發(fā)布日期：2025-9-6 15:25:25
引言
在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，鈦∕鋼異種金屬焊接 [1] 一直備受關(guān)注，研究起源在于高性能復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)中的需求｡鈦及鈦合金因其高熔點､高強(qiáng)度､抗低溫脆性､高比強(qiáng)度､耐氯離子腐蝕和無晶間腐蝕等特性，在航空航天､化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 [2]｡然而，由于鈦及鈦合金的高價､加工性能不佳等特點，使其使用效率受限 [3]｡鋼材則以其卓越的力學(xué)性能和加工性能在建筑､船舶､汽車制造和重型機(jī)械等行業(yè)占據(jù)重要地位 [4]｡隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷探索，鈦∕鋼復(fù)合板在大眾視野中誕生，其充分利用了 2 種材料的優(yōu)點，彌補(bǔ)了各自的不足，提升了經(jīng)濟(jì)效益 [5]｡
但鈦及鈦合金與鋼材在物理性質(zhì)､化學(xué)成分和熱膨脹系數(shù)上存在明顯差異，傳統(tǒng)的電弧焊在焊接過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力 [6]｡鈦在高溫時由體心立方晶格的 β-Ti 轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐拿芘帕骄Ц竦?alpha;-Ti, 過飽和的鐵會形成脆性相 TiFe, TiFe2等金屬間化合物，大大影響焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能 [7]｡因此，避免鈦與鋼焊縫區(qū)域產(chǎn)生裂紋､氣孔和夾雜等缺陷極具挑戰(zhàn) [8]｡
增材制造等新型焊接技術(shù)逐漸崛起，其高精度､一體化､生產(chǎn)周期短和形態(tài)無限制等特點滿足了高性能結(jié)構(gòu)材料制造的需求，因此在相關(guān)領(lǐng)域中備受矚目 [9]｡與傳統(tǒng)加工相比，激光選區(qū)熔化技術(shù) (Selective Laser Melting, SLM) 具有高效､將復(fù)雜零件簡易化等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域等 [10]｡目前，激光增材制造技術(shù)在鈦合金和鋼材的單一材料的增材制造領(lǐng)域已取得一定研究成果，但對鈦∕鋼異種材料連接的研究依舊相對較少 [11]｡材料特性差異導(dǎo)致它們在采用傳統(tǒng)焊接方法連接時可能出現(xiàn)界面強(qiáng)度不足､熱影響區(qū)裂紋､變形等問題，并且無法實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的焊接｡文中借鑒傳統(tǒng)焊接技術(shù)的經(jīng)驗，在材料結(jié)合時采用中間層策略，實現(xiàn)復(fù)雜形狀異種材料的一體化成形 [12]｡
因此，關(guān)注各項鈦∕鋼異種金屬焊接技術(shù)的進(jìn)展并繼續(xù)探究，不僅能夠推動新型材料的研發(fā)與應(yīng)用，同樣有助于選擇更為合適的焊接參數(shù)，提升焊接品質(zhì)，確保結(jié)構(gòu)安全 [13]｡這對于拓寬 2 種材料的應(yīng)用領(lǐng)域､提升構(gòu)件整體性能及降低生產(chǎn)成本具有深遠(yuǎn)影響｡
1、焊接性分析
異種金屬焊接是指通過特定焊接技術(shù)，將兩類不同性質(zhì)的金屬材料緊密結(jié)合，形成具有完整性和預(yù)期使用功能的構(gòu)件｡鈦合金與其他金屬的熱傳導(dǎo)率和線性膨脹系數(shù)存在較大的差別，鈦∕鋼焊接易生成較多的脆性金屬間化合物，與母材相比，焊接接頭的強(qiáng)度下降 [14]｡因此，在焊接過程中選用適當(dāng)?shù)你~或高熵合金作為中間過渡金屬，優(yōu)化焊接工藝，對提升焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能至關(guān)重要 [15]｡
