鈦板與不銹鋼網片滾焊工藝優化研究

于康　孫亞非　謝屹

摘要：介紹鈦合金板與不銹鋼網片滾焊工藝優化研究，主要研究滾焊過程網片斷裂機制、滾焊壓力及能量輸入對不銹鋼網片的影響。結果表明：滾焊焊縫中存在“2次”滾焊過程，鈦合金板與不銹鋼網片在一次滾焊過程中產生了脆性金屬間化合物，二次滾焊時，在大壓力和大能量輸入作用下導致網片斷裂;采用較小的滾焊壓力和較小的熱輸入量時，在保證焊縫撕裂試驗合格的前提下，可以有效地降低網片斷裂概率。經過試驗優選比較，最終優選出小壓力滾焊參數為：滾焊電極壓力0.08 MPa、焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min;優選的滾焊參數進行直線焊縫和圓形焊縫試驗件泡破點試驗，合格率分別達到為85%與90%。

關鍵詞：鈦合金板;不銹鋼網片;滾焊;壓力

中圖分類號：TG453+.9文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0092-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.17

0 前言

某鈦合金貯箱為全金屬焊接結構，主要由外部殼體和內部管理裝置兩部分組成。其中，內部管理裝置負責在微重力環境下收集和管理液體，以保證向液口排出不帶氣體的推進劑，供給發動機使用，是貯箱的核心部件。內部管理裝置主要由各種收集器、過濾器和通道等組件組成，收集器、過濾器的性能可靠性將直接影響到整個貯箱的可靠性。各種收集器、過濾器形狀很多，但基本結構相同，均為骨架、支壓板與網片組成，骨架與支壓板的材料為TC4，網片材料為00Cr18Ni13不銹鋼。解決支壓板與網片的連接問題，實際就是解決鈦合金板與不銹鋼網片異種金屬之間的焊接問題。

鈦合金與不銹鋼屬于性能差別特別大的兩種材料，焊接難度極大[1-2]，極易產生脆性金屬間化合物[3-4]。國內外采用的焊接方法主要有爆炸焊、摩擦焊、釬焊、擴散焊、電子束焊和滾焊[5]。針對不銹鋼網片的特殊性，鈦合金板和不銹鋼網片一般采用滾焊方法進行連接，但滾焊后不銹鋼網片斷絲率偏高，泡破點合格率都較低。本文主要研究一種小壓力、小輸入量的滾焊焊接方法進行鈦合金板與不銹鋼網片的連接，降低不銹鋼網片斷絲率，提高泡破點合格率。

1 試驗材料及設備

試驗選用HANSON型號滾焊設備，如圖1所示;滾焊所用電極為紫銅電極，如圖2所示。試驗母材為TC4支壓板與不銹鋼網片，兩種材料的物理性能如表1所示。滾焊后的焊縫要求進行撕裂強度試驗，撕裂長度應大于50 mm，焊縫撕裂強度應大于網片強度，撕裂后焊接處的網片殘余結合寬度應大于焊縫寬度的60%。

2 鈦合金板與不銹鋼網片滾焊網片斷裂原因分析

表面張力貯箱中滾焊焊縫主要包括直線焊縫與圓形焊縫，如圖3、圖4所示。由圖可知，直線焊縫有4點處于焊縫接縫處，圓形焊縫的起弧收弧位置處于焊縫接縫處，焊縫接縫處至少經過了“2次”滾焊過程。

收集60件泡破點不合格的直線焊縫滾焊產品進行分析，發現其中46件產品在焊縫接縫處發生斷絲泄漏，9件產品在焊縫中間位置發生斷絲泄漏，3件產品在焊縫中間位置發生未焊合泄漏，2件產品在隨機位置發生局部過燒而網片破裂。收集80件泡破點不合格的圓形焊縫滾焊產品進行分析，發現其中63件產品在焊縫起弧收弧位置（接縫處）發生斷絲泄漏，10件產品在非收弧起弧位置發生斷絲泄漏，1件產品發生未焊合泄漏，6件產品發生局部過燒而網片破裂。具體分析情況如表2所示。

