中间层锌箔对铝-钛异种接头微观组织和力学性能的影响

王大鹏,李晓峰

(重庆工商职业学院 智能制造与汽车学院,重庆 401520)



摘要:

本文旨在通过改善焊接工艺,提高铝-钛接头性能,扩大铝-钛复合件的应用范围。通过在铝-钛熔钎焊接工艺中添加锌箔,探讨了中间层锌箔对铝-钛接头微观组织和力学性能的影响。采用TIG焊机对铝/钛异种金属板材进行熔钎焊接实验,利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、维氏硬度计和电子拉伸机对铝/钛接头的微观组织和机械性能进行分析。研究发现,添加锌箔可以明显改善液态铝合金在钛合金表面的润湿性。当焊接电流偏低时,可以观察到熔焊区存在弥散分布的锌元素,钎焊区有锌颗粒夹杂；焊接电流为90 A时,熔焊区和钎焊区分别有棒状和连续的TiAl₃金属间化合物生成；继续增大电流,TiAl₃相的数量急剧增加并伴随裂纹出现。硬度检测结果表明,在焊缝垂直方向上,钎焊区的硬度值最高达到了173HV,远高于熔焊区。钎焊区硬度值的升高,主要是由于该区域有脆硬的Ti-Al金属间化合物生成。拉伸实验结果表明,焊接电流为90 A时,铝/钛接头的抗拉强度达到最大,为227 MPa。热输入的增加使钎焊区发生了充分的冶金结合,断裂最终发生在接头熔焊区。在铝/钛熔钎焊过程中添加金属锌箔,有利于改善接头成形,提高铝-钛接头焊接质量。

关键词:  金属材料的焊接  铝合金  钛合金  微观组织  力学性能

DOI：10.11951/j.issn.1005-0299.20210208

分类号:TG457.1

文献标识码:A

基金项目:重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201904001).



Effect of intermediate zinc foil on microstructure and mechanical properties of Al-Ti dissimilar joints

WANG Dapeng, LI Xiaofeng

(College of Intelligent Manufacturing and Automobile, Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 401520, China)

Abstract:

This paper aims to improve the properties of Al-Ti joints and expand the application range of Al-Ti composite parts by improving the welding process. The influence of intermediate zinc foil on the microstructure and mechanical properties of Al-Ti joints was investigated by adding zinc foil to the Al-Ti brazing-fusion welding process. A TIG welding machine was used to conduct welding and brazing experiments on Al/Ti dissimilar metal sheets. The microstructure and mechanical properties of Al/Ti joints were analyzed by means of metallographic microscope, scanning electron microscope, energy spectrometer, Vickers hardness tester, and electronic tensile machine. Results show that the wettability of liquid Al alloy on Ti alloy surface could be improved by adding zinc foil. When the welding current was low, dispersed zinc elements could be observed in the fusion zone, and there were zinc particles in the brazing zone. When the welding current was 90 A, rod-like and continuous TiAl₃ intermetallic compounds were formed in fusion zone and brazing zone respectively. However, as the current continued to increase, the number of TiAl₃ phases increased sharply and cracks appeared. Hardness test results show that in the vertical direction of the weld, the hardness value in the brazing zone reached up to 173HV, which was much higher than that in the fusion zone. The increase in the hardness value in brazing zone was mainly due to the formation of brittle and hard Ti-Al intermetallic compounds in this region. Tensile test results show that the maximum tensile strength of Al/Ti joint was 227 MPa under the welding current of 90 A. The increase in heat input led to sufficient metallurgical bonding in the brazing zone, and the fracture finally occurred in the fusion zone of the joint. The above experimental results indicate that the addition of metal zinc foil in the process of Al/Ti fusion brazing is conducive to improving joint forming and welding quality.

Key words:  welding of metal materials  aluminum alloy  titanium alloy  microstructure  mechanical property


王大鹏, 李晓峰. 中间层锌箔对铝-钛异种接头微观组织和力学性能的影响[J]. 材料科学与工艺, 2022, 30(2): 75-80. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20210208.
WANG Dapeng, LI Xiaofeng. Effect of intermediate zinc foil on microstructure and mechanical properties of Al-Ti dissimilar joints[J]. Materials Science and Technology, 2022, 30(2): 75-80. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20210208.
基金项目 重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201904001) 通信作者 王大鹏，E-mail：cqwangdp@163.com 作者简介 王大鹏(1986—)，男，讲师 文章历史 收稿日期: 2021-09-06 网络出版日期: 2021-12-29


Contents            Abstract            Full text            Figures/Tables            PDF


中间层锌箔对铝-钛异种接头微观组织和力学性能的影响
王大鹏, 李晓峰     
重庆工商职业学院 智能制造与汽车学院，重庆 401520

收稿日期: 2021-09-06
基金项目: 重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201904001)
作者简介: 王大鹏(1986—)，男，讲师.
通信作者: 王大鹏，E-mail：cqwangdp@163.com.


