銅箔種類和厚度對鈦/鋼電阻點焊接頭組織和性能的影響

張鵬賢，祿建強，陳 沛

(蘭州理工大學，有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050)

0 引 言

鈦合金與不銹鋼焊接構件能夠充分發揮兩者在性能和經濟上的優勢，在航空航天和海洋工程領域應用廣泛[1]。但是鈦合金和不銹鋼在熱導率、線膨脹系數等方面存在差異，焊接接頭容易形成TiFe、TiFe2等脆性金屬間化合物，導致焊接質量較差；同時焊后冷卻過程中會產生較大內應力，導致接頭強度降低，嚴重時還會引起開裂。針對以上問題，一些學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，接頭強度仍較低。

有學者提出，在鈦合金和不銹鋼之間添加過渡金屬層能實現鈦/鋼的有效連接[5]。KUNDU等[6]以鎳層為過渡層實現了工業純鈦和304不銹鋼的擴散焊，發現鎳元素可以阻止鈦、鐵元素互擴散，接頭抗剪強度可達219 MPa；ZHAO等[7]以鎳箔作為中間層實現了鈦/鋼的真空熱軋連接，鎳層的介入提高了接頭的強度和塑性；陳一帆等[8]在以銅+鈮作為復合過渡層的鈦/鋼擴散焊的研究中發現，過渡層有利于形成良好的接頭。由此可見，以金屬鎳、銅、鈮作為中間過渡層可實現鈦/鋼的有效連接，提高接頭性能。出于經濟考慮，實際焊接過程中一般采用銅作為中間過渡層。王紅陽等[9]以Cu-Zn合金箔作為過渡層進行鈦/鋼激光-電弧復合焊，結果表明，接頭發生了明顯的冶金反應，生成了Ti-Cu系金屬間化合物及AlCu2Ti，實現了鈦和鋼的有效連接；劉彥峰等[10]采用銅箔作為中間層對鈦、鋼進行擴散焊，鈦與鐵、鉻的互擴散得到有效抑制，接頭形成了具有多層結構的新相層，其硬度高于基體。綜上，銅作為過渡層時，鈦和鋼可實現良好連接，且銅價格相對較低，便于工業應用。

在鈦合金與不銹鋼薄板的連接中，電阻點焊因具有效率高、焊點質量穩定、易于實現自動化等優點[10]而應用廣泛。目前，關于添加金屬過渡層的鈦/鋼電阻點焊的研究較少。作者采用不同類型、厚度的銅箔作為過渡層，研究了銅箔類型和厚度對鈦合金/不銹鋼薄板電阻點焊接頭組織和性能的影響，為銅箔類型和厚度的選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

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

表1 鈦合金和不銹鋼的化學成分(質量分數)

表2 銅箔的化學成分(質量分數)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型臺式電阻點焊機進行點焊，采用3層疊加的搭接接頭，自上而下疊加次序為鈦合金、銅箔、不銹鋼，銅箔平面尺寸為20 mm×20 mm,厚度為0.21.0 mm,搭接長度為20 mm,裝配方式如圖1所示。裝配前，用砂紙對母材和銅箔表面進行打磨，放入丙酮溶液中超聲波清洗3 min，取出烘干。裝配時，采用高溫結構密封膠對銅箔進行定位，并防止焊接區域氧化，密封膠僅涂覆在搭接層側表面。待密封膠完全凝固后進行焊接，焊接工藝參數見表3。

沿焊點中心垂直于結合面方向截取尺寸為12 mm×8 mm×3.2 mm的金相試樣，經磨拋，采用2%(質量分數，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)進行微區成分分析。采用D8ADVANCEA型X射線衍射儀進行物相分析。采用DW-300J型萬能試驗機對焊接接頭進行剪切試驗，拉伸速度為2 mm·min-1，試驗結束后用游標卡尺測量熔核直徑，結合最大剪切力計算接頭的抗剪強度。