對于滾焊直線焊縫和圓形焊縫，都不可避免的存在著局部位置二次滾焊現象。鈦合金和不銹鋼滾焊屬于異種材料的連接，Ti-Fe二元相圖如圖5所示，可以看出，Ti和Fe在液態下無限互溶，在固態下有限互溶，極易形成金屬間化合物TiFe、TiFe2和Fe（TiO3），而TC4鈦合金與304L不銹鋼焊接時情況更復雜，Ti易與Fe、Cr、Ni等元素形成復雜的脆性金屬間化合物。

因此，鈦合金板與不銹鋼網片經一次滾焊時，其接頭處必然存在著脆性的金屬間化合物，接頭脆性相在“二次”滾焊時，若壓力過大或者電極接觸表面過窄時，極易發生脆性相的斷裂而發生泄漏。若能降低滾焊壓力，則可能降低滾焊接縫處脆性相的斷裂概率。

3 滾焊壓力的優選

滾焊是采用一對滾輪電極壓緊工件，滾輪轉動驅動工件運動，同時滾輪向工件饋送連續或斷續的焊接電流，從而產生一個個熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法。不銹鋼網片較薄，為防止過熱，通常采用斷續電流。

滾焊壓力的主要作用為壓緊鈦合金板與不銹鋼網片，若電極壓力過高，會使壓痕過深，并加速滾輪的變形和損耗;若電極壓力過小，易產生縮孔，且易因接觸不良導致接觸電阻過大，接觸面電流突升突降而局部過熱。本次試驗的目的即是選擇能使鈦合金板與不銹鋼網片緊密接觸，不出現局部接觸不良現象的最小電極壓力。在固定電極速度為2 r/min、保證滾焊焊縫撕裂強度的前提下，研究不同電極壓力的壓緊效果，具體參數及情況如表3所示，不同壓力下典型的滾焊焊縫形貌如圖6所示。

滾焊過程產生的熱量為[6]：

當滾焊壓力較小時（0.01 MPa），不銹鋼網片無法與鈦合金板緊密接觸，在滾焊過程中局部鼓起或者起褶，導致焊點局部區域無法接觸，接觸電阻過大，滾焊輸入能量加大，焊點大而疏，局部區域發生過燒現象。隨著滾焊壓力的增大，試件接觸逐漸緊密，當滾焊壓力達到0.08 MPa時，焊縫焊點均勻，成形平整規則。繼續增大電流至0.4 MPa，由于壓力過大導致局部區域壓痕過深。試驗可知，0.08 MPa的滾焊壓力即能保證產品的緊密接觸，因此最終優選滾焊電極壓力為0.08 MPa。

4 與小壓力匹配的小能量滾焊參數優選

鈦合金板與不銹鋼網片滾焊斷絲問題主要與兩方面因素有關，一為滾焊電極壓力，二為滾焊能量輸入。滾焊電極壓力小，可以保證經一次滾焊產生的脆性相受到較小壓力的碾壓而不脆斷，而滾焊能量輸入小，則能保證經一次滾焊產生的脆性相在接縫滾焊時受到較小的熱壓力而不脆斷。因此，有效控制滾焊能量輸入也至關重要。本次試驗的原則即是在小電極壓力條件下，采用盡可能小的焊接熱輸入來使滾焊焊縫達到設計撕裂試驗要求。本次試驗主要研究焊接電流、焊接速度兩個關鍵滾焊參數。由式（1）可知，焊接電流對焊接能量輸入的影響大于焊接速度，因此，優選考慮小電流滾焊技術。

4.1 滾焊電流的優選

結合以往的滾焊經驗以及設備的性能，試驗固定焊接速度為1 r/min，滾焊壓力0.08 MPa，研究滾焊電流分別為800 A、850 A、900 A、950 A、1 000 A時對滾焊性能的影響，具體情況如表4所示。

