V 粉末層，實驗選用 Ag45CuZn 為焊接釬料。結果表明，釬焊接頭擴散反應區新生成的 Fe－Cr、Ti－ V 相替代了 Fe－Ti、Cu－Ti、Cr－Ti 等脆性相，使得接頭的力學性能得到很大的改善，釬焊接頭剪切強度最高可達187 MPa。在此基礎上嘗試了在不銹鋼表面噴涂鎳涂層，開展了鈦鋼電阻釬焊的研究。研究表明，鎳噴涂層有效地改變了不銹鋼母材原子釬焊擴散過程的反應機制，使 Ni 原子與 Fe、Cr 等原子共同參與釬焊過程和擴散反應，形成了具有多層反應區特征的顯微組織。當涂層厚度為 27 μm 時，釬焊接頭獲得了最高剪切強度，為 254．71 MPa。
鈦鋼釬焊溫度較低，對母材的組織和性能影響小。釬焊過程中鈦母材不發生熔化，可限制 Ti－Fe 脆性相的生成。選用合適的釬焊工藝參數、研制新型釬料和加入金屬過渡層， 可調節界面反應層的成分和組織。由于釬焊效率低、成本高，真空、電阻釬焊又受設備條件限制，不適用于大尺度工件的焊接，且釬焊接頭強 度普遍較低，難以作為工程結構承載件應用。
02鈦/鋼壓力焊
鈦/鋼壓力焊的方法很多，主要包括爆炸焊、 擴散焊和摩擦焊三種。鈦/鋼擴散焊是近年來的研究熱點。
2．1 鈦/鋼爆炸焊
鈦/鋼爆炸焊技術已較為成熟，我國已經能生產最大面積為 9 000 mm × 4 000 mm的鈦鋼復合板。爆炸焊接工藝條件較 多，主要有焊材的種類、厚度，炸藥的成分、密度、 爆速、動態碰撞角度以及基復板間距等。用 TA2 與 Q235B 進行了大量實驗，給出了爆炸焊爆速與動態碰撞角的范圍分別為 1． 8 ～ 2．6 km /s 和 11° ～ 17°，在此范圍內可獲得良好的結合。在此基礎上開展了相關實驗，發現 3 mm 厚的 TA2 鈦板與 Q345Ｒ 鋼在上述參數下進行爆炸焊接時，很難獲得良好的焊接結 合，而在焊速＞760 m /s、動態碰撞角＞17°時，可獲得最高剪切強度為 387 MPa 的接頭。這反映了爆炸焊工藝仍面臨著普適性問題。何小松研究了熱處理對爆炸焊接成型的鈦鋼復合板界面強度的影響，結果表明，合適的退火溫度是提高復合板力學性能的關鍵，溫度過低則應力無法徹底消除，溫度過高則接頭強度下降快，在 500 ～ 550 ℃范圍內能得到綜合性能較好的鈦鋼復合板。
PＲASANTHI 等研究表明，退火過程中 Ti 原子在鋼中擴散的距離遠遠小于 Fe、Cr 等原子在鈦中擴散的距離，因而脆性化合物往往產生于鈦側焊縫處，可能導致板材脫焊等問題。
爆炸焊具有方法簡單、能源豐富、靈活性強、 成本很低以及性能優良等優勢，但也存在一些局限性。其中，爆炸焊接工藝參數主要是針對特定的兩種或幾種金屬開發制定，一套工藝參數可能適用于某兩種金屬的焊接，但不一定適用于其他金屬。因此，探索合理的爆炸焊工藝參數普適理論仍是目前面臨的一個問題，同時，后續熱 處理過程仍然存在板材端部脫焊問題，如何改善邊界效應仍需要研究。
2．2 鈦/鋼擴散焊
擴散焊是指兩直接接觸的被焊工件，在真空或惰性氣體環境中，高溫和一定壓力作用下，通過原子間相互擴散而形成冶金結合。
鈦/鋼擴散焊的研究主要包括焊接工藝和中間層的研究。開展了 316L 不銹鋼和 TC4 鈦合金直接擴散焊的研究，結果表明，直接擴散焊焊縫界面處主要由 FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti 等脆性相組成，接頭性能差，不能形成有效連接。AYDAN 等采用純 Ni 中間層開展了 TA2 鈦合金和 430 不銹鋼的擴散焊工藝研究，接頭剪切強度，研究表明，Ni 雖然阻斷了 Fe、Ti 原子的直接接觸，形成了脆性較小的 TiNi 等脆性相，一定程度上改善了接頭性能，但接頭仍表現出脆性斷裂。