摘要: 本文旨在通过改善焊接工艺，提高铝-钛接头性能，扩大铝-钛复合件的应用范围。通过在铝-钛熔钎焊接工艺中添加锌箔，探讨了中间层锌箔对铝-钛接头微观组织和力学性能的影响。采用TIG焊机对铝/钛异种金属板材进行熔钎焊接实验，利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、维氏硬度计和电子拉伸机对铝/钛接头的微观组织和机械性能进行分析。研究发现，添加锌箔可以明显改善液态铝合金在钛合金表面的润湿性。当焊接电流偏低时，可以观察到熔焊区存在弥散分布的锌元素，钎焊区有锌颗粒夹杂；焊接电流为90 A时，熔焊区和钎焊区分别有棒状和连续的TiAl₃金属间化合物生成；继续增大电流，TiAl₃相的数量急剧增加并伴随裂纹出现。硬度检测结果表明，在焊缝垂直方向上，钎焊区的硬度值最高达到了173HV，远高于熔焊区。钎焊区硬度值的升高，主要是由于该区域有脆硬的Ti-Al金属间化合物生成。拉伸实验结果表明，焊接电流为90 A时，铝/钛接头的抗拉强度达到最大，为227 MPa。热输入的增加使钎焊区发生了充分的冶金结合，断裂最终发生在接头熔焊区。在铝/钛熔钎焊过程中添加金属锌箔，有利于改善接头成形，提高铝-钛接头焊接质量。
关键词: 金属材料的焊接    铝合金    钛合金    微观组织    力学性能    
Effect of intermediate zinc foil on microstructure and mechanical properties of Al-Ti dissimilar joints
WANG Dapeng, LI Xiaofeng     
College of Intelligent Manufacturing and Automobile, Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 401520, China



Abstract: This paper aims to improve the properties of Al-Ti joints and expand the application range of Al-Ti composite parts by improving the welding process. The influence of intermediate zinc foil on the microstructure and mechanical properties of Al-Ti joints was investigated by adding zinc foil to the Al-Ti brazing-fusion welding process. A TIG welding machine was used to conduct welding and brazing experiments on Al/Ti dissimilar metal sheets. The microstructure and mechanical properties of Al/Ti joints were analyzed by means of metallographic microscope, scanning electron microscope, energy spectrometer, Vickers hardness tester, and electronic tensile machine. Results show that the wettability of liquid Al alloy on Ti alloy surface could be improved by adding zinc foil. When the welding current was low, dispersed zinc elements could be observed in the fusion zone, and there were zinc particles in the brazing zone. When the welding current was 90 A, rod-like and continuous TiAl₃ intermetallic compounds were formed in fusion zone and brazing zone respectively. However, as the current continued to increase, the number of TiAl₃ phases increased sharply and cracks appeared. Hardness test results show that in the vertical direction of the weld, the hardness value in the brazing zone reached up to 173HV, which was much higher than that in the fusion zone. The increase in the hardness value in brazing zone was mainly due to the formation of brittle and hard Ti-Al intermetallic compounds in this region. Tensile test results show that the maximum tensile strength of Al/Ti joint was 227 MPa under the welding current of 90 A. The increase in heat input led to sufficient metallurgical bonding in the brazing zone, and the fracture finally occurred in the fusion zone of the joint. The above experimental results indicate that the addition of metal zinc foil in the process of Al/Ti fusion brazing is conducive to improving joint forming and welding quality.
Keywords: welding of metal materials    aluminum alloy    titanium alloy    microstructure    mechanical property    
Ti6Al4V是应用最为广泛的钛合金，其具有比强度高、耐腐蚀性好、疲劳性能好等优点，在飞机和汽车工业中有着广泛的应用^[1-3]。5A06是一种非热处理铝合金，由于其密度低、成本低，也被大量应用于上述领域^[4-5]。为了满足高性能、同时减轻质量和成本的需求，实现Ti6Al4V/5A06混合结构是一种有效的方法。混合结构的制造通常需要将不同材料进行焊接，以获得复杂的几何形状。然而，由于脆性金属间相化合物的广泛形成，这些材料很难通过传统的熔焊工艺进行焊接。

