釩作中間層的TC4 鈦合金與316L不銹鋼雙道激光焊接

余騰義，陳樹海，劉 珂，賈 旭，陳 容

（1.釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室,攀鋼集團研究院有限公司,四川 攀枝花 617000；2.北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083）

0 引言

鈦/鋼異種金屬復合結構能夠兼具鈦合金高比強度、輕量化、高耐蝕性與鋼的低成本、高耐磨性和高溫強度等多重優勢，在船舶、石化和電力等行業中具有廣泛的應用[1?3]。因此，開發可靠的焊接技術，實現鈦合金與不銹鋼的可靠連接，對于制造鈦/鋼異種金屬復合結構具有重要意義。

鈦合金和鋼的物理與化學性能有巨大差異，Ti和Fe 的溶解度非常低，二者熔化焊接頭中由于應力集中以及界面會生成脆性極大的Ti-Fe、Ti-Cr 金屬間化合物[4]，導致無法實現連接。目前鈦/鋼焊接采用的擴散焊[5]，爆炸焊[6]和摩擦焊[7]等壓力焊接方法存在焊接效率低、接頭形式受限等缺點，難以實現批量生產和復雜構件的焊接。

通過添加中間材料，可以對元素的擴散進行抑制，消除金屬間化合物，從而改善接頭的性能。中間材料的選擇取決于其與鈦和鐵的冶金相容性和性能，中間層材料應避免形成金屬間化合物相。鈦和鋼的連接采用了各種中間層，最常用的中間層材料包括Cu[8]、Ni[9]及其合金。現有研究表明[8?10]Cu、Ni 及其合金作中間層焊接鈦/鋼依然不足以抑制脆性金屬間化合物的形成。

釩基合金是先進熔合系統中結構材料的潛在候選材料，因為釩與鈦形成連續固溶體。然而，鐵與釩在一定成分下可以形成金屬間化合物σ 相，會導致接頭性能下降，因此最好的選擇是將鋼/釩熔化區中的V 含量降低到σ 相形成極限以下。有相關研究發現[11]，由于高冷卻速率，在激光焊接過程中不會在Fe 和V 之間形成σ 相。目前，鈦合金不銹鋼接頭以純釩為中間層已實現雙道激光焊接[12]，但是這些研究均針對焊接工藝參數，對接頭微觀組織與力學性能的研究不夠充分。

基于上述問題，筆者選用純釩作中間層，采用雙道激光焊接的方法，即將激光首先聚焦在鈦合金/釩界面形成焊縫，再將激光聚焦于釩/不銹鋼界面附近不銹鋼一側，研究和探討雙道激光焊接過程工藝參數對焊接接頭的影響規律，最終實現鈦/鋼異種金屬的高質量焊接。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗母材為TC4 鈦合金和316L 不銹鋼，其主要成分見表1，母材規格均為100 mm×60 mm×3 mm，中間層材料純釩規格為100 mm×3 mm×2 mm。因試驗焊接的板材均為3 mm 厚的薄板，所以焊前不需要開坡口，焊前被焊材料及中間層都用砂紙將待焊面打磨干凈，去除表面氧化皮，然后用丙酮清洗以去除表面的油污及雜質。

表1 試驗材料化學成分Table 1 Chemical compositions of TC4 and 316L %

1.2 試驗方法

試驗所選的焊接設備為數控激光焊接與加工系統的軸流式二氧化碳激光器，型號為SLCF-X1225，最大功率為4 000 W，波長為10.6 μm。焊接過程中嚴格裝配，保證釩層和鈦合金及不銹鋼間無間隙。采用氬氣作為保護氣體，正反面雙面保護，焊接形式為對接。

按照圖1 設計試驗，第一道激光焊接TC4 鈦合金板和純釩，第二道激光焊接釩/不銹鋼。通過調節激光焦距進行焊前試驗，調試成功后，調整激光作用在鈦合金側、不銹鋼側的位置（光束偏移量）和激光束在工件表面的移動速度（即焊接速度）等設計單因素試驗。先期探索得到激光功率3 500 W，焊接速度1.0～1.5 m/min，激光束偏移量0.1～0.5 mm，離焦量為0，即聚焦焊接。

