30CrMnSi/Cu/V/TC4電子束焊接試驗研究

魏連峰 李寧 王廷

摘要：使用Cu/V中間層實現(xiàn)了30CrMnSi合金鋼與TC4鈦合金的電子束焊接，探究了接頭組織和性能特征。結(jié)果表明，通過添加Cu/V過渡層金屬可以避免Ti-Fe元素的直接混合反應生成脆硬的金屬間化合物。焊縫不同區(qū)域分布著不同組分及性能的特征相，靠近鋼側(cè)焊縫為偏聚形成的富Fe相與富Cu相，靠近鈦側(cè)焊縫在形成Ti-V固溶體的同時也形成了少量Ti-Cu金屬間化合物。接頭的抗拉強度最高為418 MPa，接頭失效于焊縫與30CrMnSi母材界面處的熔合線位置。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金;30CrMnSi合金鋼;電子束焊接;微觀組織

中圖分類號：TG456.3 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0067-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.13

0 ? ?前言

現(xiàn)代科技的發(fā)展對材料的性能提出了更嚴苛的要求，異種材料結(jié)構(gòu)因兼具兩種或多種材料的優(yōu)點與特性得到越來越廣泛的研究和關(guān)注[1-3]。鈦合金因具有較好的耐腐蝕性、比強度和熱穩(wěn)定性逐步成為工程材料領(lǐng)域中的一種常用材料，而鋼材因成本較低和優(yōu)異的綜合性能也是工業(yè)發(fā)展不可或缺的部分[4-5]。從工程應用與科學研究的角度，實現(xiàn)鈦/鋼異種金屬的高質(zhì)量連接，得到兼具兩者優(yōu)良性能的鈦/鋼復合結(jié)構(gòu)，有明顯的研究意義和應用前景[6-7]。

鈦/鋼因熔點和物理化學性質(zhì)差異較大以及容易產(chǎn)生Ti-Fe金屬間化合物，二者的連接存在明顯的困難[8]。為了避免Ti-Fe金屬的直接接觸與混合，熔化焊時通過嘗試使用Cu[9]、V[10]、Nb[8，11]、Mg[12]等不同的過渡金屬實現(xiàn)鈦合金與鋼的連接。楊勝等人[13]通過采用Cu作為中間過渡層實現(xiàn)了TC4鈦合金與316L不銹鋼的激光焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面處脆性的Ti-Fe金屬間化合物能夠明顯被Cu中間層抑制，TC4與焊縫界面處發(fā)現(xiàn)了明顯的連續(xù)性Ti-Fe和非連續(xù)的Ti-Fe、Ti-Cu金屬間化合物，厚度約為60μm。王廷等人[14]通過采用不同結(jié)構(gòu)的Cu/V復合填充層實現(xiàn)了鈦合金與不銹鋼的連接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)楔形結(jié)構(gòu)的Cu/V填充層可以在保持接頭固溶體過渡組織結(jié)構(gòu)特征的同時，消除部分未熔合缺陷，使得接頭抗拉強度達到385 MPa。

上述研究主要針對1～2 mm厚薄板進行。文中基于冶金相容性分析——相鄰過渡層金屬具有良好的互溶性及不產(chǎn)生脆性金屬間化合物，設(shè)計了Ti-V-Cu-Fe復合結(jié)構(gòu)。試驗了5 mm厚TC4鈦合金與30CrMnSi合金結(jié)構(gòu)鋼的電子束工藝，研究了焊縫組織與力學性能，對推動鈦/鋼異種材料結(jié)構(gòu)的工業(yè)化應用具有重要意義。

1 試驗方法

試驗母材為TC4鈦合金與30CrMnSi合金結(jié)構(gòu)鋼，其化學成分分別如表1、表2所示。在進行焊接前通過線切割加工成100 mm×50 mm×5 mm的板材備用。試驗過程中添加的Cu/V填充層為工業(yè)純銅與工業(yè)純釩，試驗前通過線切割加工為100 mm×0.8 mm×5 mm薄片。

電子束焊接工藝過程及Cu/V復合中間層的裝夾固定方式及電子束作用位置如圖1所示，形成了TC4-V-Cu-30CrMnSi的復合結(jié)構(gòu)。單道進行添加復合填充層時，過渡元素的冶金屏蔽作用會減弱，因此確定使用先后兩道焊接工藝。由于釩的高熔點和銅的高導熱性，兩次焊接時電子束的下束位置分別優(yōu)化為銅鋼界面處以及純釩層的中間位置。進行兩次焊接的電子束焊接工藝如表3所示。電子束焦點聚焦于焊縫表面。

電子束焊接完成后，選擇焊縫成形穩(wěn)定部位使用線切割垂直焊縫方向制備金相試樣及拉伸試樣。通過光學顯微鏡（OLYMPUS）及掃描電子顯微鏡（MERLIN Compact）對焊縫微觀組織進行分析，觀察特征組織和鑒定相成分。采用Instron 5967型萬能試驗機對接頭進行拉伸試驗，拉伸速率1 mm/min，每組接頭對3個試件取平均值，拉伸試樣的具體尺寸如圖2所示。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

添加Cu/V復合填充層的鈦/鋼電子束焊接接頭表面成形和橫截面形貌如圖3所示。由圖3a可以發(fā)現(xiàn)焊縫具有熔透焊縫的成形特征，由于電子束沖擊及熔池自身重力作用，焊縫正面產(chǎn)生凹陷，反面產(chǎn)生凸起，兩道焊縫分別具有鈦金屬及銅金屬的光澤。