包括扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊和钎焊在内的许多方法已被用于获得Ti/Al接头^[6-10]。然而，这些焊接工艺受到接头形状或操作环境的限制，目前尚难以满足实际生产的需求。熔钎焊作为一种先进的连接技术，更适用于焊接熔点差异较大的异种金属，如Ti/Mg接头、Fe/Mg接头、Ti/Al接头和Fe/Al接头。熔钎焊工艺可以增加焊接的灵活性和适应性，并提供适当的能量输出和更快的加热/冷却速度。这种方法在异种金属的连接中越来越受到人们的关注。例如，Li等^[11]采用激光熔钎焊工艺对镁/镀锌钢异种金属进行了焊接，研究发现，锌镀层的存在促进了液态钎料在钢基体上的润湿，在镁合金与镀锌钢的界面处形成了非均相界面反应层。镁合金/镀锌钢搭接接头的最大拉剪强度达到180 N/mm，接头的失效发生在界面处，裂纹沿Mg-Zn反应层和Fe-Al相扩展，钢侧残留少量Mg-Zn反应相。Wang等^[12]采用激光-MIG复合熔钎焊技术对5A02铝合金和镀锌钢进行连接，研究发现，当采用AlMg5焊丝时，铝合金/镀锌钢界面区有FeAl₂，Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃等金属间化合物出现，平均厚度为2.64 μm。此时焊缝硬度达到70.4HV，接头最大抗拉强度为178.9 MPa。

目前，熔钎焊工艺在铝/钛异种金属连接方面的研究主要集中在铝/钛对接接头。例如Chen等^[13]通过激光熔钎焊工艺实现了5A06/Ti6Al4V异种合金的对焊。Lv等^[14]采用TIG熔钎焊方法在5A06/Ti6Al4V焊接过程中添加锆中间层，使得铝/钛焊件的力学性能达到5A06铝合金母材的85%。为了提高铝/钛焊件的连接强度，扩大铝-钛复合件的应用范围，有必要对铝/钛搭接形式接头进行研究。目前，采用搭接形式对铝/钛异种金属进行熔钎焊接的研究报道很少。这主要是因为在母材加热过程中，如果没有额外的辅助，液态铝金属不会在钛表面润湿或扩散。为此，本文用锌箔作为中间层，选用AlSi5焊丝作为填充材料，以改善液态铝金属在钛合金表面的润湿情况。通过在焊接过程中向熔池引入合适的合金元素，可以有效改善焊缝组织、硬度以及力学性能^[15-16]。添加合金元素，也是提高异种金属连接质量的重要方向。

本文将铝合金板和钛合金板布置成搭接形式，以TIG焊机作为热源，对母材进行熔钎焊接。厚度为20 μm的锌箔作为中间层，AlSi5线材作为焊丝。采用多组焊接参数对铝/钛进行焊接，通过扫描电镜、金相显微镜、硬度计以及拉伸机对焊件的微观组织和力学性能进行分析。结合实验结果，分析讨论锌中间层对铝/钛焊接接头成形的影响规律。

1 实验本文以Ti6Al4V和5A06合金板材作为待焊板材，用直径1.5 mm的AlSi5焊丝作为填充材料，并选用厚度约20 μm的纯锌箔作为中间层。待焊板材、焊丝及锌箔的化学成分如表 1所示。在焊接试验前，将母材均加工成70 mm×50 mm× 1.5 mm的长方形，用1000^#砂纸去除母材表面的氧化物，并用无水乙醇冲洗，冷风吹干、备用。本文采用的焊接设备是松下公司生产的630BX1钨极氩弧焊机。如图 1所示，铝合金板和钛合金板以搭接的形式进行装配，金属锌箔位于两板材中间。焊枪钨极的中心对准铝合金板边缘，距离铝合金板约2.5 mm。在本文作者前期的研究基础上并参考相关文献，本文选用的主要焊接参数见表 2。

表1(Table 1)
表 1 母材的主要化学成分(质量分数/%)Table 1 Main chemical composition of base materials (wt.%) 母材 V Mn Si Mg Zn Ti Al

Ti6Al4V 3.82 — — — — 余量 5.75

5A06 — 0.63 0.20 6.22 — 0.02 余量

AlSi5 — 0.12 5.05 0.11 0.20 0.12 余量



表 1 母材的主要化学成分(质量分数/%)Table 1 Main chemical composition of base materials (wt.%)


