金属学报(中文版) 2018 , 54 (7): 1068-1076 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00423

TA1/Cu/X65复合板焊接接头微观组织及力学性能

张敏, 慕二龙, 王晓伟, 韩挺, 罗海龙

西安理工大学材料科学与工程学院西安 710048

Microstructure and Mechanical Property of the Welding Joint of TA1/Cu/ X65 Trimetallic Sheets

ZHANG Min, MU Erlong, WANG Xiaowei, HAN Ting, LUO Hailong

School of Materials Science and Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

中图分类号: TG457.19

文章编号: 0412-1961(2018)07-1068-09

通讯作者: 通讯作者张敏,zhmmn@xaut.edu.cn,主要从事新型焊接材料、焊接结构断裂强度和焊接工程结构方面的研究

收稿日期: 2017-10-10

网络出版日期: 2018-07-11

基金资助: 国家自然科学基金项目No.51274162,陕西省教育厅重点实验室项目No.15JS082及陕西省教育厅服务地方专项计划项目No.16JF021

作者简介:

作者简介张敏,男,1967年生,教授,博士

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摘要

对TA1/Cu/X65三层复合板(复层TA1厚2 mm,中间层Cu厚1 mm,基层X65管线钢厚12 mm)进行了钨极氩弧焊(TIG)对接焊,设计并制备了过渡层焊接材料Cu-Ag-Mo-Nb药芯焊丝,从而对焊接接头性能进行有效冶金调控。通过SEM、EDS、XRD、TEM对接头组织特征、界面元素分布进行了分析鉴定,通过拉伸和显微硬度实验测试了接头的力学性能。结果表明,焊缝各层填充金属之间冶金结合良好,且有明显的熔合线和过渡带,其中,在Ti焊缝和过渡层焊缝之间存在宽度大约为150 μm的Ti-Cu冶金反应区,过渡层焊缝和钢焊缝之间的组织主要是铁基固溶体和铜基固溶体。中间Cu夹层和Cu-Ag-Mo-Nb药芯焊丝的使用,抑制了Ti-Fe硬脆金属间化合物的产生,形成了塑性相对较好的铜基固溶体和Ti-Cu、Ti-Ag等金属间化合物。接头的平均抗拉强度为507 MPa,主要由X65层贡献。焊缝硬度在各过渡界面处均发生突变,其中在Cu-Ag-Mo-Nb、ERTi-1焊缝处硬度可高达447和507 HV₁₀₀,对接头塑韧性有很大影响。

关键词： 复合板 ; 钨极氩弧焊 ; 过渡带 ; 固溶体 ; 金属间化合物

Abstract

Titanium and its alloys with fine corrosion resistance and specific tenacity are widely used in the fields of astronautics, chemical industry and so on. While the pipeline steels with low price and good mechanical properties are always used in petroleum industry. For now, composite panels are widely used in petrochemical industry, aerospace engineering and other fields, which can combine the respective features of the dissimilar materials together so as to meet the special requirements and save a lot of rare and precious metals. Previous studies have showed that the joining of titanium and steel suffered from two major challenges: one was the emergence of continuous distributed intermetallics of TiFe and TiFe₂ in the weld, which could cause brittle fracture with low strength; the other was the occurrence of residual stresses that were caused by the great differences in thermal properties between titanium and steel. This work is aimed to join the explosion-bonded TA1/Cu/X65 trimetallic sheets (titanium flyer plate with thickness 2 mm, copper intermediate plate 1 mm, and X65 base plate 12 mm) with Cu-based flux-cored wires by the tungsten inert gas (TIG) welding. The microstructure and mechanical properties of welded joint was characterized by using SEM, EDS, TEM, XRD and tensile and microhardness tests. The results indicated that the filler metals for each weld layer have obvious zoning by using solid solution phases and intermetallic compounds. There was about 150 μm width Ti-Cu reaction zone between the Ti weld and transition layer weld. The microstructures of Cu-Ag-Mo-Nb/ER50-6 transition interface were composed of Fe-based and Cu-based solid solution. The intermediate copper played an important role in reducing the high temperature residence time of welded joints so as to reduce the interdiffusion of Ti, Fe element. Consequently, the hard-brittle Ti-Fe intermetallic compounds were partly replaced by Cu-based solid solution and Ti-Cu, Ti-Ag intermetallic compounds with relatively good ductility and toughness. The average tensile strength of the butt joints is 507 MPa at room temperature, mainly of that of X65 was obtained. ERTi-1 weld metal exhibited higher hardness than Cu-Ag-Mo-Nb weld metal, and their microhardness values were 507 and 447 HV₁₀₀, respectively. In addition, the microhardness in reaction zone presented a slightly drop. The lowest values occurred in ER50-6 weld metal.