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

2 試驗結果與討論

2.1 工藝參數對抗剪強度的影響

為確定最佳焊接工藝參數，采用0.3 mm厚的T2銅箔作為過渡層對鈦合金和不銹鋼進行電阻點焊，以接頭的抗剪強度作為接頭可靠連接判據。由圖2可以看出，接頭的抗剪強度隨焊接電流、焊接時間、電極壓力的增大均呈先增大后減小的趨勢，并分別在焊接電流為3.0 kA、焊接時間為1.2 s、電極壓力為0.5 MPa時達到峰值。優化工藝為焊接電流3.0 kA、焊接時間1.2 s、電極壓力0.5 MPa。后文如無特指，所用工藝均為優化工藝。

2.2 銅箔種類及厚度對顯微組織的影響

由圖3可以看出，T4和H62銅箔過渡層焊接接頭的組織可分為鈦合金母材區、鈦-銅反應區(A1，A2)、銅中間過渡區(B1，B2)、銅-不銹鋼反應區(C1，C2)以及不銹鋼母材區。T4銅箔過渡層焊接接頭的組織分布均勻，晶粒細小，鈦-銅、銅-不銹鋼反應區厚度小，銅中間過渡區厚度大，這是焊點處的銅箔完全熔化且母材少量熔化，使得擴散的銅原子數量增加，鈦、鐵原子數量下降導致。結合圖4的XRD譜可知，T4銅箔過渡層焊接接頭熔合區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、銅及形態各異的銅基固溶體。H62銅箔過渡層焊接接頭中，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、鐵元素反應生成數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導致銅合金箔過渡層焊接接頭的力學性能降低。

圖2 接頭抗剪強度隨焊接工藝參數的變化曲線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銅箔過渡層接頭熔合區的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銅箔過渡層焊接接頭相比，0.2 mm厚T4銅箔過渡層焊接接頭組織不變，但熔合區中鈦-鐵脆性金屬間化合物增多，且接頭出現裂紋，同時反應區厚度增大，過渡區厚度減小。在焊接過程中，過渡層會阻礙鈦、鐵原子互擴散。銅箔較薄時，銅元素的介入量少，難以完全阻擋互擴散過程，因此鈦-鐵金屬間化合物數量增多，反應區厚度增大，這會導致接頭性能變差。

與0.4 mm厚T4銅箔過渡層焊接接頭相比，銅箔厚度為0.6 mm時，接頭焊點處銅箔部分熔化，母材幾乎不熔化，使得擴散的鈦、鐵原子數量大大減少，因此鈦-銅、銅-不銹鋼反應區的厚度減小。同時，未熔化的銅箔參與到接頭中形成虛焊缺陷(箭頭所示)，會導致接頭力學性能下降。

由圖7可以看出：不同厚度T4銅箔作為過渡層的接頭不同區域中的鈦、鐵、銅元素含量均不同，在焊接過程中，鈦原子和鐵原子向對側擴散，銅箔厚度從0.2 mm增大到0.4 mm時，銅過渡層中鈦、鐵原子的數量明顯減少，因此鈦-銅反應區、銅-不銹鋼反應區寬度減小，銅箔中間過渡區寬度增加，接頭性能提高，厚度增大至0.6 mm時，鈦-銅反應區、銅-不銹鋼反應區中的鈦、鐵原子數量極少，寬度均進一步減小，基本消失，銅中間過渡區覆蓋整個接頭反應區域，接頭僅靠銅原子向兩側母材擴散來實現連接，這會使接頭的抗剪強度反而降低。

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

2.3 銅箔種類及厚度對抗剪強度的影響

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

圖7 不同厚度T4銅箔過渡層接頭中鈦、鐵、銅元素的EDS線掃結果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 不同類型和厚度銅箔過渡層接頭的抗剪強度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 論

(1) 采用0.3 mm厚T2銅箔作為過渡層材料時，接頭抗剪強度隨焊接電流、焊接時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，焊接時間為1.2 s，電極壓力為0.5 MPa時達到最大。

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