圖1 不銹鋼/釩/鈦合金焊接示意Fig.1 Welding schematic of stainless steel,vanadium and titanium alloy

將激光焊接的試樣沿垂直焊縫的方向切割，制成10 mm×5 mm 的小試樣。采用標準的金相試樣制備方法進行打磨拋光，滿足要求后對金相試樣中鈦合金與不銹鋼分別采用HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶2∶4∶50 配制而成的溶液和FeCl3溶液進行腐蝕，金相試樣腐蝕完成后，用水和酒精清洗試樣表面，以除去殘留的腐蝕液，然后用吹風機吹干，再在金相顯微鏡下觀察焊縫金相組織并拍照。

利用掃描電子顯微鏡（FEIQuanta 250）和能譜分析儀（EDS）對激光焊接接頭顯微組織進行形貌觀察和元素分析。焊接得到的試樣進行切割，加工成122 mm×15 mm×3 mm 的拉伸試樣，利用MTS810型萬能材料拉伸試驗機測試接頭抗拉強度，焊縫位于拉伸試樣中部，每組試件線切割3 個拉伸試樣，速率選用1.5 mm/min，試樣被拉斷時記錄其峰值，再根據斷裂處的承載截面積計算出抗拉強度，取拉伸試樣的平均值作為試件的抗拉強度。

2 結果與討論

2.1 工藝參數對焊縫成形的影響

為了研究第一道激光焊接工藝參數在TC4 鈦合金/釩焊縫界面成形的影響，按照設計試驗，激光功率恒定為3 500 W，離焦量為0，改變中間層釩和鈦合金焊接時的激光焊接速度，激光光束對準V/Ti焊縫中央，分別選取激光焊接速度為1.5、1.2 m/min和1.0 m/min 進行試驗。

不同焊接速度下鈦合金/釩焊縫界面成形如圖2所示，當焊接速度為1.5 m/min 和1.2 m/min 時，焊接速度較高，熱輸入較低，焊縫底部出現未焊透缺陷，隨著焊接速度的降低，未焊透缺陷得到進一步改善。當焊接速度降低至1.0 m/min 時，焊縫完全焊透，接頭呈現典型的T 字型焊接接頭，成形良好。

圖2 不同焊接速度下鈦合金/釩焊縫界面成形Fig.2 Weld interface forming of titanium alloy and vanadium at different welding speeds

為了研究鈦合金/釩激光焊接中鈦合金側光束偏移量對接頭焊縫成形的影響，在激光功率恒定為3 500 W，焊接速度恒定為1.0 m/min 時，改變釩和鈦合金焊接時的激光偏移量，分別向鈦合金側偏移0.1、0.2、0.3、0.4 mm 和0.5 mm。

不同偏移量下鈦/釩激光焊接界面微觀組織如圖3 所示。在不同的偏移量下，焊接接頭成形良好，呈現典型的T 字型，接頭處鈦和釩都發生了熔化，從圖3（a）中可以看出，當偏移量較小為0.1 mm 時，接頭焊縫正面鋪展面積較大，同時焊縫背面液態金屬流出；當偏移量繼續增大，在0.2～0.4 mm 變化過程中，焊縫組織基本相同，焊縫美觀，背部焊透，為典型的熔焊接頭界面。從宏觀形貌來看，當偏移量達到0.2 mm 時，釩層熔化量相同，背面尺寸趨于穩定，因此確定激光束在鈦側的最佳偏移量為0.2 mm。焊接功率3 500 W，焊接速度1.0 m/min，偏移量為0.2 mm時，焊縫金相組織如圖3（b）所示，釩與鈦熔合得很好，焊接接頭美觀，呈現出激光焊接典型的T 字型接頭，焊縫背部完全焊透，鈦側呈現銀白色光澤，且無裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，熔合線兩側界線很明顯，實現了很好的冶金結合。

圖3 不同偏移量下鈦/釩激光焊接接頭組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of titanium/vanadium laser welded joint with different offsets

