钛/钢异种金属焊接技术的研究进展
钛/钢异种金属焊接技术的研究进展
钛和钢广泛应用于船舶领域，其中，钢材主要用于船体，钛合金则大量用于海水管路等部位，由于钛与钢的物理化学性能差异，焊接界面常形成大量脆性金属间化合物，无法获得优质的焊接接头，因此产生了钛/ 钢连接问题。本研究在分析钛/钢异种金属的焊接性基础上，综述了钛/钢异种金属间的钎焊、压力焊、熔焊等研究现状，并对钛/钢异种金属焊接的发展前景进行了展望。
钛及钛合金具有一系列优良的性能，如比强度高、耐蚀性能优异、耐热性能与低温性能好、焊接性良好等，因此在船舶、航空航天、核能、石油化工等领域都获得了广泛的应用。钢铁材料具有高强度以及良好的焊接性，且价格相对便宜。如果能得到有效的钛/钢异种金属复合结构焊接接头，充分利用钛的耐蚀性和钢的低成本，将会获得独特的性能优势和良好的经济效益。然而，钛和钢在熔点、线膨胀系数、比热容、热导率等物理性能方面存在明显的差异，使得钛与钢在焊接过程中容易出现受热不均和内应力，降低接头性能。另外，钛与钢在晶格类型、原子半径、电负性等化学性能方面相差显著，存在冶金学不相容性，在焊接过程中，接头中极易产生 Ti－Fe 脆性金属间化合物，使接头呈现很大的脆性，难以形成可靠的连接。近几十年来，焊接工作者在钛钢异种金属焊接方面开展了大量研究工作， 研究涉及的焊接方法大致可分为钎焊、压力焊和熔焊三大类。本研究将综述钛钢焊接的总体研究进展，总结钛钢异种金属焊接面临的主要问题，并对其未来发展前景进行展望。
01钛/钢钎焊
钛/钢钎焊的研究主要集中在工艺优化、新型钎料的研制和加入金属过渡层等方面。采用 Ag－28Cu 银基钎料对 CP 钛和 Q235 钢进行真空钎焊，研究了不同钎焊工艺对钛/钢钎焊接头的界面成分分布和剪切强度的影响。研究结果表明: 钎焊接头结合区域的组织成分与钎焊温度和保温时间有关，逐渐消失; 随着钎焊温度和保温时间的进一步增加，Fe－Ti 脆性相的生成使接头剪切强度进一步下降，直接升温到钎焊温度 保温，钎焊接头结合区域的成分主要为 Ag －Cu 共晶结构，增加中间保温过程，母材与钎料之间充分反应，开始产生 Cu－Ti 金属间化合物，钎焊区域中共晶结构接头最高剪切强度可达100 MPa。刘士磊等选用一种新型 Ti37．5Zr37．5Ni10 Cu15非晶钎料，实现了 TC4 钛合金和 304 不锈钢的钎焊连接，该钎料与 TC4 钛合金母材侧的冶金结合较好，与 304 不锈钢侧冶金作用较差，焊缝中心区域和靠近不锈钢区域金属间化合物较多，接头剪切强度最高可达122. 14 MPa。
探 究 了 Cr、V 粉末层介入对 TC4 和 304 钢电阻钎焊的影响。其接头形式，焊接母材尺寸均为 80 mm × 20 mm × 1. 2 mm。分别在不锈钢、钛合金表面添加 Cr、V 粉末层，实验选用 Ag45CuZn 为焊接钎料。结果表明，钎焊接头扩散反应区新生成的 Fe－Cr、Ti－ V 相替代了 Fe－Ti、Cu－Ti、Cr－Ti 等脆性相，使得接头的力学性能得到很大的改善，钎焊接头剪切强度最高可达187 MPa。在此基础上尝试了在不锈钢表面喷涂镍涂层，开展了钛钢电阻钎焊的研究。研究表明，镍喷涂层有效地改变了不锈钢母材原子钎焊扩散过程的反应机制，使 Ni 原子与 Fe、Cr 等原子共同参与钎焊过程和扩散反应，形成了具有多层反应区特征的显微组织。当涂层厚度为 27 μm 时，钎焊接头获得了最高剪切强度，为 254．71 MPa。
