钛/钢异种金属激光焊接接头微观组织及数值模拟研究

杨胜 李军兆 刘一搏 孙清洁

摘要：为实现TC4钛合金与316L不锈钢异种金属的优质连接，采用Cu作为中间层进行激光焊接。研究表明，采用Cu中间层能够有效抑制界面脆性Ti-Fe金属间化合物的产生。随着焊接速度的增加，接头强度显著提高，TC4钛合金与焊缝界面主要为连续的Ti-Fe化合物层和非连续的Ti-Fe、Ti-Cu化合物层，厚度约为60 μm。有效地降低了接头脆性、抑制裂纹，缓解了接头应力，能够获得良好的钛/钢异种金属激光焊接接头。

关键词：钛合金;不锈钢;激光焊接;数值模拟;组织

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）08-0101-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.21

0 前言

异质材料焊接接头在满足结构强度要求同时，具有节能、减重、节约成本等优势，因此得到了广泛的关注和研究。钛合金、不锈钢材料有着优异的耐腐蚀性能及力学性能，被广泛应用于化学化工和海洋工程领域，例如冷凝器、溶液储存罐及大型浮式海洋结构等。然而钛、钢的物化性能存在巨大差异，导致在焊接过程中出现不均匀的受热、变形，并产生大量的脆性金属间化合物，对焊接接头产生不良影响[1-2]。

目前，针对钛/钢异种金属连接的研究主要围绕如何抑制或代替界面处产生的脆性Ti-Fe金属间化合物。相关研究表明，在钛/钢界面添加中间层的方式能够有效抑制界面反应，改善接头性能。吉林大学的孙大千等人[3]使用Nd：YAG脉冲激光器对Ti6Al4V钛合金与301L不锈钢板进行对接焊接。由于脉冲激光焊接的冷却速度较快，共晶反应速率快，导致共晶反应区较窄，树枝状结构尺寸较细，有利于提高接头的力学性能。北京科技大学黄继华等人[4]使用激光脉冲焊焊接纯钛与不锈钢，发现脉冲模式能够有效减小熔池中两种材料混合程度，在钛侧仅存在少量的FeTi化合物，抗拉强度可达钛板的70%。此外，他们还采用CuSi3焊丝作为添加金属，发现界面层主要包括Ti2Cu相、TiCu相、TiCu2相以及Ti-Cu-Si相，鈦侧钎焊区的反应层平均厚度约为80 μm[5]。Gnyusov等人[6]采用Cu中间层抑制界面Ti-Fe金属间化合物的形成，促使Ti-Cu金属间化合物在界面生成，降低接头脆性。Hosseini等[7]研究发现，随着Cu中间层厚度的增加，Ti-Fe化合物得到有效抑制，接头强度得到改善。

综上，文中采用Cu作为中间层进行激光焊接，研究不同激光焊接速度对接头成形、组织及性能的影响规律，并采用有限元数值模拟对钛/钢激光焊接接头温度场、应力场进行分析，以实现钛/钢异种金属的可靠连接。

1 试验材料与有限元模型

1.1 试验材料

试验用母材为2.0 mm厚316L不锈钢和TC4钛合金，中间层为1.0 mm厚纯铜金属，采用对接接头形式，提前将中间层预置在对接间隙内进行钛/钢异种金属的激光焊接。试验过程中采用纯氩气进行保护，气流量为18 L/min，避免焊缝金属受到氧化。试验前采用钢丝刷去除工件表面的氧化膜，并用丙酮进行擦拭。焊后沿焊缝横截面方向截取拉伸试件，采用扫描电子显微镜观察钛/钢界面的微观组织，分析界面成分，并采用拉伸试验机测试接头拉伸性能。

1.2 有限元模型建立

采用有限元软件对钛/钢异种金属激光焊接温度场进行分析，TC4钛合金和316L不锈钢母材模型尺寸100 mm×100 mm×2.0 mm，中间层采用尺寸100 mm×2.0 mm×1.0 mm纯铜金属箔片，有限元模型如图1所示，网格划分及边界条件如图2所示。

热源采用高斯面热源和圆柱体热源表示，具体表达式如（1）所示。

式中 H为体热源有效深度;β为衰减系数;Pv为激光输出功率;rv为激光光斑半径;xv、yv、zv为激光光斑的作用位置;α为热流集中系数（文中取α=0.3）;rs为面热源有效作用半径。

