铜箔种类和厚度对钛/钢电阻点焊接头组织和性能的影响

张鹏贤，禄建强，陈 沛

(兰州理工大学，有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室，兰州 730050)

0 引 言

钛合金与不锈钢焊接构件能够充分发挥两者在性能和经济上的优势，在航空航天和海洋工程领域应用广泛[1]。但是钛合金和不锈钢在热导率、线膨胀系数等方面存在差异，焊接接头容易形成TiFe、TiFe2等脆性金属间化合物，导致焊接质量较差；同时焊后冷却过程中会产生较大内应力，导致接头强度降低，严重时还会引起开裂。针对以上问题，一些学者采用在连接界面电镀银、铜金属薄膜和在不锈钢表面喷涂镍等措施[2-4]，但未能有效阻止钛铁化合物的生成，接头强度仍较低。

有学者提出，在钛合金和不锈钢之间添加过渡金属层能实现钛/钢的有效连接[5]。KUNDU等[6]以镍层为过渡层实现了工业纯钛和304不锈钢的扩散焊，发现镍元素可以阻止钛、铁元素互扩散，接头抗剪强度可达219 MPa；ZHAO等[7]以镍箔作为中间层实现了钛/钢的真空热轧连接，镍层的介入提高了接头的强度和塑性；陈一帆等[8]在以铜+铌作为复合过渡层的钛/钢扩散焊的研究中发现，过渡层有利于形成良好的接头。由此可见，以金属镍、铜、铌作为中间过渡层可实现钛/钢的有效连接，提高接头性能。出于经济考虑，实际焊接过程中一般采用铜作为中间过渡层。王红阳等[9]以Cu-Zn合金箔作为过渡层进行钛/钢激光-电弧复合焊，结果表明，接头发生了明显的冶金反应，生成了Ti-Cu系金属间化合物及AlCu2Ti，实现了钛和钢的有效连接；刘彦峰等[10]采用铜箔作为中间层对钛、钢进行扩散焊，钛与铁、铬的互扩散得到有效抑制，接头形成了具有多层结构的新相层，其硬度高于基体。综上，铜作为过渡层时，钛和钢可实现良好连接，且铜价格相对较低，便于工业应用。

在钛合金与不锈钢薄板的连接中，电阻点焊因具有效率高、焊点质量稳定、易于实现自动化等优点[10]而应用广泛。目前，关于添加金属过渡层的钛/钢电阻点焊的研究较少。作者采用不同类型、厚度的铜箔作为过渡层，研究了铜箔类型和厚度对钛合金/不锈钢薄板电阻点焊接头组织和性能的影响，为铜箔类型和厚度的选择提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为宝钛集团生产的TC4钛合金板和酒泉钢铁公司生产的304不锈钢板，化学成分如表1所示，抗拉强度分别为800，512 MPa。选用苏州中煜达铜业有限公司提供的T1、T2、T4、TU0、TU1、TU2、H62、HSn62-1、QSn1.5-0.2等9种铜箔作为过渡层材料，化学成分如表2所示。

表1 钛合金和不锈钢的化学成分(质量分数)

表2 铜箔的化学成分(质量分数)Table 2 Chemical composition of copper foils (mass fraction) %

在TC4钛合金板和304不锈钢板上截取尺寸均为80 mm×20 mm×1.5 mm的试样，采用YR-350SA2HGL型台式电阻点焊机进行点焊，采用3层叠加的搭接接头，自上而下叠加次序为钛合金、铜箔、不锈钢，铜箔平面尺寸为20 mm×20 mm,厚度为0.21.0 mm,搭接长度为20 mm,装配方式如图1所示。装配前，用砂纸对母材和铜箔表面进行打磨，放入丙酮溶液中超声波清洗3 min，取出烘干。装配时，采用高温结构密封胶对铜箔进行定位，并防止焊接区域氧化，密封胶仅涂覆在搭接层侧表面。待密封胶完全凝固后进行焊接，焊接工艺参数见表3。

沿焊点中心垂直于结合面方向截取尺寸为12 mm×8 mm×3.2 mm的金相试样，经磨抛，采用2%(质量分数，下同)HF+3%HNO3+95%H2O的混合溶液腐蚀，在JSM-6700F型扫描电子显微镜下观察显微组织，并用附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。采用D8ADVANCEA型X射线衍射仪进行物相分析。采用DW-300J型万能试验机对焊接接头进行剪切试验，拉伸速度为2 mm·min-1，试验结束后用游标卡尺测量熔核直径，结合最大剪切力计算接头的抗剪强度。

图1 接头装配方式示意Fig.1 Diagram of joint assemble method

表3 焊接工艺参数

2 试验结果与讨论

2.1 工艺参数对抗剪强度的影响

为确定最佳焊接工艺参数，采用0.3 mm厚的T2铜箔作为过渡层对钛合金和不锈钢进行电阻点焊，以接头的抗剪强度作为接头可靠连接判据。由图2可以看出，接头的抗剪强度随焊接电流、焊接时间、电极压力的增大均呈先增大后减小的趋势，并分别在焊接电流为3.0 kA、焊接时间为1.2 s、电极压力为0.5 MPa时达到峰值。优化工艺为焊接电流3.0 kA、焊接时间1.2 s、电极压力0.5 MPa。后文如无特指，所用工艺均为优化工艺。