钛钢钎焊温度较低，对母材的组织和性能影响小。钎焊过程中钛母材不发生熔化，可限制 Ti－Fe 脆性相的生成。选用合适的钎焊工艺参数、研制新型钎料和加入金属过渡层， 可调节界面反应层的成分和组织。由于钎焊效率低、成本高，真空、电阻钎焊又受设备条件限制，不适用于大尺度工件的焊接，且钎焊接头强 度普遍较低，难以作为工程结构承载件应用。
02钛/钢压力焊
钛/钢压力焊的方法很多，主要包括爆炸焊、 扩散焊和摩擦焊三种。钛/钢扩散焊是近年来的研究热点。
2．1 钛/钢爆炸焊
钛/钢爆炸焊技术已较为成熟，我国已经能生产最大面积为 9 000 mm × 4 000 mm的钛钢复合板。爆炸焊接工艺条件较 多，主要有焊材的种类、厚度，炸药的成分、密度、 爆速、动态碰撞角度以及基复板间距等。用 TA2 与 Q235B 进行了大量实验，给出了爆炸焊爆速与动态碰撞角的范围分别为 1． 8 ～ 2．6 km /s 和 11° ～ 17°，在此范围内可获得良好的结合。在此基础上开展了相关实验，发现 3 mm 厚的 TA2 钛板与 Q345Ｒ 钢在上述参数下进行爆炸焊接时，很难获得良好的焊接结 合，而在焊速＞760 m /s、动态碰撞角＞17°时，可获得最高剪切强度为 387 MPa 的接头。这反映了爆炸焊工艺仍面临着普适性问题。何小松研究了热处理对爆炸焊接成型的钛钢复合板界面强度的影响，结果表明，合适的退火温度是提高复合板力学性能的关键，温度过低则应力无法彻底消除，温度过高则接头强度下降快，在 500 ～ 550 ℃范围内能得到综合性能较好的钛钢复合板。
PＲASANTHI 等研究表明，退火过程中 Ti 原子在钢中扩散的距离远远小于 Fe、Cr 等原子在钛中扩散的距离，因而脆性化合物往往产生于钛侧焊缝处，可能导致板材脱焊等问题。
爆炸焊具有方法简单、能源丰富、灵活性强、 成本很低以及性能优良等优势，但也存在一些局限性。其中，爆炸焊接工艺参数主要是针对特定的两种或几种金属开发制定，一套工艺参数可能适用于某两种金属的焊接，但不一定适用于其他金属。因此，探索合理的爆炸焊工艺参数普适理论仍是目前面临的一个问题，同时，后续热 处理过程仍然存在板材端部脱焊问题，如何改善边界效应仍需要研究。
2．2 钛/钢扩散焊
扩散焊是指两直接接触的被焊工件，在真空或惰性气体环境中，高温和一定压力作用下，通过原子间相互扩散而形成冶金结合。
钛/钢扩散焊的研究主要包括焊接工艺和中间层的研究。开展了 316L 不锈钢和 TC4 钛合金直接扩散焊的研究，结果表明，直接扩散焊焊缝界面处主要由 FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti 等脆性相组成，接头性能差，不能形成有效连接。AYDAN 等采用纯 Ni 中间层开展了 TA2 钛合金和 430 不锈钢的扩散焊工艺研究，接头剪切强度，研究表明，Ni 虽然阻断了 Fe、Ti 原子的直接接触，形成了脆性较小的 TiNi 等脆性相，一定程度上改善了接头性能，但接头仍表现出脆性断裂。DENG 等以 Ag 作为中间层对 Ti 和 304 不锈钢进行扩散焊接，因为 Ag 仅与 Ti 生成 TiAg 相，与 Fe /Cr/Ni 不会形成金属间化合物，并且 TiAg 相具有较大韧性，断面有大量韧窝出现，实现了钛钢塑性连接，且接头最高剪切强 度可达 410 MPa。