實現了鈦合金和釩的穩定焊接后，開始第二道激光焊接釩和不銹鋼，由于光束偏移量是影響焊縫性能的主要參數，因此作為主要探究的變量，研究不同偏移量對焊縫的影響，光束向鋼側分別偏移0.1、0.2、0.3 mm 和0.4 mm。

圖4 為在釩/鈦偏移量為0.2 mm 的條件下偏移量對釩/鋼焊縫成形的影響。當鋼側偏移量為0.1、0.2、0.3 mm 時，如圖4（a）～（c）所示。試樣均完全焊透，正面及背面成形都很光滑，焊縫正面顏色略發藍，說明焊縫表面保護得不是太好，發生了一定的氧化，但不會影響力學性能，焊縫背面呈現出金屬光澤銀白色，說明背面氬氣氛圍保護良好，成形美觀，未發現有裂紋。對照橫截面金相組織可以看出，釩層很好地充當了中間層的作用，焊縫成形美觀，光滑，且無裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，熔合線兩側界線很明顯，實現了很好的冶金結合，因此Ti/V 界面和Fe/V界面均呈現熔焊接頭。當鋼側偏移量增加到0.4 mm 時，如圖4（d），據焊縫截面形貌圖可知，由于偏移量較大，此時釩/不銹鋼界面焊縫正面釩熔化量很小，原因可能為激光束遠離焊縫中央，熱輸入較小，導致沒有形成良好的冶金結合，焊縫背面也未焊透，直接影響力學性能。

圖4 偏移量對鋼/釩焊接接頭的影響（P=3 500 W,v=1.0 m/min）Fig.4 Effect of offsets on steel/vanadium welded joints

2.2 工藝參數對焊縫力學性能的影響

鈦合金/釩/不銹鋼雙道激光焊接接頭抗拉強度測試中，發現拉伸試樣的斷裂位置由釩變為釩/鋼界面，鈦/釩界面力學性能較好，不發生斷裂。在釩/鈦側偏移量為0.2 mm 時，釩/鋼側激光焊接不同光束偏移量下試樣力學性能的變化如圖5 所示。由圖5可知，隨著偏移量的增加，接頭的力學性能呈現先增加后減小的趨勢，試樣的接頭斷裂位置當偏移量為0.1、0.2、0.3 mm 時，斷裂位置均處于釩層，且隨著偏移量的增大，試樣的抗拉強度呈現增大的趨勢，這與激光熱輸入對釩層的熱影響有關，當光束偏移量較小時，釩層受激光熱輸入的影響，組織狀態發生改變，從而成為接頭中的薄弱地帶，因此斷裂位置位于釩層。當偏移量為0.4 mm 時，相比于斷裂位置在釩的試樣，試樣的抗拉強度明顯降低，斷裂位置位于釩/不銹鋼，斷裂形式為脆性斷裂，說明偏移量太大時，熱源距離界面太遠，界面處的溫度進一步降低，導致界面反應不充分，無法形成有效的冶金結合，甚至出現焊縫根部未熔合等缺陷，導致接頭強度有所降低，釩/不銹鋼界面處沒有形成穩定的焊接接頭。

圖5 鋼側不同偏移量下的焊縫抗拉強度Fig.5 Tensile strength of weld at different offsets of steel side

綜上可以得知，為了保證中間層釩受到激光熱輸入的影響最小，同時又要有足夠的熱輸入使得界面形成良好的冶金結合，偏移量是影響力學性能最主要的工藝參數，偏移量為0.3 mm 時，抗拉強度達到最大。通過對焊縫成形及拉伸強度的分析，將釩作為中間層，采用雙道激光焊接TC4 鈦合金和316L 不銹鋼異種金屬時，獲得了最佳的工藝參數：雙道激光焊接功率3 500 W、焊接速度1.0 m/min，第一道激光（鈦合金/釩）偏向鈦合金側0.2 mm，第二道激光（釩/不銹鋼）偏向不銹鋼側0.3 mm，焊件的抗拉強度達到了406.9 MPa。試樣斷裂的宏觀形貌圖如圖6 所示，由斷口的放大圖可以看出，斷裂位置從釩中間處發生，說明界面的連接強度大于中間層的強度，證明該方法可以獲得良好的界面強度，并且斷裂過程中發生明顯的縮頸，屬于韌性斷裂。