焊縫截面呈現(xiàn)出“ 工 ”字形特征，即焊縫上下表面寬度明顯大于焊縫中部，兩側(cè)的TC4鈦合金母材和30CrMnSi母材存在明顯的熱影響區(qū)。添加Cu/V填充層進行第一道焊接時，由于Cu高導熱性及純釩的高熔點，靠近Cu的V金屬薄片因熱量流失未完全熔化進入熔池，導致焊縫內(nèi)部殘留少量未熔釩。

觀察圖3b可知，添加Cu/V中間層的鈦/鋼電子束接頭因中部未熔釩層而明顯地分為近鈦側(cè)及近鋼側(cè)兩個區(qū)域，區(qū)域內(nèi)分布著不同的組織特征，這是因為試驗材料板厚較大，加之電子束焊接極快的加熱及冷卻速率，熔池內(nèi)金屬組分未能充分混合均勻，不同區(qū)域組分不同而產(chǎn)生不同的特征相。分別使用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ標記焊縫內(nèi)的不同特征區(qū)域。

圖3b所標識的不同特征區(qū)域微觀組織如圖4所示，不同特征相能譜分析結(jié)果見表4。第一道電子束流作用過程中，少量銅填充層熔化進入熔池內(nèi)部，近鈦側(cè)焊縫Ⅰ區(qū)域主要由Ti-V形成的固溶體（B相）和晶界處摻雜少量TixCu金屬間化合物（A相）組成。位于第一道焊縫底部的區(qū)域Ⅱ明顯存在受第二道熔池影響的痕跡，大量銅元素進入焊縫內(nèi)部，使得此區(qū)域形成了由樹枝狀V固溶體（D相）及樹枝晶界處Ti-Cu-V的混合固溶體（C相）。

近鋼側(cè)由于Ti-Cu兩種金屬的非均勻混合和聚集而產(chǎn)生了富集Cu元素的區(qū)域Ⅲ和富集Fe元素的區(qū)域Ⅳ。由于Ti-Fe之間不產(chǎn)生淬硬的金屬間化合物和較低的固溶度，使得區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ分別分布著以Cu為基體的固溶體（E、G相）和以Fe為基體的固溶體（F、H相）。同時可以發(fā)現(xiàn)存在少量V金屬熔化進入第二道熔池內(nèi)部。

為了分析電子束焊接過程中熔池內(nèi)金屬元素的運動及擴散現(xiàn)象，使用線掃描對沿焊縫橫截面方向的元素變化規(guī)律進行表征，進行掃描路徑如圖3b所示，結(jié)果如圖5所示。通過結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)，第一道熔池內(nèi)部Ti-V含量幾乎為1∶1，同時存在少量Cu元素熔化進入熔池。中間區(qū)域為未熔釩。右側(cè)第二道焊縫結(jié)果的為富銅區(qū)域，Cu元素與Fe元素呈現(xiàn)明顯負相關(guān)，第一道熔池少量Ti-V熔化進入第二道熔池內(nèi)部。

2.2 力學性能

對填加Cu/V復合填充層的鈦/鋼電子束接頭進行強度測試，獲得的結(jié)果如圖6所示。接頭的抗拉強度為418 MPa，較好地實現(xiàn)了TC4鈦合金與30CrMnSi合金結(jié)構(gòu)鋼的連接。同時由應力-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)接頭不存在明顯的延性，經(jīng)歷了屈服階段后發(fā)生脆性斷裂。

拉伸試驗接頭的斷裂位置及延伸路徑以及斷口形貌分別如圖7、圖8所示。由圖7可知，斷裂發(fā)生在第二道焊縫與30CrMnSi母材的界面處，原因可能為：電子束能量密度較高，實現(xiàn)了熔池金屬依附于未熔釩生長，結(jié)合強度較高。同時通過Cu-V兩層過渡金屬較好地避免了Ti-Fe金屬元素的直接接觸與混合，進而形成金屬間化合物，影響接頭承載能力。而第二道熔池內(nèi)銅-鋼混合劇烈，且銅-鋼的物理性質(zhì)存在明顯差異，導致焊縫熔池與母材的結(jié)合強度較低，在受到外加載荷的條件下發(fā)生接頭失效。結(jié)合圖8中所示的斷口形貌，印證了上述分析內(nèi)容，斷口形貌明顯分為富Fe區(qū)域及富Cu區(qū)域。圖8a中富Fe區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，同時分布著少量的氣孔，影響接頭性能。圖8b中富Cu區(qū)域分布著大量的河流狀解理斷裂花樣，在外力作用下發(fā)生脆性穿晶斷裂。

3 結(jié)論

（1）添加Cu/V復合填充層可以有效抑制Ti-Fe金屬間化合物的形成，起到了很好的冶金屏蔽作用，改善了焊縫組織，實現(xiàn)了鈦/鋼異種金屬的高質(zhì)量連接。

（2）中厚板鈦/鋼接頭存在明顯區(qū)別于薄板連接的組織不均勻性。不同區(qū)域內(nèi)元素含量差異較大，形成組分性質(zhì)各異的不同特征組織。

（3）添加Cu/V復合填充層鈦鋼電子束焊接的接頭強度最高達到418 MPa，焊縫與30crMnSi母材的界面為接頭的性能薄弱區(qū)域。

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收稿日期：2021-01-16

基金項目：國家自然科學基金（U1637104）

作者簡介：魏連峰（1981—），男，碩士，高級工程師，主要從事核電焊接的相關(guān)研究。E-mail：252044665@qq.com。

通訊作者：王 廷（1984—），男，博士，副教授，主要從事高能束流焊接與設(shè)備方面的研究。E-mail：fgwangting@163.com。