Keywords： composite panel ; TIG welding ; transitional zone ; solid solution ; intermetallic compound

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张敏, 慕二龙, 王晓伟, 韩挺, 罗海龙. TA1/Cu/X65复合板焊接接头微观组织及力学性能[J]. 金属学报(中文版), 2018, 54(7): 1068-1076 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00423

ZHANG Min, MU Erlong, WANG Xiaowei, HAN Ting, LUO Hailong. Microstructure and Mechanical Property of the Welding Joint of TA1/Cu/ X65 Trimetallic Sheets[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(7): 1068-1076 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00423

Ti因其优良的耐蚀性和比强度,常用于航天、化工等领域,而管线钢的价格低廉且力学性能良好,广泛应用于石油领域。复合板可以将异种材料各自的特性结合在一起,不仅可以满足特殊的使用要求,还可以节约大量稀有、贵重金属,广泛应用于石油化工、海洋工程、航天工程、运输等领域^[1,2]。目前,关于Ti、钢异种材料的连接已有很多研究,已有研究^[3,4]表明,Ti与钢焊接存在2个困难：一方面,焊缝中产生TiFe、TiFe₂硬脆金属间化合物,致使焊接接头脆断;另一方面,由于Ti和钢热物理性能存在很大差异,从而使得焊后接头中存在很大的残余应力。对于Ti与钢的焊接,目前比较成熟的连接方法是爆炸焊,它是一种机械结合与冶金结合并存的焊接方法,尽管多数异种材料在爆炸焊接过程中界面处会出现少量的金属间化合物,降低了其界面结合强度,但是这种焊接方法在实际生产中依然是可行的^[5]。文献[6]报道了TA15和304不锈钢的电子束对接熔焊实验,在焊缝中间放置了Cu片既充当填充金属又作为隔离层,虽然对接头力学性能有一定改善,但是接头中依旧存在大量硬脆的Ti-Fe金属间化合物,所以单纯采用Cu作为填充金属来调控Ti/钢电子束焊接接头组织及性能时,仍存在一定的局限性。文献[7]报道了CP-Ti/Q345层状复合板的钨极惰性气体保护焊(tungsten inert-gas welding,TIG焊)对接实验,用自制的Cu-V-Ag药芯焊丝作为过渡层熔敷金属,获得的接头平均抗拉强度为511 MPa,但弯曲延性几乎为零。

结合早期的研究成果^[1,2],本工作设计并制备了TA1/Cu/X65复合板过渡层焊接材料Cu-Ag-Mo-Nb药芯焊丝,其中Cu、Mo、Nb都是β-Ti稳定元素,且Mo、Nb可以与β-Ti无限固溶,Cu、Ag的加入是为了形成塑韧性相对较好的Ti-Cu、Ti-Ag金属间化合物,从而起到稀释Ti浓度的作用,最终减少硬脆的Ti-Fe金属间化合物。在TA1与钢之间利用爆炸焊嵌入1 mm厚的Cu层,旨在利用Cu导热快的特性来降低焊接接头的高温停留时间,以有效抑制焊接过程中Ti与Fe元素的直接冶金作用,从而提高接头的力学性能。

1 实验方法

实验用原料为TA1、T2 (copper)和X65管线钢的爆炸+热轧复合板,其中复层TA1厚2 mm,中间层Cu厚1 mm,基层X65厚12 mm,母材化学成分如表1所示。焊接试板尺寸为300 mm×150 mm×15 mm,坡口形状如图1所示。基层X65焊接材料为ER50-6实芯焊丝,复层TA1焊接材料为ERTi-1实芯焊丝,过渡层焊接材料为自制Cu-Ag-Mo-Nb药芯焊丝,药芯焊丝以紫铜带为药皮(尺寸为7 mm×0.3 mm),Ag、Mo、Nb金属粉为药芯,将Ag、Mo、Nb粉按照质量比2∶1∶1混合均匀,在真空加热炉中150 ℃烘焙3 h,待冷却至室温后先后通过粗拉、精拉将药粉包在Cu带内,最后制成直径为1.2 mm的药芯焊丝。

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图1 焊接坡口示意图

Fig.1 Groove dimensions of the welded plate (The blue rhombus are microhardness test points)

表1 实验材料化学成分

Table 1 Chemical compositions of materials applied (mass fraction / %)