鈦和鋼金屬在化學(xué)成分､物理特性､化學(xué)性質(zhì)等因素差異較大，這些因素直接影響焊接接頭的性能｡隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，鈦∕鋼異種金屬的焊接方法也在不斷創(chuàng)新､完善，科研者們在熔焊､壓焊和釬焊等技術(shù)方面進(jìn)行了探討 [16]｡然而，由于鈦和鋼之間存在顯著差異，使得焊接變得更加困難和復(fù)雜｡鈦∕鋼焊接面臨以下挑戰(zhàn): (1) 在高溫環(huán)境下，Ti 和 Fe 容易與 O, N, H 等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這可能會導(dǎo)致焊接后冷卻時產(chǎn)生氣孔和脆性相，從而降低焊接接頭的性能 [17]｡ (2) 鈦和鋼的熔點差異很大｡鈦的熔點為 1678 ℃, 而鋼的基體鐵的熔點僅為 1538 ℃, 在熔焊過程中，鋼完全熔化時，鈦合金卻穩(wěn)定在固態(tài)；而當(dāng)溫度超過鈦合金的熔點時，鋼則容易過燒 [18]｡ (3) 鈦與鋼的線膨脹系數(shù)不同，鈦的線膨脹系數(shù)為8.2×10-6/K , 鋼的線膨脹系數(shù)為11.76×10-6/K。線膨脹系數(shù)不同會導(dǎo)致異種金屬的焊縫在冷卻過程中收縮不均勻，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力｡焊后接頭處的應(yīng)力無法及時釋放，容易產(chǎn)生裂紋 [19]｡ (4) 在直接熔焊鈦和鋼時，由于 Fe 在焊接過程中的含量遠(yuǎn)超過 Ti 的溶解度范圍，容易導(dǎo)致焊縫中形成大量硬脆的金屬間化合物和低熔點共晶體｡此外，Ti 作為強(qiáng)碳化物形成元素，易與鋼中的 C 結(jié)合形成脆性的 TiC, 這些化合物急劇降低合金的塑性，使焊縫變得脆弱 [20]｡ (5) 根據(jù)圖 1 所示的 Fe-Ti 二元相圖 [21], Fe 在 α-Ti 中的溶解度較低，常溫下為 0.05% ~0.1%｡當(dāng) Fe 含量超過 0.1% 時，導(dǎo)致合金內(nèi)出現(xiàn)硬脆的金屬間化合物（如TiFe2和 TiFe）, 這些物質(zhì)會削弱結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度，促使裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，嚴(yán)重影響焊接接頭的質(zhì)量和使用壽命 [22]｡
綜上所述，在鈦與鋼的焊接過程中，焊縫易產(chǎn)生裂縫，鈦與鋼直接熔焊會使焊接接頭的形成難度增加｡在鈦∕鋼復(fù)合板焊接過程中，需要隔離鐵質(zhì)污染源､控制熱輸入梯度､添加中間層 (如銅∕高熵合金) 阻斷反應(yīng)并限制焊縫 Fe 含量 < 0.1%, 以防止鐵離子污染鈦覆層焊接區(qū)域，避免焊縫中生成脆性金屬間化合物和低熔點共晶體 [23]｡
2、焊接方法現(xiàn)狀
在鈦和鈦合金領(lǐng)域，通常針對不同厚度選擇不同的方式，3 mm 以下選用鎢極氬弧焊，3 mm 以上則采用熔化極氬弧焊｡此外，焊接過程中對氬氣的純度也有較高要求，不可低于 99.99%, 在焊接時要精確控制空氣和水蒸氣的含量 [24]｡在焊接前需進(jìn)行除油､除氧化皮和除氧化膜處理｡鑒于鈦及鈦合金化學(xué)活性強(qiáng)，易受氧氣､氮氣和氫氣影響，因此不能采用焊條電弧焊､氧乙炔焊､氣焊､CO2焊和原子氫焊等焊接方式 [25]｡
在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，常常使用熔化極氣體保護(hù)焊､摩擦焊､釬焊､電弧焊､栓釘焊及相應(yīng)組合的方法對其進(jìn)行焊接｡由于鈦∕鋼物理化學(xué)性質(zhì)的差異，在鈦∕鋼的焊接界面可能會生成較多脆性金屬間化合物，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量 [26]｡為降低焊接界面的脆性化合物，研究者嘗試采用電子束焊､激光焊等特殊的高功率焊接方法，這些方法提供了局部穩(wěn)定的能量工藝，實現(xiàn)了快速加熱∕冷卻及對精確加熱位置的控制，對異種金屬的焊接起到很大幫助 [27]｡