圖6 最佳工藝參數下的試樣斷口形貌Fig.6 Fracture profile of the specimen with optimal process parameters

2.3 焊縫顯微組織分析

不銹鋼/釩/鈦合金雙道激光焊接接頭組織形貌如圖7（a）所示，焊接過程中，激光聚焦分別聚焦在不銹鋼和鈦合金一側，釩中間未完全熔化，焊縫熔合區很窄，不明顯，因此將接頭分為5 個區域，包括316L 不銹鋼?不銹鋼與釩的焊縫區?未熔的釩層?釩與鈦合金的焊縫區?TC4 鈦合金。

圖7 不銹鋼/釩/鈦合金焊接試樣的接頭組織形貌Fig.7 Joint morphology of stainless steel/vanadium/titanium alloy welding sample

由圖7 可看出，316L 不銹鋼母材為單一奧氏體組織，不銹鋼/釩焊接接頭產生了焊縫、熱影響區和母材三個組織特征明顯不同的區域。焊接熱影響區組織與母材組織有顯著差異，該區域內的奧氏體有顯著長大。焊縫中存在細小的等軸晶粒區，而兩側晶粒向焊縫中心方向生長，中心兩側晶粒夾雜不同形態的柱狀晶和等軸晶。TC4 鈦合金其微觀組織為α+β 雙相組織，在焊縫區，主要以粗大β 柱狀晶為主，這是由于鈦合金導熱性較差、β 相極易過熱且快速長大，在熔合線附近母材通過聯生結晶、外延生長形成。β 晶粒內部分布著大量針狀α'馬氏體，這種組織的形成是由于鈦合金焊接過程中在較高溫度的β 區停留時間不足、冷卻速度過快所致。

圖8 為鋼側不同激光光束偏移量下V/Fe 焊縫界面的顯微組織照片，經過成分線掃可知不同偏移量下界面層的厚度不同，鋼側偏移量為0.3 mm 時，界面層厚度為35.8 μm，當偏移量為0.4 mm 時，界面層非常薄，原因為偏移量太大，界面處熱輸入不夠高，而V 的熔點較高，導致熔化量較小，未能形成良好的焊接接頭。

圖8 鋼側不同激光光束偏移量下V/Fe 焊縫界面的顯微組織照片Fig.8 Microstructure of V/Fe weld interface at different laser beam offsets on steel side

圖9 為釩/鋼界面處的掃描電子顯微鏡照片，對A、B 兩點進行EDS 能譜分析，各個元素的原子分數見表2。由表2 可以發現，靠近不銹鋼與釩的界面處，釩的摩爾分數為35.55%，遠離焊縫界面處釩的摩爾分數降至19.59%。根據Fe-V 二元相圖推斷，雖然有形成σ 相的可能，但由于激光焊本身快速冷卻的特點，不發生固相反應，界面層的成分為鐵基固溶體，同時根據力學性能的分析，也證明了界面處不存在脆性相。

表2 不銹鋼/釩焊接界面的元素含量Table 2 Element content of stainless steel/vanadium welding interface %

3 結論

1）純釩作為中間層材料能實現鈦合金和不銹鋼的高強度焊接，釩層阻止了鈦-鐵的直接接觸，從而避免了脆性金屬間化合物的生成，同時，釩/鐵界面不形成σ 相。

2）激光光束偏移量對焊件的抗拉強度有很大的影響，通過調整焊接工藝，最佳焊接工藝下焊件的最大抗拉強度達到了406.9 MPa，斷裂位置在釩/鋼界面，屬于韌性斷裂。

3）最佳的焊接工藝為：第一道激光首先焊接鈦合金和釩，激光功率為3 500 W，焊接速度為1.0 m/min，激光光束偏向鈦合金側0.2 mm；第二道激光焊接釩和不銹鋼，激光功率為3 500 W，焊接速度為1.0 m/min，激光光束偏向不銹鋼側0.3 mm。