药芯焊丝中V含量对Ti/X65复合板焊缝过渡层性能的影响

宋丽平 张敏

摘要：采用自行研制的Cu基体药芯焊丝对Ti/X65层状复合板进行熔焊对接试验，焊丝中V粉的包覆率分别为15%、20%、25%。研究发现，V元素的加入可显著减少Ti-Cu金属间化合物的生成并进一步细化焊接接头显微组织，且V可与Ti形成连续固溶体，稀释了焊缝中的Ti元素。当V含量为25%时，焊接接头的抗拉强度和弯曲强度均达到最大值。从硬度方面分析，Cu药芯焊丝过渡层硬度较高，约为500 HV0.1。

关键词：Ti/X65层状复合板;Cu基药芯焊丝;显微组织;拉伸性能;弯曲强度

0    前言

在石油运输方面，目前主要使用管线钢来进行运输，而管线钢耐腐蚀性能差，会对材料造成很大的浪费。钛具有良好的耐腐蚀性以及高比强度，因此考虑采用钛板进行石油运输。但是如果采用纯钛板进行石油运输，会增加成本，而钛钢复合板内层为钛层、基层采用管线钢，既提高了管道的耐腐蚀性又改善了其韧性[1]。目前，钛钢复合板的制备方式主要采用爆炸复合或者是爆炸+轧制，采用熔化焊的报道很少[2-4]。

研究发现，Ti与Fe的线膨胀系数以及热导率均存在较大差异，导致在焊接过程中由于较大的线膨胀系数所造成较大的残余应力。另一方面，Ti与Fe之间的固溶度很小，且在焊接过程中生成Ti-Fe脆性金属间化合物，使得采用熔焊焊接后焊缝直接开裂[5]。因此，如何通过熔化焊方式来解决钛/钢层状复合板的问题迫在眉睫。文中研发Cu基药芯焊丝作为钛/钢层状复合板对接中间过渡层材料，以期达到焊接成形，并具有优良的微观组织以及良好的力学性能。

1 实验方法

采用TA1/X65层状复合板作为实验母材，其中以X65作为基层板，厚度14 mm，以TA1钛板作为副层板，厚度2 mm。焊前用砂纸打磨X65钢侧、坡口处，然后使用无水乙醇进行清洗、吹干。

焊接方法为：钢侧采用自动MIG焊进行焊接，保护气体为CO2气体，中间层、钛层采用手工TIG焊焊接，保护气体为纯Ar气。钢侧使用ER50-6实心焊丝，直径1.2 mm;钛侧使用ERTi-1实心焊丝，直径1.2 mm;过渡层采用自行研制的Cu基药芯焊丝作为焊接材料，其中药粉含量分别为15%、20%、25%，对应编号分别为1#、2#、3#，直径1.2 mm。

首先对X65层进行焊接，焊丝为ER50-6实心焊丝，随后采用自制研发的Cu基药芯焊丝进行过渡层的焊接，最后对TA1层进行封盖焊接。焊接工艺参数如表1所示。

本实验采用JSM-6700F型电子扫描显微镜观察TA1/X65焊接过渡层，腐蚀液为3HF-6HNO3-91C2H6O混合液，钢层所用腐蚀液为4% HNO3+95% C2H6O。采用HT-2402万能拉伸试验机，在室温下进行拉伸试验，拉伸速率2 mm/s。采用WE-10型液压机进行弯曲试验，方法为内弯曲（基层钢为受拉面）和外弯曲（复层钛为受拉面）。在美国原装进口的TUKON2100B显微硬度机上进行硬度试验。

2 实验结果分析

2.1 1#、2#、3#药芯焊丝过渡层微观组织对比分析

经EDS分析可知，Ti/X65复合板过渡层处，图中浅色相为Ti-Cu金属间化合物，深色相为V基固溶体。可以发现，随着Cu基药芯焊丝中V含量的增加，焊缝过渡层中Ti-Cu金属间化合物的数量明显减少，同时V基固溶体数量增加，且焊缝过渡层组织逐渐细化。

结合Ti-Cu二元相图可知，在焊接过程中Ti与Cu之间存在无限固溶的可能性，但随着温度降至968 ℃时，固溶度急速减小。室温状态下，Ti在Cu中的溶解度仅为2.55 %，且主要以Ti-Cu金属间化合物的方式存在于焊缝中。结合Ti-V二元相图发现，Ti与V在常温下可形成连续的固溶体，而与Cu之间的固溶度非常有限，因此V元素的加入减小了Ti与Cu的结合几率，从而改善了焊接过渡层的性能。