由表4可知，當焊接電流過小時，熱輸入量過小，不銹鋼和鈦合金異種材料之間無法實現有效焊合，焊縫連接強度低。隨著焊接電流的增加，板網之間的反應加劇，當達到850 A時，撕裂長度已滿足50 mm的設計要求，但殘留在鈦合金板上的焊縫寬度較窄，此時，焊接熱輸入量已使兩種材料之間發生了冶金反應，但是反應層較薄，焊接強度較低。當焊接電流達到900 A時，滾焊焊縫性能滿足撕裂試驗要求。繼續增大焊接電流，當焊接電流達到1 000 A時，由于焊接熱量過大，滾焊焊縫局部出現網片氧化現象，網片氧化導致塑性下降。綜上所述，滾焊焊接電流優選900 A。

4.2 滾焊速度的優選

根據前期試驗情況，本次試驗固定焊接電流為900 A，滾焊壓力為0.08 MPa，研究滾焊速度分別為1 r/min、2 r/min、3 r/min、4 r/min對滾焊性能的影響，具體情況如表5所示。

由表5可知，當焊接速度較快時，滾焊熱輸入量減小，與此同時，焊接熱量的散失速度加快，材料之間還未來得及完全反應，能量已經散失，因此出現了滾焊未焊合現象。隨著焊接速度的降低，當焊接速度達到2 r/min時，熱輸入量與能量散失速度基本達到平衡，實現了合格的滾焊焊縫。繼續降低焊接速度至1 r/min時，盡管也能實現合格的滾焊焊縫，但是熱輸入量增大對于脆性反應層是不利的。綜上所述，優選焊接速度為2 r/min。

因此，本次試驗優選的與小壓力匹配的小能量滾焊參數為焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min。

5 優選滾焊參數驗證

經過試驗優選比較，確定的小壓力滾焊技術優選參數為：電極壓力0.08 MPa、焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min。

采用優選的滾焊參數進行了20件撕裂試驗的驗證，撕裂試驗合格率為100%;進行了20件直線焊縫的試驗件泡破點試驗，合格率為85%;進行了20件圓形焊縫的試驗件泡破點試驗中，合格率為90%。

6 結論

（1）滾焊焊縫中存在“2次”滾焊過程，鈦合金板與不銹鋼網片在一次滾焊過程中產生了脆性金屬間化合物，在二次滾焊時，在大壓力和大能量輸入作用下導致網片斷裂。

（2）采用較小的滾焊壓力和較小的熱輸入量時，在保證焊縫撕裂試驗合格的前提下，可以有效地降低網片斷裂概率。

（3）經過試驗優選比較，優選出小壓力滾焊參數為：滾焊電極壓力0.08 MPa、焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min。

（4）采用優選的滾焊參數進行直線焊縫和圓形焊縫試驗件泡破點試驗，合格率分別達到85%與90%。

參考文獻：

[1] 孫榮祿，楊文杰，張九海. 鈦合金與不銹鋼擴散焊接頭的組織與性能[J]. 焊接技術，1997（4）：4-6.

[2] Ghosh M，Bhanumurthy K，Kale G B，et al. Diffusion bonding of titanium to 304 stainless steel[J]. Journal of Nuclear Materials，2003（322）：235-241.

[3] Kale G B，Patil R V，Gawade P S. Interdiffusion studies in titanium-304 stainless steel system[J]. Journal of NuclearMaterials，1998（257）：44-50.

[4] He P，Zhang J H，ZHOU R L，et al. Diffusion bonding technology of a titanium alloy to a stainless steel web with an Ni interlayer[J]. Materials Characterization，1999（43）：287292.

[5] 鄒榮蓮，劉澤文. 鈦合金TC4與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的擴散焊工藝探索[J]. 北京航空航天大學學報，1995，21（4）：45-50.

[6] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊第一卷，焊接方法及設備[M]. 北京：機械工業出版社，2012.