2 试验结果与分析

2.1 焊缝宏观成形及接头力学性能

不同焊接速度下的焊缝表面成形如图3所示。由图可知，钛合金和不锈钢母材的熔化量随着焊接速度的增加而降低，焊缝熔宽及熔化面积显著减小;然而随着焊接速度的增加，焊缝背面呈现稍微咬边缺陷，这是因为热量传输作用减弱，焊缝背面温度降低，导致熔池金属流动性降低。通过拉伸试验发现，焊接接头抗拉强度由50.5 MPa（焊速1.0 m/min）增加到309.6 MPa（焊速2.0 m/min），得到有效的改善。分析认为这主要归因于两方面：一是焊接速度增加，焊接热输入降低，极大程度上抑制了界面反应，降低接头脆性;二是热输入的降低使得焊接接头应力降低，工件变形减小，因此接头整体性能得到改善。

2.2 界面微观组织分析

不同焊接速度下的钛/钢激光焊接接头界面微观组织形貌如图4所示。可见在较大的焊接热输入下，钛合金和不锈钢母材大量熔化，使得TC4/焊缝界面处产生大量的脆性金属间化合物，导致TC4钛合金和焊缝界面形成连续裂纹，接头难以得到有效连接，在较低的抗拉强度下失效断裂。通过对界面化合物进行分析（见表1），发现钛/钢界面主要分为连续Ti-Fe化合物层和非连续Ti-Fe、Ti-Cu化合物层，其中连续的Ti-Fe化合物层厚度约为60～104 μm，使得接头脆性增强，且焊接裂纹主要位于该层。

焊接速度增加至2.0 m/min时的微观组织如图5所示。由于焊接热输入显著减小，钛合金和不锈钢母材金属的熔化量降低，316L/焊缝界面主要是熔化接头形式，而TC4/焊缝界面主要是钎焊接头形式。由于界面结晶速率快，元素扩散得到抑制，焊缝界面呈现较为连续的分布状态，焊缝中间熔化聚集的Fe元素降低，可以抑制界面脆性金属间化合物的产生。可见在TC4/焊缝界面处生成的化合物层较薄，整体厚度为52～72 μm，界面无裂纹产生，并在焊缝中产生断续的非连续化合物。

2.3 有限元模拟分析

钛/钢异种金属激光焊接温度场分布有限元模拟如图6所示。随着激光焊接速度的增加，焊缝最高温度值降低，并且钛合金母材熔化范围也显著降低，抑制了Ti元素在焊缝中的扩散。

由于TC4钛合金和316L不锈钢物化性能的差异，导致激光焊接接头产生较大的变形。接头等效米塞斯应力如图7所示。由图7可知，在焊缝位置等效米塞斯应力具有最大值，并且界面脆性化合物的产生导致钛/钢界面极易因应力变形而产生裂纹失效。

3 结论

（1）随着激光焊接速度的增加，钛、钢母材熔化量降低，焊缝熔宽及熔化面积显著减小;当焊接速度为2.0 m/min时，接头强度增加至309.6 MPa。

（2）钛/钢激光焊接接头界面化合物主要分为连续层和非连续层，其中连续的脆性Ti-Fe层厚度较大，在焊接应力综合作用下极易产生焊接裂纹;随着焊接速度的增加，化合物层厚度降低至约60 μm，并且Ti-Fe化合物得到抑制，有利于改善接头性能。

（3）通过有限元数值分析可知，由于钛、钢材料物化性能的差异，在焊缝处接头的米塞斯应力值最大。

参考文献：

[1] 王廷，张秉刚，陈国庆，等. TA15钛合金与304不锈钢的电子束焊接[J]. 焊接学报，2010（5）：53-56.

[2] 祝要民，李青哲，邱然鋒，等. 钛/钢异种金属焊接的研究现状[J]. 电焊机，2016，46（11）：78-82，106.

[3] Zhang Y，Sun D Q，Gu X，et al. Strength improvement and interface characteristic of direct laser welded Ti alloy/sta- inless steel joint[J]. Materials Letters，2018（231）：31-34.

[4] Cheng Z，Huang J H，Ye Z，et al. Interfacial microstructure evolution and mechanical properties of TC4 alloy/304 stainless steel joints with different joining modes[J]. Journal of Manufacturing Processes，2018（36）：115-125.

[5] Chen H C，Lee B Y，Bi G J，et al. Laser welding of CP Ti to stainless steel with different temporal pulse shapes[J]. Journal of Materials Processing Technology，2015（231）： 58-65.

[6] Gnyusov S F，Klimenov V A，Alkhimov Y V，et al. Forma- tion of the structure of titanium and stainless steel in laser welding[J]. Welding International，2013（27）：295-299.

[7] Hosseini S R，Feng K，Nie P L，et al. Interlayer thickening for development of laser-welded Ti-SS joint strength[J]. Optics and Laser Technology，2019（112）：379-394.

收稿日期：2020-06-28

作者简介：杨 胜（1975— ），男，高级工程师，主要从事高性能钛合金材料及装备的研究与制造。E-mail：13874850716@163.com。