钛铝双面冷弧MIG组合熔钎焊接头组织和性能

钛/铝双面冷弧MIG 组合熔钎焊接头组织和性能
宋琳玲， 魏守征， 李志勇， 张英乔
(中北大学，金属凝固控制与精确成形山西省重点实验室，太原，030051)
摘要： 采用SAl5183焊丝对TA2钛和5A06铝合金进行了双面冷弧MIG 组合焊接. 对接头厚度方向不同位置的Ti/Al 界面组织特性进行了分析；并对接头抗拉强度进行了测试. 结果表明，试验工艺获得的接头中，钛与焊缝形成了平直的结合界面，界面处未发现剥离、裂纹等缺陷. 受焊接热输入影响，形成两种不同的Ti/Al 界面：接头中上部钛与焊缝之间形成了Ti 3.3Al ，TiAl 3双层结构，其它位置仅形成一层牙状TiAl 3；所形成的界面反应层在接头中上部最厚，底部最薄. 拉伸测试中，接头多断裂于Ti/Al 界面附近，所获接头最高抗拉强度可达355 MPa .
创新点： 相较于钛/铝单面焊接，双面冷弧MIG 组合焊明显改善了接头根部的Ti/Al 界面特性；揭示在双面冷弧MIG 组合焊工艺下，焊缝与钛为钎焊结合，焊缝与铝为熔焊结合，接头呈熔钎焊结合机理.关键词： 钛合金；铝合金；双面组合焊；显微组织；力学性能
中图分类号：TG 457.19 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .20201019001
0 序言
钛/铝异种金属的焊接结构同时兼有钛合金与铝合金的优点. 但是钛、铝高温下活性较大，且二者之间的物化、机械性能存在较大差别，因此钛/铝异种金属熔焊焊接性差，焊接区容易产生焊接缺陷
[1-3]
，导致接头强度不能满足要求，使得钛/铝异种
金属的复合结构的应用存在较大的限制.
国内外对实现钛/铝异种金属的可靠焊接进行了大量的试验. 目前主要采用钎焊、激光焊，MIG 焊接等方法. 文献[4]采用AlSi5焊丝对Ti-2Al-Mn 钛和1060铝进行脉冲气体保护焊. 研究了焊接热输入对Ti/Al 界面的组织结构的影响. 发现金属间化合物层的形貌与热输入相关；热输入越高，产生的金属间化合物越复杂. 文献[5]对不同焊接热输入下获得的Ti-2Al-Mn 钛/1060铝接头的连接机理进行了研究，并对结晶过程和Ti/Al 界面的形成进行了讨论. 揭示了不同热输入下Ti/Al 界面金属间化合物形成机理. 文献[6]则对Ti-2Al-Mn 钛/1060铝接头的微观组织特性进行了深入分析. 发现邻近Ti/Al 界面形成了多层状Ti-Al 过渡区，该区域
的显微硬度高于钛侧热影响区. 文献[7]使用AlSi5焊丝对TA2钛和6061-T6铝通过冷金属过渡工艺以搭接的形式连接在一起. 结果发现，不同的钛/铝异种金属搭接方式可以得到不同组织及性能的接头. Al–Ti 接头(顶部Al6061-底部TA2)的组合得到的接头性能最佳. 文献[8]采用外加轴向磁场耦合CMT 钎焊进行TA2钛和6061-T6铝的焊接，结果表明，磁场强度和频率对接头的显微结构及机械性能产生了影响. 一方面细化了晶粒，减少了金属间化合物，提高了硬度；另一方面却可能导致焊接过程不稳定. 文献[9]采用AA4043焊丝对AA6061铝和Ti6Al4V 钛进行旁路分流MIG 搭接熔钎焊，结果发现，旁路电流减少了母材上的热输入，并且改变了熔化焊丝的过渡方式，得到了可靠的焊接接头；金属间化合物层尤其是TiAl 3层，随着热量输入的增加而增加. 文献[10]采用Al-Mg5焊丝对Ti6Al4V 钛与5A05Al 铝进行了冷弧MIG 对接，虽然通过合理工艺设计得到了可靠的焊接接头；但发现Ti/Al 界面的组织结构受焊接热输入分布的影响，界面结合存在不均匀性. 文献[11]采用SAl 2319焊丝对Ti-6Al-4V 钛和Al-6.25Cu 铝进行了冷金属过渡焊接，分析了接头中各组织的结晶顺序对接头性能的影响. 发现在钛侧预沉积铝涂层更适合Ti/Al 异种合金的焊接. 以上研究证明了钛/铝异种金属单面MIG
收稿日期：2020 − 10 − 19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51805492)；山西省自然科学基
金资助项目(201801D221149).
