銅箔種類(lèi)和厚度對(duì)鈦/鋼電阻點(diǎn)焊接頭組織和性能的影響

張鵬賢，祿建強(qiáng)，陳 沛

(蘭州理工大學(xué)，有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

0 引 言

鈦合金與不銹鋼焊接構(gòu)件能夠充分發(fā)揮兩者在性能和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，在航空航天和海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。但是鈦合金和不銹鋼在熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等方面存在差異，焊接接頭容易形成TiFe、TiFe2等脆性金屬間化合物，導(dǎo)致焊接質(zhì)量較差；同時(shí)焊后冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起開(kāi)裂。針對(duì)以上問(wèn)題，一些學(xué)者采用在連接界面電鍍銀、銅金屬薄膜和在不銹鋼表面噴涂鎳等措施[2-4]，但未能有效阻止鈦鐵化合物的生成，接頭強(qiáng)度仍較低。

有學(xué)者提出，在鈦合金和不銹鋼之間添加過(guò)渡金屬層能實(shí)現(xiàn)鈦/鋼的有效連接[5]。KUNDU等[6]以鎳層為過(guò)渡層實(shí)現(xiàn)了工業(yè)純鈦和304不銹鋼的擴(kuò)散焊，發(fā)現(xiàn)鎳元素可以阻止鈦、鐵元素互擴(kuò)散，接頭抗剪強(qiáng)度可達(dá)219 MPa；ZHAO等[7]以鎳箔作為中間層實(shí)現(xiàn)了鈦/鋼的真空熱軋連接，鎳層的介入提高了接頭的強(qiáng)度和塑性；陳一帆等[8]在以銅+鈮作為復(fù)合過(guò)渡層的鈦/鋼擴(kuò)散焊的研究中發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡層有利于形成良好的接頭。由此可見(jiàn)，以金屬鎳、銅、鈮作為中間過(guò)渡層可實(shí)現(xiàn)鈦/鋼的有效連接，提高接頭性能。出于經(jīng)濟(jì)考慮，實(shí)際焊接過(guò)程中一般采用銅作為中間過(guò)渡層。王紅陽(yáng)等[9]以Cu-Zn合金箔作為過(guò)渡層進(jìn)行鈦/鋼激光-電弧復(fù)合焊，結(jié)果表明，接頭發(fā)生了明顯的冶金反應(yīng)，生成了Ti-Cu系金屬間化合物及AlCu2Ti，實(shí)現(xiàn)了鈦和鋼的有效連接；劉彥峰等[10]采用銅箔作為中間層對(duì)鈦、鋼進(jìn)行擴(kuò)散焊，鈦與鐵、鉻的互擴(kuò)散得到有效抑制，接頭形成了具有多層結(jié)構(gòu)的新相層，其硬度高于基體。綜上，銅作為過(guò)渡層時(shí)，鈦和鋼可實(shí)現(xiàn)良好連接，且銅價(jià)格相對(duì)較低，便于工業(yè)應(yīng)用。

在鈦合金與不銹鋼薄板的連接中，電阻點(diǎn)焊因具有效率高、焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[10]而應(yīng)用廣泛。目前，關(guān)于添加金屬過(guò)渡層的鈦/鋼電阻點(diǎn)焊的研究較少。作者采用不同類(lèi)型、厚度的銅箔作為過(guò)渡層，研究了銅箔類(lèi)型和厚度對(duì)鈦合金/不銹鋼薄板電阻點(diǎn)焊接頭組織和性能的影響，為銅箔類(lèi)型和厚度的選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為寶鈦集團(tuán)生產(chǎn)的TC4鈦合金板和酒泉鋼鐵公司生產(chǎn)的304不銹鋼板，化學(xué)成分如表1所示，抗拉強(qiáng)度分別為800，512 MPa。選用蘇州中煜達(dá)銅業(yè)有限公司提供的T1、T2、T4、TU0、TU1、TU2、H62、HSn62-1、QSn1.5-0.2等9種銅箔作為過(guò)渡層材料，化學(xué)成分如表2所示。

表1 鈦合金和不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 銅箔的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of copper foils (mass fraction) %

在TC4鈦合金板和304不銹鋼板上截取尺寸均為80 mm×20 mm×1.5 mm的試樣，采用YR-350SA2HGL型臺(tái)式電阻點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊，采用3層疊加的搭接接頭，自上而下疊加次序?yàn)殁伜辖?、銅箔、不銹鋼，銅箔平面尺寸為20 mm×20 mm,厚度為0.21.0 mm,搭接長(zhǎng)度為20 mm,裝配方式如圖1所示。裝配前，用砂紙對(duì)母材和銅箔表面進(jìn)行打磨，放入丙酮溶液中超聲波清洗3 min，取出烘干。裝配時(shí)，采用高溫結(jié)構(gòu)密封膠對(duì)銅箔進(jìn)行定位，并防止焊接區(qū)域氧化，密封膠僅涂覆在搭接層側(cè)表面。待密封膠完全凝固后進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