宋庭丰等通过添加复合中 间层 Cu /Nb，开展了 316L 不锈钢和 TC4 钛合金扩散焊焊接工艺的研究，研究表明，当焊接温度 低于 900 ℃ 时，焊缝界面处能形成 TiA/α－βTi / Nb /Cu /Fe 的良好塑性过渡，最高剪切强度可达 489 MPa，且随着焊接温度和保温时间的增加， Fe、Ti 原子充分扩散，开始形成 FeTi 脆性相，使接头强度下降。SUKUMAＲ 等研究了 TC4 和 双相不锈钢有无 Ni 合金中间层的扩散焊过程， 试验选用 150 μm 厚的 Ni－17Cr－9Fe 镍合金中间层; 结果表明，不添加中间层时，焊接接头剪切强度极低，加入中间层后，接头剪切强度明显提高， 且在 925 ℃ 下扩散焊接头取得最大值 498． 3 MPa，同时伸长率可达 6．2%。
综上所述，钛合金和钢材的直接扩散焊易产 生 FeTi、Fe2Ti、Cr2Ti 等脆性相，难以形成有效连接。通过加入中间层可避免 Fe、Ti 原子的直接接触，纯 Ni 中间层能在一定程度上改善接头性 能，但接头仍为脆性断裂，Ag 中间层可以实现钛钢塑性连接，但焊接成本高且对零件待焊面表面光洁度要求较高，同时受焊接设备影响，焊接接头的形式与尺寸有限，焊接灵活性较差。扩散焊能获得高强度接头，接头拉伸强度可达400～ 500 MPa，其中，Cu /Nb 复合中间层和 Ni 基合金中间层能在降低成本的同时得到优良的焊接接头，是未来的发展方向。
2．3 钛/钢摩擦焊
摩擦焊是使用机械摩擦热将待焊金属表面加热到一定温度，通过接触面发生蠕变和原子间互扩散而形成的冶金结合。摩擦焊可分为惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊。目前，钛/钢摩擦焊的研究主要集中在工艺优化和中间层的研究。
研究了热处理对 316L 不锈钢和 TC4 钛合金惯性摩擦焊焊接接头的组织性能的影响，结果表明，由于焊接过程中金属内部缺陷变成表面裂纹而产生应力集中，直接焊接接头的平均拉伸强度仅为 117 MPa，在 600 ℃退火2 h后应力得到释放，接头拉伸强度剧增至 419 MPa， 但接头处仍有大量 TiC、Cr23 C6、FeTi、Fe2 Ti 等脆性相存在，断裂仍为脆性沿晶断裂。LI 等对 30CrMnSiNi2A 合金钢及 TC4 钛合金搅拌摩擦焊接工艺进行了详细研究，研究表明，随着搅拌转速的增加，焊接接头中 FeTi 脆性相的厚度相应减小，当 FeTi 脆性相的平均厚度小于 5 μm 时， 能得到极限拉伸强度为 740 MPa 的无脆化焊接接头，焊接系数为 0．82。
CHEEPU 等通过在不锈钢表面电镀一层 1 μm 厚的纯 Ni 层，开展了 CP－Ti 和 304 不锈钢惯性摩擦焊焊接工艺研究，接头拉伸强度测试结果; 不加中间层，焊接接头的拉伸强度普遍偏低，加入 Ni 中间层后，焊接接头横截面与焊缝金相组织，接头脆性得到一定程度的改善，但仍会产生明显缺陷，成分、组织均匀性难以保证，同时由于 TiNi 低脆性相的存在， 所有接头断裂都发生在钛镍界面，表现为脆性断裂。KUMAＲ 等以纯铜为中间层，研究了 TC4 和 304L 不锈钢惯性摩擦焊工艺，纯铜层能比较明显地改善钛钢接头脆性，最大拉伸强度可达 370 MPa，焊接系数为 0．72。
钛钢摩擦焊存在应力集中问题，接头强度较低，难以实现有效连接。合适的退火工艺能在一 定程度上改善接头应力集中，提升接头强度， 但解决不了界面脆性金属间化合物的问题。通过调节焊接工艺减少接头界面脆性相厚度或者加入中间层阻断 Fe、Ti 原子的扩散、减少钛钢脆性相的生成、控制脆性相的种类，可使接头强度得到一定程度的提升。对于钛/钢惯性摩擦焊， 接头焊接系数可达 0． 7 左右，而对于搅拌摩擦焊，接头焊接系数可达 0．8 左右。