第 42 卷 第 2 期2021 年 2 月
焊 接 学 报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol .42(2):63 − 68February 2021
焊接的可行性. 但单面MIG焊接试样背面成形相对较差，且在接头厚度方向上界面组织差异较大，可能影响接头的性能.
与单面焊相比，双面复合焊具有利用双面热源的协同(能量、位置)效应，灵活调控焊缝成形和Ti/Al界面特性；背面同步加热促进液态金属润湿铺展，改善焊缝背面成形；双面加热利于降低焊接热输入，减少IMCs的生成，降低焊接应力等特点.因此双面焊利于实现Ti/Al界面结构均匀化和提高熔钎焊接头性能. 近年来部分研究者采用双面焊方法进行了钛与铝的焊接尝试. 文献[12]对5A06铝和Ti6Al4V钛进行了MIG/TIG双面电弧熔钎焊，在相同的焊接热输入下进行了单面MIG焊作为对照. 焊后对接头的成形、微观结构及抗拉强度进行了分析. 结果发现，双面焊工艺下，背面焊缝成形得到了明显改善，且金属间化合物层更薄而均匀，接头的平均抗拉强度可达250 MPa. 文献[13-14]采用双面激光复合焊对AA6056铝与Ti6Al4V钛进行了熔钎焊，改善了Ti/Al界面特性，焊缝的宏观形貌、微观结构及抗拉强度均得到了优化. 上述研究表明，双面焊在进行钛与铝的焊接方面具有明显技术优势. 然而截止目前，未检索到钛与铝双面MIG 组合焊的相关文献.
文中选择SAl5183焊丝，采用双面冷弧MIG 组合焊方法对TA2钛和5A06铝进行了焊接研究，对接头的宏观成形、微观组织与结构、力学性能以及断裂机理进行了分析.
1 试验方法
试验采用TA2钛和5A06铝合金作为母材，尺寸均为100 mm × 150 mm × 3 mm. 选用ϕ1.2 mm 的SAl 5183 (Al-Mg5)焊丝作为填充金属. 试验母材及焊丝化学成分见表1. 焊前对TA2钛使用钢丝刷进行充分打磨后使用40% HNO3溶液酸洗3 min，对5A06铝合金在40～70 ℃下进行6%～10% NaOH 溶液碱洗3 min，然后采用40% HNO3溶液酸洗3 min，最后用无水乙醇冲洗并室温晾干.
表 1 试验材料及焊丝名义化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of base metals and welding wire 试验材料Si Fe Cu Zn Mn Mg Ti Al C N O H TA2钛≤ 0.30余量≤ 0.10≤ 0.05≤ 0.25≤ 0.015 5A06铝合金≤ 0.50≤ 0.50≤ 0.10≤ 0.200.3 ~ 0.64.8 ~ 5.5余量
SAl51834.5 ~ 6.0≤ 0.80≤ 0.30≤ 0.10≤ 0.05≤ 0.05≤ 0.20余量
试验对钛/铝异种金属进行冷弧MIG熔钎焊时采用的焊机为德国EWM全数字逆变控制自动冷弧焊机，选用脉冲冷弧焊(pulsed cold arc welding)模式，进行钛与铝双面冷弧MIG组合对接焊. 为增大钛母材与熔融金属的接触面积，在钛母材单侧开35°坡口. 具体焊接参数见表2. 正面焊接时采用双面惰性气体保护(正面采用Ar+He (20%)，气体流量为20 L/min；背面采用Ar (99.999%))进行保护.正面焊后，在焊缝背面开深度0.5 mm的45° V形槽，再进行背面冷弧MIG焊接；焊接时采用Ar (99.999%)进行单面保护，气体流量为15 L/min.