為獲得鈦∕鋼的優(yōu)質(zhì)連接，常采用合適的中間層∕填充材料來改善接頭冶金環(huán)境｡在眾多使用的中間層∕填充材料中，銅因其性能優(yōu)良和成本較低等優(yōu)點脫穎而出，成為最常用的填充金屬｡但即使用銅作為填充材料，也不能完全阻止 Ti 和 Fe 的相互影響，F(xiàn)e∕Cu∕Ti 元素間的冶金反應(yīng)還會在熔池中會發(fā)生，導(dǎo)致復(fù)雜相的組成｡故而優(yōu)化接頭的物相組成，成為獲得優(yōu)質(zhì) Ti∕Cu∕Fe 接頭的關(guān)鍵 [28]｡
總之，鈦∕鋼異種金屬的焊接過程十分復(fù)雜，需考慮多種因素的影響，如焊接方法的選擇､填充材料的使用及接頭物相組成等｡
2.1 電子束焊
電子束焊接技術(shù)是在傳統(tǒng)的焊條電弧焊､氧乙炔焊和氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型焊接技術(shù)｡電子束焊接技術(shù)是利用高速運動的電子流在焊件上產(chǎn)生局部加熱熔融的熱源焊接技術(shù)，其具有速度快､能量集中､可用于異種材料的連接或各種異種材料的組合焊接特點 [29]｡
哈爾濱工業(yè)大學(xué)王廷等 [30] 對 TA15 鈦合金與 304 不銹鋼的電子束焊接進(jìn)行了研究｡對鋼和鈦的接頭顯微組織､相組成和顯微硬度進(jìn)行了分析｡為降低焊接應(yīng)力，利用散焦電子束對焊接樣品進(jìn)行預(yù)熱｡焊接完成后采用掃描電子顯微鏡對焊接樣品進(jìn)行顯微組織和成分分析｡觀察焊縫宏觀形貌，在焊縫內(nèi)部和邊界處產(chǎn)生裂紋，裂紋大多數(shù)集中在不銹鋼焊縫區(qū)｡在鋼和鈦的焊縫中發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部產(chǎn)生連續(xù)分布的化合相，其包括TiFe2、TiFe 等，可得出焊縫中產(chǎn)生了較多的脆性相｡通過對鈦∕鋼異種金屬的電子束焊接，可知若對鈦∕鋼直接焊接，其焊縫存在較明顯缺陷，需要添加中間層來改善焊縫，以改變焊縫內(nèi)部的化合相｡
2.2 激光焊
激光焊接是采用高能量的激光束作為熱源的一種新型焊接方式，相比于傳統(tǒng)焊接，激光焊接熱源集中､熱輸入量少，在焊接過程中能夠凈化熔池，為異種焊接提供一種新型焊接方法 [31]｡激光焊接在高熔點､高反射率且物理性能差異較大的異種金屬焊接中發(fā)揮很大作用｡鋼和鈦的熔點､線膨脹系數(shù)差異太大，焊縫區(qū)域易產(chǎn)生開裂､氣孔等缺陷，由于激光焊可實現(xiàn)局部加熱，所以目前激光焊接對于異種金屬連接起很大作用｡
胡小紅等 [32] 在總結(jié)前人的問題和方法后，提出合理的工藝方案，通過運用 ANSYS 仿真軟件對鈦∕鋼異種金屬焊接溫度場進(jìn)行仿真模擬，通過仿真模擬來驗證激光焊接工藝的可行性｡試驗方案采用光纖激光器，選擇沿著鈦∕鋼焊縫緩慢移動的激光熱源進(jìn)行激光焊接，從鈦∕鋼焊縫溫度場分布情況可以看出，隨著激光熱源的緩慢移動，焊接熔池也隨之移動，鈦∕鋼異種金屬焊接呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的過程，隨著時間的推移，鈦合金一側(cè)的熔化面積比鋼的熔化面積大，如圖 2 所示 (上半部分為不銹鋼，下半部分為鈦合金)｡
在模擬結(jié)束后，采用試驗與模擬結(jié)果相互印證，焊接設(shè)備采用 YLS-2000W 激光發(fā)射器，激光焊接過程如圖 3 所示 [33]｡
在按照設(shè)計好的試驗方案進(jìn)行激光焊后，先對其試樣形貌進(jìn)行觀察，可以直觀地看到鈦∕鋼焊縫處有明顯開裂，這是因鋼､鈦的物理性能差異較大，在焊縫處出現(xiàn)了脆性化合物，在脫離夾具時直接開裂，但還可以從焊件中觀察出鈦合金側(cè)的熔化面積多于不銹鋼的，這也證明了仿真模擬的結(jié)果｡試驗方案制訂了不同偏焦量，偏焦量在 0.5 mm 和 0.6 mm 時，焊縫處裂紋較少｡為驗證鈦∕鋼異種金屬焊接性能，將焊接試樣進(jìn)行硬度測試和拉伸試驗，結(jié)果表明焊縫處的硬度相較于母材的有著顯著提高，拉伸測試結(jié)果表明，雖然塑形強(qiáng)度不高，但其焊件的抗拉強(qiáng)度對比母材有很大提升 [34]｡