03钛/钢熔焊
钛与钢熔焊主要指钛钢焊接过程中均发生或某一侧发生熔化，产生熔池凝固后形成熔焊连接。根据热源不同可分为电弧焊、电子束焊、激光焊三种。
3．1 钛/钢电弧焊
钛/钢电弧焊的研究主要集中于工艺技术的创新、新型焊接材料的研发、中间层的选择以及在此基础上进行的工艺参数的优化。
HAO 等以铜基丝材 EＲCuAl－A1 为焊丝， 开展了 TC4 钛合金和 304 不锈钢 TiG 焊焊接热输入与组织性能关系的研究; 研究表明，随着热输入的增加，新生成的 Ti－Cu 反应区逐渐替代了 TiFe、TiFe2等脆性相，当热输入增加到 2．34 kJ/ cm 时，接头获得最大剪切强度 107 MPa，随着热输入进一步增加，Fe、Ti 原子充分扩 散并开始逐渐产生 TiFe、TiFe2等脆性相，使接头性能下降; 同时，所有断裂都发生在 Ti－Cu 反应区，断口呈解理特征，说明新生成的 Ti－Cu 反应 区仍为脆性组织。CHENG 等以铜基丝材 CuSi－3 为焊丝实现了 TC4 钛合金和 304 不锈钢 的 MIG－TIG 双面对接焊。分析表明，Si 元素的加入使接头界面原有的 Ti－Cu、Cu－Fe 反应区被新生成 的 TC4 /Ti2 Cu、TiCu /Ti － Cu、Ti5 Si3 /Cu、 FeSi /Fe( s，s) /304ss 等金属间化合物所取代，进 一步改善了接头性能，使接头平均拉伸强度可达 278 MPa，最终断裂发生在不锈钢侧。张敏等通过在 TA1 和钢之间利用爆炸焊嵌入 1 mm 厚 的 Cu 层，再以过渡层焊接材料 Cu－Ag－Mo－Nb 为焊丝，对 TA1 /Cu /X65 三层复合板进行了 TIG 对接焊，中间层 Cu 夹层和 Cu－Ag－Mo－Nb 焊丝的使用，有效地抑制了焊接过程中钛铁元素的直接冶金作用，形成了塑性较好的铜基固溶体和 Ti－Ag 等金属间化合物，接头平均拉伸强度可达 507 MPa，拉伸时裂纹先产生于 TA1 层和过渡层之间，随后向钢层扩展，最终在钢层断裂。MOU 等和 GONACALO 等通过改变电源电压、焊接电流和焊接位置，同时采用铜基焊丝，开展了钛钢冷金属过渡焊的研究，但接头拉伸强度均未能达到 300 MPa。
电弧焊能在大气环境下进行，对焊件尺寸要求较小，具有适应性强、易于操作、焊接成本低等优势，但常规电弧焊如 TIG、MIG 焊焊接接头强度太低，爆炸－TIG 复合焊虽然强度高，但由于钛 钢热导率与线膨胀系数的不同，焊接过程中容易产生热应力及裂纹，焊接成功率不高。进一步开发新的焊接材料，改善焊接工艺以控制钛铁原子的扩散、保证焊接成功率，仍是需要解决的问题。
3．2 钛/钢电子束焊和激光焊
电子束焊和激光焊都属于高能束流焊接技术，具备能量密度高、热输入可控和冷却迅速等特点，焊接过程中，焊件界面原子扩散时间较短， 这意味着只要采用合适的焊接工艺和保证一定的中间层厚度，就可以得到成型较好的焊接接头。目前，钛/钢激光焊和电子束焊的研究主要集中在焊接工艺和中间层方面。WANG 等开展了加不同中间层 Ti－6－2－ 2－2 钛合金和 304 不锈钢电子束焊接的研究，分别选用 0．5 mm 的 V、Ni、Cu、Ag 作为中间层，测 试结果