焊接结束后，采用扫描电子显微镜、能谱仪以及X射线衍射对显微组织及相结构进行分析；采用万能力学试验机对试样进行拉伸力学性能测试.
2 试验结果
2.1 钛/铝熔钎焊接头成形
焊接接头正、背面宏观形貌如图1所示. 焊缝正、背面均成形良好，正面焊缝宽度约为8 mm ± 1 mm，背面焊缝宽度约为7 mm ± 1 mm，焊缝表面连续致密，未发现表面气孔、裂纹等宏观缺陷.
分析认为，正、背面焊缝在焊接参数不同的情况下宽度相近的原因在于：背面焊接时，虽然焊接热输入较小，焊丝熔化体积较小，但背面开V形槽较浅，熔融的液态金属更多地铺展在母材表面溢
表 2 双面MIG组合焊焊接参数
Table 2 Welding parameters of double-sided MIG welding
焊接位置焊接电流
I/A
焊接电压
U/A
焊接速度
v/(m·min−1)
热输入
E/(kJ·cm−1)
正面7916.80.71.14
背面5116.90.70.74
64焊 接 学 报第 42 卷
出，形成的焊缝宽度与正面焊缝相近. 母材表面存在少量飞溅颗粒. 分析认为，钛母材在焊前开35°坡口，在焊接过程中焊丝对中，导致焊丝距离铝母材边缘更近，且铝的导电性比钛好，使得焊接电弧偏向铝侧，少量熔化的焊丝金属被气体推出熔池，形成图中所示飞溅.
接头横截面宏观形貌如图2所示. 钛母材在焊接过程中未明显熔化，与焊缝形成平直的界面结合；铝母材发生了局部熔化，与焊缝形成熔焊结合. Ti/Al界面附近未发现内部气孔、裂纹等缺陷.
TA2 钛熔
合线5A06 铝合金
A
B
C
D
1.5 mm
图 2 Ti/Al接头横截面形貌
Fig. 2 Cross-section morphology of the Ti/Al joint
由于焊前开单侧坡口，钛侧远离电弧中心；且冷弧MIG焊接过程中焊接热输入较小，焊接热循环过程中加热的最高温度未超过钛侧母材熔点，形成了固-液结合的钎焊界面. 铝侧为熔焊结合. 熔融的铝母材与焊缝混合后冷却，形成过渡均匀、成形良好的熔焊区.
2.2 Ti/Al界面组织结构
2.2.1 Ti/Al界面组织特性
为分析接头厚度方向Ti/Al界面组织差异，沿界面选取A，B，C，D 4点进行SEM分析，取点位置
见图2，结果如图3所示.
接头上部A区Ti/Al界面显微组织如图3a所示，钛和焊缝之间形成了一层约1 μm的均匀牙状反应层. 中上部Ti/Al界面形成双层结构，靠近钛侧的是厚度约0.3 μm的均匀反应层，靠近铝侧的是厚度约2 μm的牙状反应层，如图3b所示. 中下
TA2 钛
5A06 铝合金TA2 钛
5A06 铝合金
(a) 正面形貌
(b) 背面形貌2 cm 2 cm
图 1 焊接接头正、背面宏观形貌
Fig. 1 Macro-morphology of the joints. (a) front surfaces;
(b) back surfaces
1 μm
焊缝
焊缝
焊缝
焊缝
A
C
B
TA2 钛
TA2 钛
TA2 钛
TA2 钛
Ti
Mg
Al
Ti
Mg
Al
(a) 接头上部
(b) 接头中上部
(c) 接头中下部
(d) 接头根部
0.5 μm
2 μm
2 μm
TiAl
3
Ti
3.3
Al
图 3 接头Ti/Al界面显微组织
Fig. 3 Microstructures of Ti/Al interface of the joint.
