發(fā)布日期：2025-9-6 15:25:25
引言
在材料科學和工程領域，鈦∕鋼異種金屬焊接 [1] 一直備受關注，研究起源在于高性能復合材料在工業(yè)生產(chǎn)中的需求｡鈦及鈦合金因其高熔點､高強度､抗低溫脆性､高比強度､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)學等領域廣泛應用 [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性能和加工性能在建筑､船舶､汽車制造和重型機械等行業(yè)占據(jù)重要地位 [4]｡隨著國內(nèi)外學者的不斷探索，鈦∕鋼復合板在大眾視野中誕生，其充分利用了 2 種材料的優(yōu)點，彌補了各自的不足，提升了經(jīng)濟效益 [5]｡
但鈦及鈦合金與鋼材在物理性質(zhì)､化學成分和熱膨脹系數(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)構材料制造的需求，因此在相關領域中備受矚目 [9]｡與傳統(tǒng)加工相比，激光選區(qū)熔化技術 (Selective Laser Melting, SLM) 具有高效､將復雜零件簡易化等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天和醫(yī)療領域等 [10]｡目前，激光增材制造技術在鈦合金和鋼材的單一材料的增材制造領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]｡材料特性差異導致它們在采用傳統(tǒng)焊接方法連接時可能出現(xiàn)界面強度不足､熱影響區(qū)裂紋､變形等問題，并且無法實現(xiàn)復雜構件的焊接｡文中借鑒傳統(tǒng)焊接技術的經(jīng)驗，在材料結(jié)合時采用中間層策略，實現(xiàn)復雜形狀異種材料的一體化成形 [12]｡
因此，關注各項鈦∕鋼異種金屬焊接技術的進展并繼續(xù)探究，不僅能夠推動新型材料的研發(fā)與應用，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)構安全 [13]｡這對于拓寬 2 種材料的應用領域､提升構件整體性能及降低生產(chǎn)成本具有深遠影響｡
1、焊接性分析
異種金屬焊接是指通過特定焊接技術，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期使用功能的構件｡鈦合金與其他金屬的熱傳導率和線性膨脹系數(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，焊接接頭的強度下降 [14]｡因此，在焊接過程中選用適當?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)構和力學性能至關重要 [15]｡
鈦和鋼金屬在化學成分､物理特性､化學性質(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)代制造技術的不斷進步，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､壓焊和釬焊等技術方面進行了探討 [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)生化學反應，這可能會導致焊接后冷卻時產(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)應力｡焊后接頭處的應力無法及時釋放，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超過 Ti 的溶解度范圍，容易導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 Fe 含量超過 0.1% 時，導致合金內(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)構件的連接強度，促使裂紋的產(chǎn)生和擴展，嚴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]｡在焊接前需進行除油､除氧化皮和除氧化膜處理｡鑒于鈦及鈦合金化學活性強，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)構領域，常常使用熔化極氣體保護焊､摩擦焊､釬焊､電弧焊､栓釘焊及相應組合的方法對其進行焊接｡由于鈦∕鋼物理化學性質(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 元素間的冶金反應還會在熔池中會發(fā)生，導致復雜相的組成｡故而優(yōu)化接頭的物相組成，成為獲得優(yōu)質(zhì) Ti∕Cu∕Fe 接頭的關鍵 [28]｡
總之，鈦∕鋼異種金屬的焊接過程十分復雜，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
電子束焊接技術是在傳統(tǒng)的焊條電弧焊､氧乙炔焊和氬弧焊的基礎上發(fā)展起來的一種新型焊接技術｡電子束焊接技術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，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)大學王廷等 [30] 對 TA15 鈦合金與 304 不銹鋼的電子束焊接進行了研究｡對鋼和鈦的接頭顯微組織､相組成和顯微硬度進行了分析｡為降低焊接應力，利用散焦電子束對焊接樣品進行預熱｡焊接完成后采用掃描電子顯微鏡對焊接樣品進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]｡