2.3 爆炸焊
爆炸焊 (Explosion Welding, EW) 是一種利用爆炸波能量讓 2 種金屬在高速沖擊下實現(xiàn)結(jié)合的技術(shù)｡通過在短時間內(nèi)產(chǎn)生的極高壓力，推動金屬原子互相擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的焊接接口 [35]｡在鈦∕鋼復(fù)合板的制造領(lǐng)域，爆炸焊尤其適用，根據(jù)制造方式的不同，可分為爆炸復(fù)合法和爆炸復(fù)合 + 軋制法｡作為一種成熟的壓力焊接方法，爆炸焊在鈦∕鋼復(fù)合板生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢｡相較于壓力焊､激光焊等常用焊接方法，爆炸焊具有顯著優(yōu)勢｡其突出特點在于焊接尺寸不受限制，無需定制專用夾具，尤其適用于大面積板材的焊接復(fù)合 [36]｡
劉潤生等 [37] 探討了等厚裝藥和分段裝藥 2 種不同裝藥方式對鈦∕鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)和性能的影響，得出分段裝藥更有利于保證鈦∕鋼復(fù)合板品質(zhì)的結(jié)論，其試驗數(shù)據(jù)顯示如圖 4 所示｡采用分段裝藥可使壓力分布更均勻，有效防止褶皺產(chǎn)生，同時降低熔化層､孔洞､分層等缺陷出現(xiàn)的概率｡
楊文月等 [38] 對鈦∕鋼爆炸焊接復(fù)合板進(jìn)行了試驗研究，焊接樣品采用以 ASTM B265Gr.1 (工業(yè)純鈦) 為覆板､以 ASTM A516Gr.70 (碳素鋼) 為基板制備的爆炸焊接復(fù)合板，采用超聲波掃描對鈦∕鋼爆炸焊接后的復(fù)合板進(jìn)行界面掃查，經(jīng)過爆炸焊后的鈦∕鋼復(fù)合板達(dá)到了 100% 結(jié)合｡但在爆炸焊接過程中由于炸藥會產(chǎn)生沖擊力，其瞬時高溫高壓會使復(fù)合板結(jié)合面位置發(fā)生原子擴(kuò)散､變形等現(xiàn)象，所以需要觀察其結(jié)合界面的層次結(jié)構(gòu)｡經(jīng)觀察，鈦∕鋼結(jié)合界面具有多層次結(jié)構(gòu)特征，且每個組織區(qū)域具有不同的波長，波長的范圍主要集中于 300~500 μm, 如圖 5 所示 [39]｡
通過檢測鈦∕鋼復(fù)合板硬度､拉伸性能來驗證爆炸焊的可行性｡相對于基板的原始硬度提高 30%, 且塑性變形相比較減小，覆材側(cè)鈦合金界面硬度提高大約 20%｡對于其拉伸性能，采用橫向､縱向 2 種試驗方案，結(jié)果表明縱向的抗拉強(qiáng)度和伸長率要低于橫向的，這是因為橫向波紋密集度比縱向波紋密集度更高，所以橫向抗拉伸性能要優(yōu)于縱向的｡
2.4 其他焊接方法
2.4.1 DW 焊
擴(kuò)散焊 (Diffusion Welding, DW) 是通過金屬原子間的擴(kuò)散效應(yīng)，實現(xiàn) 2 種金屬牢固結(jié)合｡在焊接中，首先對 2 種金屬的表面進(jìn)行嚴(yán)格的清潔；接著將其加熱至接近熔點，并在適度壓力的作用下保持一段時間，這一過程使得 2 種金屬原子得到充分?jǐn)U散；最后在冷卻過程中形成堅固的焊接連接｡按照擴(kuò)散類別，擴(kuò)散焊接又可分為直接擴(kuò)散焊接､單一層擴(kuò)散焊接､單一中間層擴(kuò)散焊接及復(fù)合中間層擴(kuò)散焊接 [40]｡
李超 [41] 對鈦∕鋼異種金屬焊接采用擴(kuò)散焊接技術(shù)，為避免焊接過程中因結(jié)合界面生成脆性化合物而導(dǎo)致接頭強(qiáng)韌性差的問題，采用高熵合金為中間層開展真空擴(kuò)散研究，高熵合金采用AlCoCrCuNi2, 鈦合金采用 TC4, 鋼采用 316L, 試驗方案采用不同的焊接溫度和不同的保溫時間進(jìn)行對比，在 1010 ℃保溫 90 min 時，焊接接頭的抗剪硬度達(dá)到最大值｡通過改變高熵合金的成分來優(yōu)化鈦∕鋼異種金屬擴(kuò)散焊接技術(shù)，焊接試樣在 1010 ℃×9AlNi0.8，AlNi1和AlNi1.2這 3 種不同成分高熵合金作為中間層，3 種不同成分?jǐn)U散焊接頭剪切試驗后斷裂路徑如圖 6 所示 [42]｡