(a) top part; (b) middle-upper part; (c) lower-
middle part；(d) root part
第 2 期宋琳玲，等：钛/铝双面冷弧MIG组合熔钎焊接头组织和性能65
部-拐角区及根部D 区Ti/Al 界面显微组织如图3c ，3d 所示，形成了厚度约0.5 μm 的界面反应层
[10]
.
在正面焊接过程中焊丝对中，电弧对钛侧坡口中上部直接加热，熔融的焊丝沿坡口流向焊缝中下部并逐渐填满焊缝，导致接头中上部即B 区在焊接热循环过程中高温停留时间较长，形成了较复杂的双层界面反应层；而接头上部A 区由于远离电弧中心，仅生成单层界面反应层. 接头中下部C 区及底部D 区在开槽时受正面焊接过程影响的部分被去除，由于开槽较浅，对背面进行焊接时所得C 区及D 区形成厚度相近的反应层. 由于背面使用的焊接热输入较小，虽然焊缝根部D 区的受热过程及形成的界面反应层结构与A 区相似，但焊接热循环中最高加热温度更低且高温停留时间更短，因此形成的界面反应层厚度较薄.
2.2.2 Ti/Al 界面结构
为分析Ti/Al 界面物相组成，对接头横截面进行X 射线衍射(XRD)分析，结果如图4所示. 焊接区除 Ti ，Al 外，产生了Ti 3.3Al 与TiAl 3相. 分析认为焊接过程中，钛与焊缝之间通过化学反应，形成了冶金结合.
Ti Al Ti 3.3Al TiAl 3
3 0002 5002 0001 5001 000500010
20
30
40506070
80
90
衍射角 2θ/(°)
图 4 接头横截面XRD 分析
Fig. 4 XRD patterns of the joint cross-section
根据显微组织分析，接头中存在两种Ti/Al 界面，对两种界面进行EDS 元素分析，取点位置如图3a , 3b 所示，结果如表3所示. 在接头上部及中下部，仅形成一层牙状结构，根据A 点元素分析，Ti ∶Al 原子百分比约为1∶3，推测产生的金属间化合物应为TiAl 3. 横跨界面做元素分布分析，结果如图3a 所示，确认界面仅形成了一层TiAl 3.
焊接过程中，焊缝上部及中下部热输入相对较低，最高加热温度超过TiAl 3的反应温度(571.3 ℃)，由于TiAl 3具有(D o22)斜方晶体结构，优先按最大密排方向生长，形成了图中所示的牙状结构.
在接头中上部，钛与焊缝之间形成了双层结构.根据B 点元素分析，Ti ∶Al 原子百分比约为3∶1，结合XRD 分析结果，推测该反应层应是金属间化合物Ti 3.3Al ；根据C 点元素分析，Ti ∶Al 原子百分比约为1∶3，推测应是TiAl 3. 横跨界面做元素分布分析，结果如图3b 所示，界面处元素强度均发生了两次梯度变化，确认界面处形成了Ti 3.3Al ，TiAl 3两层金属间化合物.
接头中上部受焊接电弧的集中加热和过热熔滴的直接加热作用，焊接热输入相对较大
[12]
. 高温
下，活性元素
Al 向钛中发生了大量扩散，形成过固溶α-Ti (Al)，在随后的冷却过程中，Al 在钛中的固溶度下降，发生固相转变，即
在近钛侧形成一层均匀的金属间化合物Ti 3.3Al ；扩散溶解至固-液界面处的Ti 通过与液态金属发生反应(1)形成一层牙状TiAl 3.