沿焊點(diǎn)中心垂直于結(jié)合面方向截取尺寸為12 mm×8 mm×3.2 mm的金相試樣，經(jīng)磨拋，采用2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)HF+3%HNO3+95%H2O的混合溶液腐蝕，在JSM-6700F型掃描電子顯微鏡下觀察顯微組織，并用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用D8ADVANCEA型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。采用DW-300J型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行剪切試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm·min-1，試驗(yàn)結(jié)束后用游標(biāo)卡尺測(cè)量熔核直徑，結(jié)合最大剪切力計(jì)算接頭的抗剪強(qiáng)度。

圖1 接頭裝配方式示意Fig.1 Diagram of joint assemble method

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

為確定最佳焊接工藝參數(shù)，采用0.3 mm厚的T2銅箔作為過(guò)渡層對(duì)鈦合金和不銹鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，以接頭的抗剪強(qiáng)度作為接頭可靠連接判據(jù)。由圖2可以看出，接頭的抗剪強(qiáng)度隨焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力的增大均呈先增大后減小的趨勢(shì)，并分別在焊接電流為3.0 kA、焊接時(shí)間為1.2 s、電極壓力為0.5 MPa時(shí)達(dá)到峰值。優(yōu)化工藝為焊接電流3.0 kA、焊接時(shí)間1.2 s、電極壓力0.5 MPa。后文如無(wú)特指，所用工藝均為優(yōu)化工藝。

2.2 銅箔種類(lèi)及厚度對(duì)顯微組織的影響

由圖3可以看出，T4和H62銅箔過(guò)渡層焊接接頭的組織可分為鈦合金母材區(qū)、鈦-銅反應(yīng)區(qū)(A1，A2)、銅中間過(guò)渡區(qū)(B1，B2)、銅-不銹鋼反應(yīng)區(qū)(C1，C2)以及不銹鋼母材區(qū)。T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭的組織分布均勻，晶粒細(xì)小，鈦-銅、銅-不銹鋼反應(yīng)區(qū)厚度小，銅中間過(guò)渡區(qū)厚度大，這是焊點(diǎn)處的銅箔完全熔化且母材少量熔化，使得擴(kuò)散的銅原子數(shù)量增加，鈦、鐵原子數(shù)量下降導(dǎo)致。結(jié)合圖4的XRD譜可知，T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭熔合區(qū)中存在富銅的鈦基固溶體、鈦-鐵脆性金屬間化合物、鈦-銅金屬間化合物、銅及形態(tài)各異的銅基固溶體。H62銅箔過(guò)渡層焊接接頭中，存在銅-鋅固溶體和脆性鋅-鈦、鈦-鐵金屬間化合物，接頭出現(xiàn)較多的孔洞及裂紋缺陷(箭頭所示)。與純銅箔相比，銅合金箔中的鋅、鐵等合金元素含量較高，與母材中的鈦、鐵元素反應(yīng)生成數(shù)量較多的脆性金屬間化合物，缺陷和較多的脆性金屬間化合物會(huì)導(dǎo)致銅合金箔過(guò)渡層焊接接頭的力學(xué)性能降低。

圖2 接頭抗剪強(qiáng)度隨焊接工藝參數(shù)的變化曲線Fig.2 Curves of shear strength vs welding process parameters of joint: (a) welding current；(b) welding time and (c) electrode pressure

圖3 0.4 mm厚T4和H62銅箔過(guò)渡層接頭的剖面顯微組織Fig.3 Profile microstructure of joints with 0.4 mm thickness T4 (a-b) and H62 (c-d) copper foil as transition layer： (a,c) near titanium alloy side; and (b,d) near stainless steel side

圖4 0.4 mm厚T4和H62銅箔過(guò)渡層接頭熔合區(qū)的XRD譜Fig.4 XRD spectra of fusion zone of joints with 0.4 mm thickness T4 (a) and H62 (b) copper foil as transition layer

圖5 0.2,0.6 mm厚T4銅箔過(guò)渡層接頭的剖面顯微組織Fig.5 Profile microstructure of joints with 0.2 mm (a-b) and 0.6 mm thickness (c-d) T4 copper foil as transition layers (a,c) near titanium alloy side and (b,d) near stainless steel side