Material	C	Mn	Si	Ti	Cu	Fe	O	N	H	S	P
TA1	0.015	-	-	Bal.	-	0.023	0.07	0.005	0.001	0.005	0.005
T2 (copper)	-	-	-	-	Bal.	0.005	-	-	-	0.005	0.005
X65	0.09	1.32	0.22	-	-	Bal.	-	-	-	0.005	0.019

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焊接时,首先进行基层X65的手工TIG焊打底,接着用自动TIG焊机进行填充和盖面;其次是过渡层的手工TIG焊;最后进行复层TA1的手工TIG焊。整个复合板焊接过程中通Ar气进行保护,防止TA1层的氧化。焊接参数如表2所示。

表2 TA1/Cu/X65复合板焊接参数

Table 2 The welding parameters of TA1/Cu/X65 trimetallic sheets

Welding material	D / mm	I / A	U / V	v / (mmmin^-1)	Q / (Lmin^-1)
ER50-6	1.2	100~120	16~18	150~200	15~20
		180~200	20~23	250~350	15~20
Cu-Ag-Mo-Nb	1.2	90~110	16~18	150~250	15~20
ERTi-1	1.2	100~120	14~16	90~110	15~20

Note: D—diameter of welding wire, I—welding current, U—welding voltage, v—welding speed, Q—gas flow

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焊缝金相试样用砂纸研磨并抛光后,用1 mL HF+10 mL HNO₃+50 mL H₂O的腐蚀剂进行腐蚀,用GX671光学显微镜(OM)、带有能谱仪(EDS)的JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜(SEM)以及JEM-3010型透射电镜(TEM)观察焊缝横截面各区域微观组织。用XRD-7000S型X射线衍射仪(XRD)分析焊缝横截面室温相组成,扫描范围2θ=10°~90°,步长0.01°/s,靶材为CuK_α。室温下在SHT5106型拉伸试验机上进行焊接接头拉伸实验,加载速率1 mm/min,并观察拉伸断口形貌。在Tukon 2100B型Vickers显微硬度机上进行焊接接头显微硬度测试,载荷100 g,保压时间15 s。

2 实验结果和分析

2.1 焊接接头微观组织分析

图2为TA1/Cu/X65复合板焊接接头横截面微观组织。由图2a可见,焊缝横截面区域内分层现象明显,过渡层与复层TA1、基层X65形成了良好的冶金结合,且无气孔、裂纹缺陷存在。图2b~j分别为图2中点1~9 (带黑色框)区域对应的的高倍显微组织。结合Ti-Fe、Ti-Cu二元合金相图、Ti-Fe-Cu三元相图^[8,9,10]以及焊缝横截面的XRD结果(图3),对其不同区域组织A~T点进行能谱分析,结果如表3所示。

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图2 焊接接头微观组织

Fig.2 Microstructures of the welded joint (Figs.2b~j are respectively corresponding to the area marked with numbers 1~9 in black boxes in Fig.2; the points A~T indicated by a black arrow are tested by EDS; WM—welding material)(a) cross-section morphology (b) TA1/Cu-Ag-Mo-Nb/Cu interface (c) TA1/Cu-Ag-Mo-Nb interface(d~g) ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb interface (h) X65/Cu-Ag-Mo-Nb/Cu interface(i) X65/Cu-Ag-Mo-Nb interface (j) ERTi-1 weld metal

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图3 TA1/Cu/X65三层复合板焊缝横截面XRD谱

Fig.3 XRD spectrum in the weld of TA1/Cu/X65 trimetallic sheets

表3 图2中A~T点的化学成分

Table 3 Chemical compositions of points A~T marked in Fig.2 (atomic fraction / %)