2.3 力学性能及断口分析
进行拉伸试验时，横向截取名义尺寸为20 mm ×10 mm × 2.5 mm 的钛/铝组合焊接头试样，并保留焊缝余高. 拉伸获得的应力-应变曲线如图5所示.在试验条件下，获得的Ti/Al 接头最高抗拉强度可
表 3 EDS 元素分析结果(原子分数，%)
Table 3 Results of EDS analysis for regions A-C
位置Al Ti Mg V A 71.1027.281.030.59B 24.3475.400.260.00C
73.25
26.42
0.30
0.03
4003002001000
024
6810121416
应变 ε (%)
图 5 拉伸应力-应变曲线
Fig. 5 Stress-strain diagram for tensile testing
66焊 接 学 报
第 42 卷
达355 MPa ，与先前单面焊研究相比，接头力学性能得到显著提高[10]
.
双面冷弧MIG 组合焊条件下接头力学性能提
高的原因有
[12]
：采用组合焊方式明显改善了接头背
面成形，背面焊缝与钛母材过渡平缓，应力集中度较小，拉伸过程中不容易发生应力集中开裂. 根据前文显微组织分析，与单面焊研究相比，组合焊过程中正、背面焊接均采用较小的焊接热输入且焊丝对中，在减小残余应力的同时减小了钛侧坡口面上的热输入分布差异，从而减小了接头厚度方向上Ti/Al 界面的组织差异. 与先前单面冷弧MIG 焊研究相比，接头根部金属间化合物层厚度相对较大且均匀，与钛形成了良好的界面冶金结合，提高了接头的可靠性.
接头拉伸断裂位置如图6所示，在试验条件下，接头均断裂于Ti/Al 界面附近，呈Ti/Al 界面 +焊缝混合型断裂方式：接头上部及中部断裂于Ti/Al 界面处，接头根部断裂于焊缝中.
6 mm
5A06 铝合金
断裂位置
TA2 钛图 6 拉伸样品断口位置
Fig. 6 Fracture position of tensile sample
接头断口形貌如图7所示，断面以脆性断裂为主，接头根部存在局部韧性断裂区，如图7a 所示.接头断口大部分区域(约占80%的面积)，断面平整，呈河流状花样，属于典型的解理断裂，如图7b 所示
[11]
；接头根部区域断面粗糙，存在大量的撕裂
棱和韧窝，呈韧性断裂特征，如图7c 所示.
钛侧正、背面坡口相交的尖角处应力集中度大，拉伸过程中首先产生微裂纹并向两侧扩展. 根据前文显微组织分析，钛与焊缝通过形成Ti-Al 金属间化合物反应层形成界面结合. 界面反应层中的TiAl 3具有D o22斜方晶体结构，与hcp 结构的钛及fcc 结构的铝基焊缝晶格错配度大，结合相对较弱. 在拉伸应力作用下，裂纹优先沿Ti/Al 界面延伸扩展. 因此，接头主要断裂于Ti/Al 界面处，呈脆
性断裂. 接头背面焊缝余高较大，与钛母材搭接长度较大，裂纹在Ti/Al 界面处扩展受到阻力偏转进入背面焊缝，最终接头根部局部于焊缝中. 焊缝主要由α-Al 晶粒组成，韧性较高，断裂时形成大量的韧窝和撕裂棱.
3 结论
(1)采用双面冷弧MIG 组合焊方法，填充SAl 5183焊丝，实现了TA2钛/5A06铝合金的熔钎焊.焊接接头正、背面焊缝成形良好，未发现表面裂纹、气孔等焊接缺陷.
(2)与单面MIG 焊接研究相比，双面冷弧MIG
250 μm
30 μm
30 μm
接头根部
接头上部
C
B
(a) 宏观形貌
(b) 接头中上部
(c) 接头根部
图 7 接头断口形貌
Fig. 7 Fractography of the joint ：(a) global view ；(b) mi-ddle-upper part ；(c) root part
第 2 期宋琳玲，等：钛/铝双面冷弧MIG 组合熔钎焊接头组织和性能
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组合焊接头在厚度方向上Ti/Al 界面组织差异较小，接头中上部钛与焊缝之间形成了Ti 3.3Al + TiAl 3双层结构；接头上部及根部形成TiAl 3单层界面反应层.