由圖5和圖6可以看出：與0.4 mm厚T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭相比，0.2 mm厚T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭組織不變，但熔合區(qū)中鈦-鐵脆性金屬間化合物增多，且接頭出現(xiàn)裂紋，同時(shí)反應(yīng)區(qū)厚度增大，過(guò)渡區(qū)厚度減小。在焊接過(guò)程中，過(guò)渡層會(huì)阻礙鈦、鐵原子互擴(kuò)散。銅箔較薄時(shí)，銅元素的介入量少，難以完全阻擋互擴(kuò)散過(guò)程，因此鈦-鐵金屬間化合物數(shù)量增多，反應(yīng)區(qū)厚度增大，這會(huì)導(dǎo)致接頭性能變差。

與0.4 mm厚T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭相比，銅箔厚度為0.6 mm時(shí)，接頭焊點(diǎn)處銅箔部分熔化，母材幾乎不熔化，使得擴(kuò)散的鈦、鐵原子數(shù)量大大減少，因此鈦-銅、銅-不銹鋼反應(yīng)區(qū)的厚度減小。同時(shí)，未熔化的銅箔參與到接頭中形成虛焊缺陷(箭頭所示)，會(huì)導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降。

由圖7可以看出：不同厚度T4銅箔作為過(guò)渡層的接頭不同區(qū)域中的鈦、鐵、銅元素含量均不同，在焊接過(guò)程中，鈦原子和鐵原子向?qū)?cè)擴(kuò)散，銅箔厚度從0.2 mm增大到0.4 mm時(shí)，銅過(guò)渡層中鈦、鐵原子的數(shù)量明顯減少，因此鈦-銅反應(yīng)區(qū)、銅-不銹鋼反應(yīng)區(qū)寬度減小，銅箔中間過(guò)渡區(qū)寬度增加，接頭性能提高，厚度增大至0.6 mm時(shí)，鈦-銅反應(yīng)區(qū)、銅-不銹鋼反應(yīng)區(qū)中的鈦、鐵原子數(shù)量極少，寬度均進(jìn)一步減小，基本消失，銅中間過(guò)渡區(qū)覆蓋整個(gè)接頭反應(yīng)區(qū)域，接頭僅靠銅原子向兩側(cè)母材擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，這會(huì)使接頭的抗剪強(qiáng)度反而降低。

圖6 0.2 mm厚T4銅箔過(guò)渡層接頭熔合區(qū)的XRD譜Fig.6 XRD spectrum of fusion zone of joints with T4 copper foil of 0.2 mm as transition layers

2.3 銅箔種類(lèi)及厚度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由圖8可以看出，銅箔厚度相同時(shí)，純銅箔過(guò)渡層焊接接頭的抗剪強(qiáng)度均明顯高于銅合金箔過(guò)渡層焊接接頭的，其中，T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭的抗剪強(qiáng)度最高，銅箔類(lèi)型一致時(shí)，厚度越大，抗剪強(qiáng)度越高。由圖9可以看出，隨T4銅箔厚度增大，接頭抗剪強(qiáng)度先增大后減小，在厚度為0.4 mm時(shí)達(dá)到峰值，為324 MPa。

圖7 不同厚度T4銅箔過(guò)渡層接頭中鈦、鐵、銅元素的EDS線掃結(jié)果Fig.7 EDS line scanning results of Ti, Fe and Cu elements in joints with T4 copper foil of different thickness as transition layers

圖8 不同類(lèi)型和厚度銅箔過(guò)渡層接頭的抗剪強(qiáng)度Fig.8 Shear strength of joint with different type and thickness of copper foil as transition layers

圖9 接頭抗剪強(qiáng)度隨T4銅箔厚度的變化曲線Fig.9 Curve of shear strength vs thickness of T4 copper foil of joint

3 結(jié) 論

(1) 采用0.3 mm厚T2銅箔作為過(guò)渡層材料時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度隨焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力的增大先增大后減小，且分別在焊接電流為3.0 kA，焊接時(shí)間為1.2 s，電極壓力為0.5 MPa時(shí)達(dá)到最大。

(2) 純銅箔過(guò)渡層焊接接頭的抗剪強(qiáng)度明顯高于銅合金箔過(guò)渡層焊接接頭的，且T4銅箔過(guò)渡層焊接接頭的抗剪強(qiáng)度最高；隨著T4銅箔厚度增大，反應(yīng)區(qū)寬度減小，中間過(guò)渡區(qū)寬度增大，Ti-Fe金屬間化合物減少，接頭抗剪強(qiáng)度先增大后減小，在厚度為0.4 mm時(shí)達(dá)到最大。