DENG 等以 Ag 作為中間層對 Ti 和 304 不銹鋼進行擴散焊接，因為 Ag 僅與 Ti 生成 TiAg 相，與 Fe /Cr/Ni 不會形成金屬間化合物，并且 TiAg 相具有較大韌性，斷面有大量韌窩出現，實現了鈦鋼塑性連接，且接頭最高剪切強 度可達 410 MPa。宋庭豐等通過添加復合中 間層 Cu /Nb，開展了 316L 不銹鋼和 TC4 鈦合金擴散焊焊接工藝的研究，研究表明，當焊接溫度 低于 900 ℃ 時，焊縫界面處能形成 TiA/α－βTi / Nb /Cu /Fe 的良好塑性過渡，最高剪切強度可達 489 MPa，且隨著焊接溫度和保溫時間的增加， Fe、Ti 原子充分擴散，開始形成 FeTi 脆性相，使接頭強度下降。SUKUMAＲ 等研究了 TC4 和 雙相不銹鋼有無 Ni 合金中間層的擴散焊過程， 試驗選用 150 μm 厚的 Ni－17Cr－9Fe 鎳合金中間層; 結果表明，不添加中間層時，焊接接頭剪切強度極低，加入中間層后，接頭剪切強度明顯提高， 且在 925 ℃ 下擴散焊接頭取得最大值 498． 3 MPa，同時伸長率可達 6．2%。
綜上所述，鈦合金和鋼材的直接擴散焊易產 生 FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti 等脆性相，難以形成有效連接。通過加入中間層可避免 Fe、Ti 原子的直接接觸，純 Ni 中間層能在一定程度上改善接頭性 能，但接頭仍為脆性斷裂，Ag 中間層可以實現鈦鋼塑性連接，但焊接成本高且對零件待焊面表面光潔度要求較高，同時受焊接設備影響，焊接接頭的形式與尺寸有限，焊接靈活性較差。擴散焊能獲得高強度接頭，接頭拉伸強度可達400～ 500 MPa，其中，Cu /Nb 復合中間層和 Ni 基合金中間層能在降低成本的同時得到優良的焊接接頭，是未來的發展方向。
2．3 鈦/鋼摩擦焊
摩擦焊是使用機械摩擦熱將待焊金屬表面加熱到一定溫度，通過接觸面發生蠕變和原子間互擴散而形成的冶金結合。摩擦焊可分為慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊。目前，鈦/鋼摩擦焊的研究主要集中在工藝優化和中間層的研究。
研究了熱處理對 316L 不銹鋼和 TC4 鈦合金慣性摩擦焊焊接接頭的組織性能的影響，結果表明，由于焊接過程中金屬內部缺陷變成表面裂紋而產生應力集中，直接焊接接頭的平均拉伸強度僅為 117 MPa，在 600 ℃退火2 h后應力得到釋放，接頭拉伸強度劇增至 419 MPa， 但接頭處仍有大量 TiC、Cr23 C6、FeTi、Fe2 Ti 等脆性相存在，斷裂仍為脆性沿晶斷裂。LI 等對 30CrMnSiNi2A 合金鋼及 TC4 鈦合金攪拌摩擦焊接工藝進行了詳細研究，研究表明，隨著攪拌轉速的增加，焊接接頭中 FeTi 脆性相的厚度相應減小，當 FeTi 脆性相的平均厚度小于 5 μm 時， 能得到極限拉伸強度為 740 MPa 的無脆化焊接接頭，焊接系數為 0．82。
CHEEPU 等通過在不銹鋼表面電鍍一層 1 μm 厚的純 Ni 層，開展了 CP－Ti 和 304 不銹鋼慣性摩擦焊焊接工藝研究，接頭拉伸強度測試結果; 不加中間層，焊接接頭的拉伸強度普遍偏低，加入 Ni 中間層后，焊接接頭橫截面與焊縫金相組織，接頭脆性得到一定程度的改善，但仍會產生明顯缺陷，成分、組織均勻性難以保證，同時由于 TiNi 低脆性相的存在， 所有接頭斷裂都發生在鈦鎳界面，表現為脆性斷裂。KUMAＲ 等以純銅為中間層，研究了 TC4 和 304L 不銹鋼慣性摩擦焊工藝，純銅層能比較明顯地改善鈦鋼接頭脆性，最大拉伸強度可達 370 MPa，焊接系數為 0．72。