Point	Ti	Cu	Fe	Ag	Mo	Nb	Possible phase
A	86.44	11.19	1.22	0.72	0.19	0.25	β-Ti(s, s)+Ti₂Cu
B	51.90	46.73	-	0.98	0.21	0.18	TiCu
C	84.49	13.44	1.10	0.65	0.32	-	β-Ti(s, s)+Ti₂Cu
D	67.29	31.88	0.35	0.32	0.05	0.10	Ti₂Cu
E	67.29	33.22	0.64	0.42	0.21	0.08	Ti₂Cu
F	83.79	13.58	2.10	0.32	0.11	0.10	β-Ti(s, s)+Ti₂Cu
G	63.04	30.04	1.62	4.13	0.03	1.14	Ti₂Cu+TiCu
H	60.62	32.99	3.85	1.24	1.26	0.04	Ti₂Cu
I	39.12	50.01	10.32	0.32	0.13	0.10	Cu_0.8Fe_0.2Ti
J	7.53	87.41	0.52	4.29	0.16	0.08	Cu(s, s)+TiAg
K	46.75	45.08	4.20	2.31	1.02	0.64	TiCu
L	16.21	82.14	0.62	0.40	0.40	0.23	Cu(s, s)+TiCu₄
M	11.19	86.44	1.22	0.72	0.19	0.25	Cu(s, s)+TiCu₄
N	14.89	6.94	76.14	0.49	1.14	0.39	Fe(s, s)+TiFe
O	11.74	11.95	66.78	4.21	2.89	2.43	Fe(s, s)+TiCu
P	37.17	48.77	11.43	1.11	0.04	1.49	Cu_0.8Fe_0.2Ti
Q	1.02	92.36	6.50	0.08	-	0.04	Cu(s, s)
R	15.58	9.21	68.52	6.52	0.12	0.05	Fe(s, s)+TiCu
S	74.32	24.44	1.02	0.13	0.05	0.04	β-Ti(s, s)+Ti₂Cu
T	93.99	5.33	0.38	0.21	0.04	0.06	β-Ti(s, s)

Note: The symbols (s, s) stand for solid solution

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由图2b可见,TA1/Cu-Ag-Mo-Nb/Cu界面区深灰色柱状组织A (主要由β-Ti(s, s)+Ti₂Cu组成)分布在浅灰色基体B (主要由TiCu组成)上。TA1/Cu-Ag-Mo-Nb界面区的高倍显微组织如图2c所示,在基体C (主要由β-Ti(s, s)组成)上分布着灰色块状D (主要由Ti₂Cu组成)。图2d和e为ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb界面的显微组织,可见在该界面存在宽度约150 μm的Ti-Cu冶金反应区;该界面线扫描结果表明,Ti和Cu元素在该界面发生较大的浓度梯度变化,且Cu元素在该界面处的浓度变化梯度明显小于Ti元素在该界面处的浓度变化梯度,主要原因是：Ti元素在882 ℃时会由α-Ti (hcp)转变为β-Ti (bcc),而Cu元素无论是在焊接高温过程还是在焊后快速冷却的过程,其晶体结构始终为fcc结构,相比于hcp和bcc晶体结构,fcc晶体结构的致密度最大,所以Ti元素向过渡层的扩散相对困难,故Ti在ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb界面处的浓度变化梯度大于Cu元素在该界面处的浓度变化梯度。其它元素(Fe、Ag、Mo、Nb)的浓度梯度则变化并不明显,可见Cu-Ag-Mo-Nb作为过渡层填充材料,成功隔离了Ti、Fe元素的互扩散。

图2f为Ti-Cu反应区中靠近Ti焊缝一侧的显微组织,柱状组织G (主要由Ti₂Cu+TiCu组成)沿垂直熔合线方向生长,由Ti-Cu二元相图可知,Ti₂Cu+TiCu是共晶反应 $L \Leftrightarrow T i_{2} Cu + TiCu$ 的产物;灰色组织H (主要由Ti₂Cu组成)分布在G组织之间;呈网状的组织E (主要由Ti₂Cu组成)在组织G上形核长大,组织E是在790 ℃时发生的共析反应β-Ti $\Leftrightarrow$ α-Ti+Ti₂Cu的产物,由于过渡层填充金属中的Cu、Mo、Nb都是β-Ti稳定元素,所以α-Ti最终也都转变成β-Ti;深灰色组织F (主要由β-Ti+Ti₂Cu组成)分布在网状的E组织之间。