在經(jīng)過硬度測試后得出，使用Al1.2CoCrCuNi2.2作為中間層時獲得接頭最高抗剪強(qiáng)度｡
2.4.2 FSW 焊
攪拌摩擦焊 (Friction Stir Welding, FSW) 是通過機(jī)械攪拌和熱能作用，實現(xiàn) 2 種金屬牢固結(jié)合｡在焊接中，先擦拭 2 種金屬表面至干凈，接著將專用的攪拌頭置于 2 種金屬之間｡通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，使二者混合，同時向攪拌頭輸送一定的熱量，確保 2 種金屬得到充分融合，進(jìn)而形成焊接接頭 [43], 如圖 7 所示｡
3、發(fā)展前景
在航空制造業(yè)中，鈦合金的使用逐漸增多，這表明尋求低成本､高性能的鈦合金依然是科研重點｡因此，有必要持續(xù)進(jìn)行新型鈦合金的研究，實現(xiàn)低成本､高性能的目標(biāo)；創(chuàng)新鈦合金與其他合金的焊接技術(shù)，如探究鈦∕鋼金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料；深入研究鈦合金激光焊接技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，從根本上提升鈦合金的使用量，降低生產(chǎn)成本｡
當(dāng)前，鈦合金的異種金屬焊接相關(guān)研究仍然面臨著如焊接過程中的熱應(yīng)力､組織變化和金屬間化合物的生成等諸多挑戰(zhàn)｡鈦∕鋼異種金屬焊接的關(guān)鍵問題是脆性金屬間化合物的生成｡研究方向主要包括擴(kuò)散焊､爆炸焊､激光焊等特種連接技術(shù)｡因此，減少脆性金屬間化合物的生成才能提高焊接接頭性能 [44]｡
應(yīng)持續(xù)研發(fā)如高強(qiáng)度､高韌性的填充合金等新型焊接材料，以及具有特殊功能的涂層｡采用如激光焊､電子束焊等先進(jìn)的熱影響區(qū)更小的焊接技術(shù)，使焊接變形和殘余應(yīng)力降低，從而提升焊接接頭的精度和質(zhì)量 [45]｡研究采用低氫焊接､無溶劑焊接劑等能降低有害物質(zhì)排放和提高能源效率的焊接技術(shù)，減少環(huán)境污染，達(dá)到綠色制造要求｡運用計算機(jī)模擬技術(shù)､超聲波檢測､X 射線檢測等先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，同步監(jiān)控焊接過程，及時進(jìn)行質(zhì)量評估，確保焊接接頭的可靠性｡加強(qiáng)焊接理論研究和數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，深入分析焊接熱循環(huán)､應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，預(yù)測和控制焊接缺陷的產(chǎn)生，指導(dǎo)優(yōu)化焊接工藝｡
隨著這些方面的研究不斷深入，相信未來鈦∕鋼焊接技術(shù)將朝著高效､精確､環(huán)保和智能化的方向發(fā)展，滿足日益嚴(yán)格的工業(yè)應(yīng)用需求｡
4、結(jié)論
文中主要探討了鈦∕鋼異種金屬焊接的挑戰(zhàn)､焊接方法 (如激光焊､電子束焊､爆炸焊及擴(kuò)散焊等) 及其應(yīng)用，以及發(fā)展前景｡核心內(nèi)容聚焦于異種金屬焊接過程中因材料性質(zhì)差異引發(fā)的焊接缺陷､脆性金屬間化合物生成等問題，強(qiáng)調(diào)了激光焊接技術(shù)的潛力，以及通過改進(jìn)焊接工藝､填充材料和開發(fā)新型連接技術(shù)來提升焊接接頭性能和結(jié)構(gòu)安全的重要性，并預(yù)測未來將朝著高效､精確､環(huán)保和智能化焊接技術(shù)發(fā)展，以滿足工業(yè)應(yīng)用需求｡
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（注，原文標(biāo)題：鈦鋼異種金屬焊接進(jìn)展）