鈦鋼摩擦焊存在應力集中問題，接頭強度較低，難以實現有效連接。合適的退火工藝能在一 定程度上改善接頭應力集中，提升接頭強度， 但解決不了界面脆性金屬間化合物的問題。通過調節焊接工藝減少接頭界面脆性相厚度或者加入中間層阻斷 Fe、Ti 原子的擴散、減少鈦鋼脆性相的生成、控制脆性相的種類，可使接頭強度得到一定程度的提升。對于鈦/鋼慣性摩擦焊， 接頭焊接系數可達 0． 7 左右，而對于攪拌摩擦焊，接頭焊接系數可達 0．8 左右。
03鈦/鋼熔焊
鈦與鋼熔焊主要指鈦鋼焊接過程中均發生或某一側發生熔化，產生熔池凝固后形成熔焊連接。根據熱源不同可分為電弧焊、電子束焊、激光焊三種。
3．1 鈦/鋼電弧焊
鈦/鋼電弧焊的研究主要集中于工藝技術的創新、新型焊接材料的研發、中間層的選擇以及在此基礎上進行的工藝參數的優化。
HAO 等以銅基絲材 EＲCuAl－A1 為焊絲， 開展了 TC4 鈦合金和 304 不銹鋼 TiG 焊焊接熱輸入與組織性能關系的研究; 研究表明，隨著熱輸入的增加，新生成的 Ti－Cu 反應區逐漸替代了 TiFe、TiFe2等脆性相，當熱輸入增加到 2．34 kJ/ cm 時，接頭獲得最大剪切強度 107 MPa，隨著熱輸入進一步增加，Fe、Ti 原子充分擴 散并開始逐漸產生 TiFe、TiFe2等脆性相，使接頭性能下降; 同時，所有斷裂都發生在 Ti－Cu 反應區，斷口呈解理特征，說明新生成的 Ti－Cu 反應 區仍為脆性組織。CHENG 等以銅基絲材 CuSi－3 為焊絲實現了 TC4 鈦合金和 304 不銹鋼 的 MIG－TIG 雙面對接焊。分析表明，Si 元素的加入使接頭界面原有的 Ti－Cu、Cu－Fe 反應區被新生成 的 TC4 /Ti2 Cu、TiCu /Ti － Cu、Ti5 Si3 /Cu、 FeSi /Fe( s，s) /304ss 等金屬間化合物所取代，進 一步改善了接頭性能，使接頭平均拉伸強度可達 278 MPa，最終斷裂發生在不銹鋼側。張敏等通過在 TA1 和鋼之間利用爆炸焊嵌入 1 mm 厚 的 Cu 層，再以過渡層焊接材料 Cu－Ag－Mo－Nb 為焊絲，對 TA1 /Cu /X65 三層復合板進行了 TIG 對接焊，中間層 Cu 夾層和 Cu－Ag－Mo－Nb 焊絲的使用，有效地抑制了焊接過程中鈦鐵元素的直接冶金作用，形成了塑性較好的銅基固溶體和 Ti－Ag 等金屬間化合物，接頭平均拉伸強度可達 507 MPa，拉伸時裂紋先產生于 TA1 層和過渡層之間，隨后向鋼層擴展，最終在鋼層斷裂。MOU 等和 GONACALO 等通過改變電源電壓、焊接電流和焊接位置，同時采用銅基焊絲，開展了鈦鋼冷金屬過渡焊的研究，但接頭拉伸強度均未能達到 300 MPa。
電弧焊能在大氣環境下進行，對焊件尺寸要求較小，具有適應性強、易于操作、焊接成本低等優勢，但常規電弧焊如 TIG、MIG 焊焊接接頭強度太低，爆炸－TIG 復合焊雖然強度高，但由于鈦 鋼熱導率與線膨脹系數的不同，焊接過程中容易產生熱應力及裂紋，焊接成功率不高。進一步開發新的焊接材料，改善焊接工藝以控制鈦鐵原子的擴散、保證焊接成功率，仍是需要解決的問題。
3．2 鈦/鋼電子束焊和激光焊
電子束焊和激光焊都屬于高能束流焊接技術，具備能量密度高、熱輸入可控和冷卻迅速等特點，焊接過程中，焊件界面原子擴散時間較短， 這意味著只要采用合適的焊接工藝和保證一定的中間層厚度，就可以得到成型較好的焊接接頭。目前，鈦/鋼激光焊和電子束焊的研究主要集中在焊接工藝和中間層方面。WANG 等開展了加不同中間層 Ti－6－2－ 2－2 鈦合金和 304 不銹鋼電子束焊接的研究，分別選用 0．5 mm 的 V、Ni、Cu、Ag 作為中間層，測 試結果
