附加纯镍过渡层CMT焊接铝/钛异种金属

摘要

【目的】铝/钛异种金属焊接接头能将铝合金与钛合金的优点进行结合，不仅具备低密度、高比强度、耐腐蚀等特性，还具有出色的导电和传热能力，因此在航空、航天、汽车、电子和轮船等多个领域得到了广泛应用。铝/钛异种材料构件的制造在技术上的难点为铝合金与钛合金之间显著的物理化学性质差异和冶金不相容性。直接焊接会在焊缝中产生大量的TiAl₃、TiAl₂、TiAl等脆硬的金属间化合物，易在熔池凝固过程中引发焊接热裂纹。为提升铝/钛异种金属焊接接头性能，本文在焊缝中引入纯镍过渡层，调控焊缝冶金反应，同时降低低熔点母材侧焊接热输入。【方法】选用4 mm厚5052铝合金与Ti₆Al₄V钛合金作为母材，在铝合金焊接端面贴敷0.1 mm厚纯镍条作为过渡层，采用直径1.2 mm的Ti₆Al₄V焊丝作为填充材料，选用CMT焊接方法；经多次参数优化，确定最优焊接参数为送丝速度6 m/min,焊接速度15 cm/min,分别开展使用、不使用纯镍过渡层的对照试验，焊后对接头微观组织及力学性能开展分析。【结果】结果表明，未采用过渡层时焊后无法获得完整有效接头，焊缝中存在未熔合、未焊透等焊接缺陷；凝固阶段高熔点母材生成的树枝晶向低熔点母材内部延伸，形成渗透裂纹。采用纯镍过渡层时，铝/钛异种金属焊后可获得成型完好的焊接接头，宏观检测与微观分析均未检出焊接缺陷；过渡层在焊接过程中完全熔化，焊后原位形成厚度约300μm元素混合区，借助XRD、SEM、TEM等现代分析检测手段，证实该区域发生三元系反应，主要相产物为AlNi₂Ti、NiTi₂、Al₃Ni₂、Al₃Ni;接头拉伸试样均断裂于焊缝区，平均抗拉强度为62 MPa。【结论】采用CMT焊接技术焊接铝/钛异种金属，在铝合金母材焊接端面贴敷0.1 mm厚纯镍带作为过渡层，所得接头无焊接缺陷；过渡层在焊接过程中完全熔化并参与焊缝冶金反应，原位生成厚度约300μm的元素混合区，焊缝中主要的冶金反应及物相在此区域生成。过渡层的引入可有效降低低熔点母材侧热输入，避免焊缝生成大量Ti-Al系脆性金属间化合物而诱发焊接缺陷；相较于未添加纯镍过渡层的焊接接头，采用过渡层后熔池流动性有所提升，焊接板材背面实现焊透。

关键词

铝/钛焊接 / 焊接过渡层 / 异种金属焊接 / CMT焊接 / 镍过渡层 / 熔池反应 / 断口形貌 / 金属间化合物

基金资助

辽宁省自然科学基金项目(2024-BS-096)