(3)双面冷弧MIG 组合焊接头在拉伸测试中，接头上部及中部断裂于Ti/Al 界面附近，呈脆性断裂特征；接头根部断裂于焊缝内部，表现为韧性断裂. 所获接头最高抗拉强度可达355 MPa .参考文献
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[14]第一作者：宋琳玲，硕士；主要从事先进材料的特种连接研究；Email ：***********************.
通信作者：魏守征，博士； Email ：***********************.
（编辑： 李帅）
68焊 接 学 报第 42 卷
hard threshold compromise method；denoise
Microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy fabricated by CMT-wire arc additive manufacturing ZHANG Shuaifeng1,2， LV Yifan2， WEI Zhengying1， JIANG Peng2， PENG Hui2， CUI Yongjie2 (1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China；2. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang, 471039, China). pp 56-62
Abstract:The microstructure, mechanical properties and anisotropy of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy made by CMT-Wire Arc additive manufacturing(CMT-WAAM) were studied. The as-built microstructures exhibit irregular polygons prior β and grain boundary α. This technology can refine the grains, and no columnar prior β grain morphology is observed. No martensite phase was discovered. The tensile strength in both directions have reached the standard requirements of the same level forging. No obvious texture is observed, and the anisotropy in tensile behavior is not obvious. There is no obvious texture and anisotropy in the manufactured structure. The ductility in transverse specimens was limited by the presence of lack-of-fusion porosity. The impact toughness of x and z direction is not less than 65 J. The impact fracture is typical ductile fracture,which consists of a large number of dimples.
Highlights: (1) For the first time, CMT process was used to realize the manufacturing of Ti6321 titanium alloy additive manufacturing, and the tensile properties and impact properties reached the same level of forging standards.
(2) Attributing to the control of CMT process in additive manu-facturing, the throughly columnar grains were prevented, and the anisotropy was reduced significantly.
Key words: CMT；wire arc additive manufacturing；micro-structure；mechanical property；anisotropy
Microstructure and properties of Ti/Al joint using double-sided cold arc MIG welding-brazing SONG Linling，WEI Shouzheng， LI Zhiyong， ZHANG Yingqiao (Shanxi Key laboratory of Controlled Metal Solidification and Precision Manufacturing, North University of China, Taiyuan, 030051, China). pp 63-68
Abstract:Double-sided cold arc MIG welding of TA2 Ti and 5A06 Al alloy was carried out with SAl 5183 welding wire. The microstructure characteristics of Ti/Al interface in different thickness direction were analyzed and the tensile strength of the joint was tested. The results showed that the bonding interface between titanium and weld was sharp and clear, no porosity and cracks were found near the interface. Under the influence of welding heat input, two different Ti/Al interfaces were formed: a Ti3.3Al layer and a TiAl3 layer were formed between titanium and weld in the upper part of the joint, only one dentate layer was formed in other parts of the joint. The joints were mostly fractured near the Ti/Al interface during tensile test. The ultimate tensile strength of the joints was 355 MPa.
Highlights: It was found that the double-sided cold arc MIG combined welding significantly improved the Ti/Al interface micro-structure at the root of the joint compared to the single-sided titanium/aluminum welding. It is revealed that under the double-sided cold-arc MIG combined welding process, the weld is combined with titanium by brazing, the weld is com-bined with aluminum by fusion welding, and the joint has a fu-sion-brazed joining mechanism.
Key words: titanium alloy；aluminum alloy；double-sided welding；microstructure；mechanical properties
Welding path planning optimization algorithm for additive manufacturing of typical thin-walled structural parts LI Tianxu， WANG Tianqi， LI Liangyu， YANG Zhuang (Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Laboratory, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China). pp 69-74
Abstract:The rational B-spline curve was introduced to obtain the forming trajectory for the wire arc additive manufacturing of thin-walled parts with complex curved surfaces. Firstly, the contour data were extracted according to the 3D model of the perform and the trajectory curve equation was established, then the forming path was automatically generated. Secondly, the offset of the performance in the z-axis
2021, Vol. 42, No. 2TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION V。