2.2 力学性能分析

2.1.1 拉伸试验结果与分析

接头抗拉强度测试结果如表2所示，Cu基药芯焊丝过渡层焊接接头断口形貌元素分析结果如表3所示。结合表2、表3可知，V含量的增加可顯著改善焊接接头的强度，与1#接头强度相比较，当V含量为25%时，其最大抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率分别上升了9.78%、3.89%、54.44%和10.71%。这是因为V含量的加入减小了焊缝中Cu-Ti脆性金属间化合物的产生，增加了焊缝的韧性，所以焊缝强度整体得到改善。

Cu基焊缝断口形貌如图2所示。由图2a可知，断口主要断裂形式为解理断裂，可见该断口区域的韧性极差。对图2a中局部区域进行放大，同时进行EDS分析可知，图2b内A点主要由41.12%Ti+35.67%

Cu+23.21%Fe三种元素组成，导致焊缝断裂形貌呈现为解理断裂，而B点则为韧窝断裂形貌，这是由于B点处主要由Cu基固溶体组成，有效增强了焊接接头的抗拉强度。

由图2c可知，该处形貌主要是由韧性断裂和脆性断裂支配，EDS分析发现，该处主要由Fe基固溶体以及Ti-Cu脆性金属间化合物构成，其中Fe基固溶体处产生韧窝形貌，而Ti-Cu金属间化合物处断裂形貌以解理断裂为主。综上分析可知，Ti-Cu脆性金属间化合物是导致Ti/钢层状复合板对接接头强度下降的主要因素，因此减少Ti-Cu脆性化合物的生成对于提高接头强度至关重要。

2.1.2 弯曲结果与分析

弯曲试验结果如表4所示。结果表明，在弯曲过程中，开裂主要发生在焊缝热影响区，当V含量为25%时，弯曲角度和冲击功均达到最大值，背弯角度13°、正弯角度118°、冲击功为60 J，相较15% V 得到了极大的提高。

断口扫描照片如图3所示，可以看出，断口形貌主要集中在焊缝金属与母材的界面区域。对图3a中TA1层处的焊缝金属进行局部放大分析发现，在中间过渡层处（见图3b）结合界面处主要由Ti-Fe金属间化合物、Ti-Cu金属间化合物以及Cu基和V基固溶体构成，而断裂主要沿着Cu（s，s）+TiCu4金属间化合物处产生，最后延展至Ti-Fe处。由图3c可知，由于此处距离TA1/X65结合界面处较远，未发现Ti-Fe金属间化合物，只观察到Ti-Cu金属间化合物。图3d为Ti盖面焊缝与中间过渡层的交界处，主要由Ti-Cu金属间化合物以及β-Ti固溶体组成，且裂纹主要产生在Ti-Cu金属间化合物处。

2.1.3 硬度试验结果与分析

Ti/X65爆炸层状复合板焊接接头各部位显微硬度如图4所示，选取加载载荷为100 g，加载时间为10 s。由图4a可知，在钛-钛副板过渡层区存在较大的硬度，尽管采用Cu基药芯焊丝作为中间过渡层焊材，避免了Ti、Fe元素的相互扩散和结合。但相关研究表明，Ti-Cu金属间化合物仍然具有极大的硬度，与Ti-Fe金属间化合物相比较Ti-Cu金属间化合物相当于“ 软相 ”，但在钛-过渡层-钛上，过渡层显微硬度仍然接近500 HV0.01。图4b为钢焊缝-过渡层-钛焊缝，该层使用ER50-6焊丝作为填充材料，分析发现，在X65钢侧硬度值较小，约为100～150 HV0.01，这使得钢侧过渡层具有良好的塑韧性。而伴随着焊缝向Ti焊缝的进一步过渡，硬度逐渐增大，并在中间过渡层与钢侧焊缝交界处发生突变。这是因为中间过渡层中出现Ti-Cu金属间化合物。图4c为Ti/X65爆炸层状复合板母材中复层钛、Ti/X65界面处以及基层X65管线钢硬度值，可以看出，在Ti与X65界面结合处硬度值出现较大的上升，原因在于，Ti板与X65钢板在爆炸复合过程中较大的轰击作用力造成Ti/X65钢结合界面处产生大量的形变，导致晶粒处形成位错，最终造成结合界面处显微硬度骤然上升。

3 结论

（1）V含量的变化可显著改善焊接过渡层的晶粒大小，当V含量为25%时，晶粒最细，且过渡层区域中Ti-Cu脆性金属间化合物的数量减少，V的固溶体数量增加。

（2）V元素可明显改善焊接接头的性能，当V含量为25%时，TA1/X65层状复合板的焊接接头抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率及冲击功分别为505 MPa 、400 MPa 、13.9%、31%、60 J，与V含量为15%、20%相比，均达到最大值。

参考文献：

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