当加入 V 中间层时，钛钢接头直接开裂，这是由于 V 在 TiFe 相中溶解度极低，电子束焊接 快速冷却过程中，过饱和的 V 从不同位置 TiFe 相中析出，使接头急剧脆化。加入 Ni、Cu、Ag 中 间层时，接头界面微观组织主要为 Fe2Ti+Ni3Ti+ NiTi2、Cu2Ti+CuTi+CuTi2和Ti2Ag，其中 Ti－V、Ti－ Ni 断面为解理型断面，属于脆性断裂，因而强度极差，Ti－Cu 金属间化合物脆性较小，断面显示出准解理特征，强度较前两者有所提升。Ti－Ag 界面主要由Ti2Ag相组成，断面显示出明显的韧窝形态，属于塑性断裂，接头拉伸强度最高，可达 310 MPa。在HＲ－2 不锈钢表面电镀 Ag、Cu 薄膜，并将电子束流向钢侧偏移，使不锈钢侧熔化并润湿钎接钛合金，但仍没有控制住 Fe 原子的扩散，接头拉伸强度仅为 45 MPa( 镀 Ag) 和 100 MPa( 镀 Cu) 。TOMASHCHUK 等以铜 为中间层，实现了钛合金和 316L 钢的电子束焊接，接头拉伸强度最高可达 350 MPa。ZHANG 等采用钛侧偏束，开展了 TC4 钛合金和 301L 不锈钢激光焊的研究，最优焊接工艺下，接头截面微观组织和反应区微观组织。钛钢结合界面处于焊接热影区中， A 区为 β－Ti，B 区为 β－Ti+TiFe 相，C 区为 Ti2Fe 相。接头仍为脆性接头，拉伸强度最 高可达 336 MPa。ZHANG 等随后在此基础上 加入 Ta－V－Fe 复合中间层，试验过程中，分别在 TC4－Ta 界面和 Fe－SS 界面两个位置处焊接，并 保证 V 中间层不完全溶化; 结果表明，Ta－V－Fe 复合中间层的存在成功阻止了 Ti－Fe 脆性相的生成，得到了拉伸强度为 627 MPa 的接头，此即 V 中间层的拉伸强度，接头最终断裂在 V 中间层 处。
综上所述，直接采用电子束焊或激光焊焊接 钛合金和钢铁材料，因接头处界面产生大量的 Fe－Ti 脆性相而无法实现可靠连接。目前，由于尚未找到一种能同时与钛钢形成性能稳定的过渡组织的金属材料，因此添加单一金属中间层对 Fe-Ti 脆性相的抑制效果不明显，寻找能避免脆性相的性能稳定过渡的多种金属复合中间层仍 是未来的发展方向。在此基础上，调节功率密度、焊接速度以控制焊接热输入，改变束流偏移量以得到合适的热量分布，可进一步提高焊接质量。
钛/钢钎焊能得到脆性较小的钎焊接头，同时工艺过程易于控制，可满足钛/钢接头的密封性能要求，适用于焊接尺寸较小的微电子领域。钛/钢爆炸焊适用于大面积板材焊接，生产工艺较为成熟，但普适性有待提高，且后续热处理过程仍然存在板材端部脱焊等情况，如何改善边界效应仍需要研究。对于钛/钢扩散焊、摩擦焊和 熔焊，钛/钢界面易形成脆性金属间化合物仍是钛钢异种金属焊接的最大困难，寻找合适的复合金属中间层和合理的焊接参数匹配以调节焊接接头界面成分、减少脆性金属间化合物的产生仍是熔焊未来的研究方向。另外，近年来异种金属制备新方法如 GMA、激光、电子束熔丝 沉积增材制造梯度材料，钛钢轧制复合以及爆炸－电弧复合焊的出现，为解决钛钢异种金属焊接难题提供了新的思路。
目前，已有的研究多集中于焊接工艺与接头组织成分、接头力学性能关系的研究，而对异种焊接接头的界面形成规律缺乏深入系统的研究。例如，焊缝界面中间相的形成、元素的分布以及它们与接头性能的关系等。深入系统研究钛钢异种焊接界面形成规律，对指导改善钛钢异种金属焊接接头组织性能具有重要意义。
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