在按照設計好的試驗方案進行激光焊后，先對其試樣形貌進行觀察，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，雖然塑形強度不高，但其焊件的抗拉強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｡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散，形成穩(wěn)定的焊接接口 [35]｡在鈦∕鋼復合板的制造領域，爆炸焊尤其適用，根據(jù)制造方式的不同，可分為爆炸復合法和爆炸復合 + 軋制法｡作為一種成熟的壓力焊接方法，爆炸焊在鈦∕鋼復合板生產(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∕鋼復合板結(jié)構和性能的影響，得出分段裝藥更有利于保證鈦∕鋼復合板品質(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∕鋼爆炸焊接復合板進行了試驗研究，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合板，采用超聲波掃描對鈦∕鋼爆炸焊接后的復合板進行界面掃查，經(jīng)過爆炸焊后的鈦∕鋼復合板達到了 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合板結(jié)合面位置發(fā)生原子擴散､變形等現(xiàn)象，所以需要觀察其結(jié)合界面的層次結(jié)構｡經(jīng)觀察，鈦∕鋼結(jié)合界面具有多層次結(jié)構特征，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
擴散焊 (Diffusion Welding, DW) 是通過金屬原子間的擴散效應，實現(xiàn) 2 種金屬牢固結(jié)合｡在焊接中，首先對 2 種金屬的表面進行嚴格的清潔；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擴散；最后在冷卻過程中形成堅固的焊接連接｡按照擴散類別，擴散焊接又可分為直接擴散焊接､單一層擴散焊接､單一中間層擴散焊接及復合中間層擴散焊接 [40]｡
李超 [41] 對鈦∕鋼異種金屬焊接采用擴散焊接技術，為避免焊接過程中因結(jié)合界面生成脆性化合物而導致接頭強韌性差的問題，采用高熵合金為中間層開展真空擴散研究，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行對比，在 1010 ℃保溫 90 min 時，焊接接頭的抗剪硬度達到最大值｡通過改變高熵合金的成分來優(yōu)化鈦∕鋼異種金屬擴散焊接技術，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 種不同成分擴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度｡
2.4.2 FSW 焊
攪拌摩擦焊 (Friction Stir Welding, FSW) 是通過機械攪拌和熱能作用，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)進行新型鈦合金的研究，實現(xiàn)低成本､高性能的目標；創(chuàng)新鈦合金與其他合金的焊接技術，如探究鈦∕鋼金屬間化合物和鈦基復合材料；深入研究鈦合金激光焊接技術在航空領域的應用，從根本上提升鈦合金的使用量，降低生產(chǎn)成本｡
當前，鈦合金的異種金屬焊接相關研究仍然面臨著如焊接過程中的熱應力､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鍵問題是脆性金屬間化合物的生成｡研究方向主要包括擴散焊､爆炸焊､激光焊等特種連接技術｡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]｡
應持續(xù)研發(fā)如高強度､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､電子束焊等先進的熱影響區(qū)更小的焊接技術，使焊接變形和殘余應力降低，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，減少環(huán)境污染，達到綠色制造要求｡運用計算機模擬技術､超聲波檢測､X 射線檢測等先進的無損檢測技術，同步監(jiān)控焊接過程，及時進行質(zhì)量評估，確保焊接接頭的可靠性｡加強焊接理論研究和數(shù)值模擬技術的應用，深入分析焊接熱循環(huán)､應力應變狀態(tài)，預測和控制焊接缺陷的產(chǎn)生，指導優(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，滿足日益嚴格的工業(yè)應用需求｡
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､爆炸焊及擴散焊等) 及其應用，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，強調(diào)了激光焊接技術的潛力，以及通過改進焊接工藝､填充材料和開發(fā)新型連接技術來提升焊接接頭性能和結(jié)構安全的重要性，并預測未來將朝著高效､精確､環(huán)保和智能化焊接技術發(fā)展，以滿足工業(yè)應用需求｡
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（注，原文標題：鈦鋼異種金屬焊接進展）