图2g为Ti-Cu反应区中靠近过渡层一侧的显微组织。可见,深灰色块状组织I (主要是Cu_0.8Fe_0.2Ti相,属于τ₂相(Ti₄₀Cu_60-_xFe_x,5<x<17))分布在浅灰色组织J (主要由Cu(s, s)+TiAg组成)上。文献[15]报道了在TA15/V/Cu/304SS电子束焊的研究中发现了τ₂ 相,分析认为接头中不同相的析出顺序为：TiFe,τ₂,TiCu。TiFe相首先以V为异质形核点在液相中形成,从而导致液相中Cu含量升高,并与先形核的TiFe发生反应： $L + TiFe \to τ_{2}$ ,故τ₂包围在TiFe相四周,随后剩余液相最终凝固为TiCu。Ag与钢中的主要元素并不会形成硬脆的金属间化合物,文献[16]报道了利用扩散焊连接TC4/无氧铜,并采用Ag作为中间层,结果表明,尽管在Ti/Ag界面处形成TiAg相,但是相比于其它硬脆钛基金属间化合物,TiAg还具有一定的塑性,对焊接接头塑性有部分贡献。深灰色小块状K (主要由TiCu相组成)均匀分布在浅灰色基体L (主要由Cu(s, s)+TiCu₄组成)上,由Ti-Cu二元相图可知,TiCu₄是包晶反应 $L + Cu \Leftrightarrow TiC u_{4}$ 的产物,当温度升高时,TiCu₄首先会转变成Ti₃Cu₄,随着温度继续上升将转变成TiCu,保温足够长时间最终会转变成Ti₂Cu。在接头中检测到TiCu₄,可能是由于TIG焊接方法冷却速率较大,从而导致TiCu₄来不及转变成其它Ti-Cu金属间化合物。

图2h为X65/Cu-Ag-Mo-Nb/Cu界面的显微组织,可以看到在白色基体O (主要由Fe(s, s)+TiCu组成)上分布着许多浅灰色块状M (主要由Cu(s, s)+TiCu₄组成)和少量黑色块状P (主要由Cu_0.8Fe_0.2Ti组成),其中在该界面靠近X65一侧上有白色条带状N (主要由Fe(s, s)+TiFe组成),其中白色基体O是在N上形核长大。

图2i为X65/Cu-Ag-Mo-Nb界面的显微组织,可见块状Q (主要由Cu(s, s)组成)分布在灰色基体R(主要由Fe(s,s)+TiCu组成)。图2j为ERTi-1焊缝处的显微组织,浅灰色树枝晶T (主要由β-Ti(s, s)组成)分布在深灰色呈网状的S (主要由β-Ti(s, s)+Ti₂Cu组成),可见Cu、Mo、Nb元素的加入有助于β-Ti的形成。

文献[7]研究了TA1/Q345双层复合板的TIG焊,在EDS中也发现τ₂相的存在。为了进一步明确TA1/Cu/X65复合板焊接接头横截面微观组织分布,在接头不同位置(图2a中3、7区域)做TEM选区电子衍射(SAED),结果如图4所示。图4a和b分别为ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb、X65/Cu-Ag-Mo-Nb/Cu界面的SAED结果,综合EDS和电子衍射斑点分析可知,在这2个区域均发现Cu_0.8Fe_0.2Ti (属于τ₂相)相分布在铜基固溶体上,而且Cu_0.8Fe_0.2Ti相上的亚结构也清晰可见。

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图4 焊缝各区域TEM选区电子衍射分析结果

Fig.4 TEM images and corresponding SAED patterns (insets, marked by black circles) of ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb interface (a) and X65/Cu-Ag-Mo-Nb/Cu interface (b)

2.2 焊缝力学性能及焊缝横截面显微硬度测试

根据标准GB/T2651-2008,在焊接试板上沿垂直焊缝轴向方向截取2件全壁厚拉伸试样,加工成标准板状拉伸试样,进行复合板焊接接头拉伸实验。拉伸应力-应变曲线及试样断裂情况如图5所示。可见,试样1和2的抗拉强度实测值分别为509和505 MPa,延伸率分别为13.1%和13.6%,强度平均值达到了507 MPa (主要由X65侧贡献),且均在焊缝处开裂。

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图5 焊缝应力-应变曲线及拉伸断裂试样

Fig.5 Stress-strain curves and fractured samples (inset) for tensile test of the joint

为了进一步研究断裂机理,对拉伸断口进行二次电子扫描观察,断口显微形貌如图6所示。图6a为整个拉伸断口的低倍扫描图,可见接头包含多种断裂方式;由ERTi-1焊缝断口形貌(图6b)可知,TA1侧断口主要为冰糖花样,晶粒界面为光滑的小刻面状,属于沿晶断裂,在远离过渡层处有少量的韧窝,说明在拉伸过程中ERTi-1焊缝发生少量的塑性变形;图6c为ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb界面处的断口形貌,可以看出,该区域的断口形貌为典型的河流状花样,属于解理断裂,结合组织及能谱分析可知,该区域主要为Ti₂Cu+TiCu金属间化合物;图6d为Cu-Ag-Mo-Nb/ER50-6界面处的断口形貌,呈层片状,这主要是由于在该区域发生了Fe-Cu冶金反应;图6e为ER50-6焊缝处的断口形貌,为典型的韧窝形貌,说明基层钢承担了主要的塑性变形。