2.2 铜箔种类及厚度对显微组织的影响

由图3可以看出，T4和H62铜箔过渡层焊接接头的组织可分为钛合金母材区、钛-铜反应区(A1，A2)、铜中间过渡区(B1，B2)、铜-不锈钢反应区(C1，C2)以及不锈钢母材区。T4铜箔过渡层焊接接头的组织分布均匀，晶粒细小，钛-铜、铜-不锈钢反应区厚度小，铜中间过渡区厚度大，这是焊点处的铜箔完全熔化且母材少量熔化，使得扩散的铜原子数量增加，钛、铁原子数量下降导致。结合图4的XRD谱可知，T4铜箔过渡层焊接接头熔合区中存在富铜的钛基固溶体、钛-铁脆性金属间化合物、钛-铜金属间化合物、铜及形态各异的铜基固溶体。H62铜箔过渡层焊接接头中，存在铜-锌固溶体和脆性锌-钛、钛-铁金属间化合物，接头出现较多的孔洞及裂纹缺陷(箭头所示)。与纯铜箔相比，铜合金箔中的锌、铁等合金元素含量较高，与母材中的钛、铁元素反应生成数量较多的脆性金属间化合物，缺陷和较多的脆性金属间化合物会导致铜合金箔过渡层焊接接头的力学性能降低。

图2 接头抗剪强度随焊接工艺参数的变化曲线Fig.2 Curves of shear strength vs welding process parameters of joint: (a) welding current；(b) welding time and (c) electrode pressure

图3 0.4 mm厚T4和H62铜箔过渡层接头的剖面显微组织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

图4 0.4 mm厚T4和H62铜箔过渡层接头熔合区的XRD谱Fig.4 XRD spectra of fusion zone of joints with 0.4 mm thickness T4 (a) and H62 (b) copper foil as transition layer

图5 0.2,0.6 mm厚T4铜箔过渡层接头的剖面显微组织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

由图5和图6可以看出：与0.4 mm厚T4铜箔过渡层焊接接头相比，0.2 mm厚T4铜箔过渡层焊接接头组织不变，但熔合区中钛-铁脆性金属间化合物增多，且接头出现裂纹，同时反应区厚度增大，过渡区厚度减小。在焊接过程中，过渡层会阻碍钛、铁原子互扩散。铜箔较薄时，铜元素的介入量少，难以完全阻挡互扩散过程，因此钛-铁金属间化合物数量增多，反应区厚度增大，这会导致接头性能变差。

与0.4 mm厚T4铜箔过渡层焊接接头相比，铜箔厚度为0.6 mm时，接头焊点处铜箔部分熔化，母材几乎不熔化，使得扩散的钛、铁原子数量大大减少，因此钛-铜、铜-不锈钢反应区的厚度减小。同时，未熔化的铜箔参与到接头中形成虚焊缺陷(箭头所示)，会导致接头力学性能下降。

由图7可以看出：不同厚度T4铜箔作为过渡层的接头不同区域中的钛、铁、铜元素含量均不同，在焊接过程中，钛原子和铁原子向对侧扩散，铜箔厚度从0.2 mm增大到0.4 mm时，铜过渡层中钛、铁原子的数量明显减少，因此钛-铜反应区、铜-不锈钢反应区宽度减小，铜箔中间过渡区宽度增加，接头性能提高，厚度增大至0.6 mm时，钛-铜反应区、铜-不锈钢反应区中的钛、铁原子数量极少，宽度均进一步减小，基本消失，铜中间过渡区覆盖整个接头反应区域，接头仅靠铜原子向两侧母材扩散来实现连接，这会使接头的抗剪强度反而降低。

图6 0.2 mm厚T4铜箔过渡层接头熔合区的XRD谱Fig.6 XRD spectrum of fusion zone of joints with T4 copper foil of 0.2 mm as transition layers

2.3 铜箔种类及厚度对抗剪强度的影响

由图8可以看出，铜箔厚度相同时，纯铜箔过渡层焊接接头的抗剪强度均明显高于铜合金箔过渡层焊接接头的，其中，T4铜箔过渡层焊接接头的抗剪强度最高，铜箔类型一致时，厚度越大，抗剪强度越高。由图9可以看出，随T4铜箔厚度增大，接头抗剪强度先增大后减小，在厚度为0.4 mm时达到峰值，为324 MPa。

图7 不同厚度T4铜箔过渡层接头中钛、铁、铜元素的EDS线扫结果Fig.7 EDS line scanning results of Ti, Fe and Cu elements in joints with T4 copper foil of different thickness as transition layers

图8 不同类型和厚度铜箔过渡层接头的抗剪强度Fig.8 Shear strength of joint with different type and thickness of copper foil as transition layers

图9 接头抗剪强度随T4铜箔厚度的变化曲线Fig.9 Curve of shear strength vs thickness of T4 copper foil of joint

3 结 论

(1) 采用0.3 mm厚T2铜箔作为过渡层材料时，接头抗剪强度随焊接电流、焊接时间和电极压力的增大先增大后减小，且分别在焊接电流为3.0 kA，焊接时间为1.2 s，电极压力为0.5 MPa时达到最大。

(2) 纯铜箔过渡层焊接接头的抗剪强度明显高于铜合金箔过渡层焊接接头的，且T4铜箔过渡层焊接接头的抗剪强度最高；随着T4铜箔厚度增大，反应区宽度减小，中间过渡区宽度增大，Ti-Fe金属间化合物减少，接头抗剪强度先增大后减小，在厚度为0.4 mm时达到最大。