當加入 V 中間層時，鈦鋼接頭直接開裂，這是由于 V 在 TiFe 相中溶解度極低，電子束焊接 快速冷卻過程中，過飽和的 V 從不同位置 TiFe 相中析出，使接頭急劇脆化。加入 Ni、Cu、Ag 中 間層時，接頭界面微觀組織主要為 Fe2Ti+Ni3Ti+ NiTi2、Cu2Ti+CuTi+CuTi2和Ti2Ag，其中 Ti－V、Ti－ Ni 斷面為解理型斷面，屬于脆性斷裂，因而強度極差，Ti－Cu 金屬間化合物脆性較小，斷面顯示出準解理特征，強度較前兩者有所提升。Ti－Ag 界面主要由Ti2Ag相組成，斷面顯示出明顯的韌窩形態，屬于塑性斷裂，接頭拉伸強度最高，可達 310 MPa。在HＲ－2 不銹鋼表面電鍍 Ag、Cu 薄膜，并將電子束流向鋼側偏移，使不銹鋼側熔化并潤濕釬接鈦合金，但仍沒有控制住 Fe 原子的擴散，接頭拉伸強度僅為 45 MPa( 鍍 Ag) 和 100 MPa( 鍍 Cu) 。TOMASHCHUK 等以銅 為中間層，實現了鈦合金和 316L 鋼的電子束焊接，接頭拉伸強度最高可達 350 MPa。ZHANG 等采用鈦側偏束，開展了 TC4 鈦合金和 301L 不銹鋼激光焊的研究，最優焊接工藝下，接頭截面微觀組織和反應區微觀組織。鈦鋼結合界面處于焊接熱影區中， A 區為 β－Ti，B 區為 β－Ti+TiFe 相，C 區為 Ti2Fe 相。接頭仍為脆性接頭，拉伸強度最 高可達 336 MPa。ZHANG 等隨后在此基礎上 加入 Ta－V－Fe 復合中間層，試驗過程中，分別在 TC4－Ta 界面和 Fe－SS 界面兩個位置處焊接，并 保證 V 中間層不完全溶化; 結果表明，Ta－V－Fe 復合中間層的存在成功阻止了 Ti－Fe 脆性相的生成，得到了拉伸強度為 627 MPa 的接頭，此即 V 中間層的拉伸強度，接頭最終斷裂在 V 中間層 處。
綜上所述，直接采用電子束焊或激光焊焊接 鈦合金和鋼鐵材料，因接頭處界面產生大量的 Fe－Ti 脆性相而無法實現可靠連接。目前，由于尚未找到一種能同時與鈦鋼形成性能穩定的過渡組織的金屬材料，因此添加單一金屬中間層對 Fe-Ti 脆性相的抑制效果不明顯，尋找能避免脆性相的性能穩定過渡的多種金屬復合中間層仍 是未來的發展方向。在此基礎上，調節功率密度、焊接速度以控制焊接熱輸入，改變束流偏移量以得到合適的熱量分布，可進一步提高焊接質量。
鈦/鋼釬焊能得到脆性較小的釬焊接頭，同時工藝過程易于控制，可滿足鈦/鋼接頭的密封性能要求，適用于焊接尺寸較小的微電子領域。鈦/鋼爆炸焊適用于大面積板材焊接，生產工藝較為成熟，但普適性有待提高，且后續熱處理過程仍然存在板材端部脫焊等情況，如何改善邊界效應仍需要研究。對于鈦/鋼擴散焊、摩擦焊和 熔焊，鈦/鋼界面易形成脆性金屬間化合物仍是鈦鋼異種金屬焊接的最大困難，尋找合適的復合金屬中間層和合理的焊接參數匹配以調節焊接接頭界面成分、減少脆性金屬間化合物的產生仍是熔焊未來的研究方向。另外，近年來異種金屬制備新方法如 GMA、激光、電子束熔絲 沉積增材制造梯度材料，鈦鋼軋制復合以及爆炸－電弧復合焊的出現，為解決鈦鋼異種金屬焊接難題提供了新的思路。
目前，已有的研究多集中于焊接工藝與接頭組織成分、接頭力學性能關系的研究，而對異種焊接接頭的界面形成規律缺乏深入系統的研究。例如，焊縫界面中間相的形成、元素的分布以及它們與接頭性能的關系等。深入系統研究鈦鋼異種焊接界面形成規律，對指導改善鈦鋼異種金屬焊接接頭組織性能具有重要意義。
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