图 Figure1(Fig.Figure1)
图 1 焊接示意图Fig.1 Schematic diagram of welding process


表2(Table 2)
表 2 主要焊接参数Table 2 Main welding parameters 电流/A 氩气流速/
(L·min^-1) 焊枪移动速度/
(m·min^-1) 填丝速度/
(m·min^-1) 电弧长度/
mm

60~100 12 0.25 0.7 2.5



表 2 主要焊接参数Table 2 Main welding parameters


焊接试验完成后，在焊件中间区域沿垂直焊缝方向切取试样，分别进行微观组织观察和力学性能检测。进行微观组织观察的样品依次用400^#、1000^#砂纸打磨，随后用金刚石研磨膏抛光，并用无水乙醇清洗，最终风干后放入扫描电镜观察(JSM-6301F)。采用维氏硬度计(VOK，SCV-10)对焊缝区域的显微硬度进行检测，检测点间隔50 μm，保压时间10 s，载荷为300 g。图 2为拉伸样品示意图，拉伸速度2 mm/min。为了减小测试误差，每组焊接参数选择5个样品进行检测，最后求平均值。

图 Figure2(Fig.Figure2)
图 2 拉伸样品示意图(单位: mm)Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen


2 结果与分析2.1 焊缝形貌图 3为典型的焊缝形貌图。本文采用TIG焊机作为热源，在焊接过程中，焊丝、锌箔以及铝合金板会受热熔化，最终冷却形成熔焊区。而钛合金板具有较高的熔点，基本不熔化，固态的钛合金板和熔池金属发生冶金反应，最终冷却形成钎焊区。为了探究中间层锌箔对液态铝金属在钛表面润湿性能的影响，本文设置了对比试验。

图 Figure3(Fig.Figure3)
图 3 典型焊缝形貌Fig.3 Typical weld morphology: (a) without zinc foil; (b) with zinc foil


如图 3(a)所示，焊接电流选取90 A时，对于没有添加锌箔的焊缝，熔池金属在钛合金表面润湿情况较差，润湿角θ=69°。图 3(b)的结果表明，在铝合金和钛合金中间放置一层金属锌箔，可以显著改善焊缝成型，此时润湿角减小到32°。上述实验结果表明，锌箔可以有效改善铝/钛搭接接头的成型特征，改善其润湿性，有利于提高焊件的力学性能。锌箔对润湿性的影响主要是因为，在铝-锌箔-钛焊接过程中，电弧热量促使锌箔熔化并部分蒸发，气态锌随即溶解在液态熔池中，从而在固液界面区域建立相对真空。考虑到保持系统压力平衡的趋势，气-液界面张力随着外部压力的增加而减小。基于Young-Dupre方程，润湿角θ减小，使得熔池金属的润湿性增强。

2.2 熔焊区形貌特点图 4为焊接热输入对焊缝形貌的影响。由图 4(a)可以看到，当焊接电流选取60 A时，熔焊区可以观察到大量弥散分布的金属相。通过扫描电镜点能谱测试，证实弥散相是金属锌。结合热输入分析可以推断，此时热输入量过低，锌箔熔化后未能充分扩散到整个焊缝区，因此在某些区域集中分布。

图 Figure4(Fig.Figure4)
图 4 焊接热输入对焊缝形貌的影响Fig.4 Influence of welding heat input on weld morphology


由图 4(b)可以看到，焊接电流增加到90 A时，熔焊区有棒状金属间化合物生成。通过能谱分析可以确定，此时有TiAl₃金属间化合物生成(表 3)。随着热输入的持续增加，棒状金属间化合物的数量急剧增加，如图 4(c)所示。有文献表明^[14]，过度生成金属间化合物，会降低焊缝力学性能，这一点将在后文被证实。

表3(Table 3)
表 3 点能谱测试结果(原子分数/%)Table 3 EDS test results (at.%) 位置 Zn O Ti Al

P1点(图 4) — — 27.2 72.8

P2点(图 4) — — 25.5 74.5

P3点(图 6) 94.8 5.2 — —

P4点(图 6) 96.7 3.3 — —

P5点(图 6) — — 23.6 76.4



表 3 点能谱测试结果(原子分数/%)Table 3 EDS test results (at.%)


图 5为熔焊区锌元素的面能谱分布图。由图 5可以发现，焊接电流为60 A时，锌元素在部分区域聚集。当焊接电流增加到90 A，热输入的增大使得锌元素均匀扩散到焊缝区。锌元素面能谱分布结果与熔焊区微观组织形貌分析结果一致。

图 Figure5(Fig.Figure5)
图 5 熔焊区锌元素的面能谱分布图Fig.5 Surface energy spectrum distribution of zinc in fusion zone