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图6 试样拉伸断口形貌

Fig.6 Fracture morphologies of the welded joint (Figs.6b~e are corresponding to the areas marked with letters b~e in a black box in Fig.6a)(a) global view of the fracture (b) ERTi-1 weld metal (c) ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb reaction zone (d) Cu-Ag-Mo-Nb/ER50-6 (e) ER50-6 weld metal

综上分析可知,在拉伸过程中TA1层和过渡层之间先发生断裂,产生裂纹后向钢层扩展,最终导致钢层断裂。这主要是由于在ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb界面区形成了Ti-Cu冶金反应区,产生了大量的Ti-Cu金属间化合物,从而降低了焊接接头的塑韧性。

结合已有研究成果^[5],对TA1/Cu/X65三层复合板焊接接头不同区域显微硬度分布进行了测试,结果如图7所示。图7a为垂直于接头整个焊缝区域的显微硬度分布,包括ERTi-1、Cu-Ag-Mo-Nb和ER50-6焊缝。可见,采用ER50-6焊丝作为X65层焊接材料,其区域显微硬度较小,间接说明了钢层焊缝具有较好的塑韧性;在ER50-6/Cu-Ag-Mo-Nb界面区,硬度发生突变,过渡层区硬度较高(最大值可达447 HV₁₀₀),主要是因为在该区域有Ti-Cu、Ti-Fe金属间化合物的存在,另外微量药粉元素也起到了固溶强化的作用;在Cu-Ag-Mo-Nb/ERTi-1界面区,显微硬度也略有升高,ERTi-1焊缝的硬度在整个焊缝区域达到最大(最大值可达507 HV₁₀₀)。图7b为TA1/Cu/X65复合板横截面内沿垂直于复合界面的显微硬度分布(如图1中蓝色菱形所示),可见显微硬度在复合界面处达到最大值,在X65/Cu、Cu/TA1界面上最大值为分别为163和196 HV₁₀₀,这是由母材爆炸复合过程中在复合界面发生了剧烈的塑性变形所导致。比较焊接接头各层焊缝与对应母材的显微硬度分布可知,TA1层和Cu层焊缝的硬度明显高于其对应母材(退火态),结合焊缝显微组织分析可知,在TA1层和Cu层处主要发生了Ti-Cu、Ti-Cu-Fe以及Ti-Ag冶金反应,生成了大量的硬脆Ti-Cu、Ti-Cu-Fe以及Ti-Ag金属间化合物,从而导致TA1层和Cu层焊缝的硬度大幅度提升。而X65层焊缝金属由于焊接冷速较快,使得其焊缝组织中铁素体含量有所提升,导致其焊缝组织硬度略低于X65母材。

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图7 TA1/Cu/X65三层复合板焊接接头显微硬度分布

Fig.7 Microhardness distributions of the welded joint(a) vertical to the ERTi-1, Cu-Ag-Mo-Nb and ER50-6 weld metal (Ti-Cu IMC: Ti₂Cu、TiCu、Cu_0.8Fe_0.2Ti、TiCu₄)(b) across the interface of the trimetallic sheet

3 结论

(1) 以Cu-Ag-Mo-Nb药芯焊丝作为TA1/Cu/X65复合板的过渡层焊接材料,可实现TA1/Cu/X65的有效焊接,焊接接头各层之间组织冶金结合良好,且焊缝横截面有明显的分区现象,无裂纹、气孔等焊接缺陷。

(2) 采用中间Cu夹层和Cu-Ag-Mo-Nb药芯焊丝有效抑制了Ti、Fe元素的互扩散,其中Mo、Nb与β-Ti无限固溶,Cu、Ag与Ti形成了塑韧性相对较好的Ti-Cu、Ti-Ag金属间化合物,从而稀释了Ti元素的浓度;在Ti焊缝和过渡层焊缝之间存在大约150 μm的Ti-Cu冶金反应区,有效减少了焊缝中硬脆的Ti-Fe金属间化合物。

(3) TA1/Cu/X65复合板对接接头的平均抗拉强度可达507 MPa,起裂位置位于Ti焊缝和过渡层熔敷金属界面处;焊缝硬度值在各过渡界面处均发生突变,高硬度点出现在ERTi-1、Cu-Ag-Mo-Nb焊缝及ERTi-1/Cu-Ag-Mo-Nb界面处;此外,由于母材爆炸复合过程中发生了剧烈的塑性变形,导致复合界面具有较高的显微硬度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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