2.3 钎焊区形貌特点铝/钛焊件钎焊区的微观特征如图 6所示。当采用低热输入，铝/钛界面无清晰、完整的反应层生成。

图 Figure6(Fig.Figure6)
图 6 铝/钛焊件钎焊区的微观特征Fig.6 Microscopic characteristics of brazing zone of Al/Ti weldments


如图 6(a)所示，此时可以在铝/钛界面区域发现颗粒状物质，根据能谱分析结果(表 3)，可以判定颗粒状物质是熔化的锌。颗粒状锌的生成主要是因为过低的热输入，不能使锌充分熔化并扩散到焊缝中。将电流调节到90 A，热输入的增大使得钎焊区有连续的反应层生成，如图 6(b)所示。对图中反应层区域进行点能谱分析，结果见表 3。由表 3点能谱分析结果基本可以判定，此钎焊区反应层是TiAl₃相。由Ti-Al二元相图可知，TiAl、TiAl₃和Ti₃Al的3种金属间化合物可以生成并稳定存在于接头中，但由于TiAl₃的生成自由能远低于Ti₃Al和TiAl，因此，接头焊缝区有TiAl₃相优先形成。如图 6(c)所示，热输入继续增大，钎焊区反应层的厚度增加，但此时有严重的裂纹缺陷出现，严重破坏了焊件的可靠性。裂纹的出现，主要是由于过大的热输入促使Ti-Al元素间充分反应，生成大量的Ti-Al金属间化合物。在焊后快速冷却过程中，这些金属间化合物会引起较大的残余应力，最终导致裂纹出现。由上述实验结果可以发现，选用合适的焊接参数，既可以保证焊缝区发生充分的冶金反应，提高焊件强度，又可以避免夹杂、裂纹等焊接缺陷生成。

2.4 硬度测试分别沿焊缝水平方向和垂直方向进行显微硬度测试，结果如图 7所示。由图 7(a)可知，在焊缝垂直方向上，钎焊区的硬度值最高，达到了173HV，远高于熔焊区。钎焊区硬度值的升高，主要是因为此区域有脆硬的Ti-Al金属间化合物生成。图 7(b)表明，在焊缝水平方向上，熔焊区有较高的硬度值，且硬度值波动大。结合前文中的微观组织分析可以推断，此区域硬度值的变化，也是由棒状Ti-Al金属间化合物生成引起的。

图 Figure7(Fig.Figure7)
图 7 铝/钛焊件显微硬度测试结果Fig.7 Microhardness test results of Al/Ti weldment: (a) vertical direction; (b) horizontal direction


2.5 拉伸性能对不同焊接参数的拉伸样进行多次常温拉伸测试，并计算平均值，得到图 8。从图 8可以发现，添加锌箔会显著提高铝/钛接头的力学性能。当焊接电流取60 A时，未添加锌箔的接头，其抗拉强度为63 MPa，而添加锌箔后抗拉强度达到112 MPa。随着焊接电流的增加，铝/钛接头的抗拉强度逐渐增大。对于添加锌箔的接头，当焊接电流为90 A时，此时铝/钛接头成型良好，铝/钛界面有连续的反应层生成，最大抗拉强度达到227 MPa。但是当焊接电流增加到100 A时，接头钎焊区的金属间化合物层会有裂纹出现，导致抗拉强度大幅降低。

图 Figure8(Fig.Figure8)
图 8 拉伸性能测试结果Fig.8 Tensile property test results


图 9表明，当焊接电流取60 A时，由于热输入不足，接头断裂发生在钎焊区。当焊接电流取90 A时，热输入的增加使钎焊区发生了充分的冶金结合，断裂最终发生在接头熔焊区。

图 Figure9(Fig.Figure9)
图 9 典型接头断裂位置(有锌箔)Fig.9 Typical joint fracture location (with Zn foil)


3 结论1) 锌箔可以改善液态铝合金在钛合金表面的润湿性，润湿角由69°减小到32°。

2) 焊接电流偏低时，熔焊区能够观察到弥散分布的锌元素；焊接电流为90 A时，熔焊区有棒状TiAl₃金属间化合物生成；继续增大电流，TiAl₃相的数量急剧增加。

3) 焊接电流为90 A时，钎焊区有连续的TiAl₃金属间化合物层出现，这是实现铝/钛异种金属连接的关键。电流增大到100 A，TiAl₃层有裂纹出现。

4) 硬度检测结果表明，TiAl₃相的出现会提高显微硬度。

5) 焊接电流为90 A时，铝/钛接头有最大抗拉强度227 MPa。


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