（中国民用航空飞行学院洛阳分院，河南 洛阳 471000）
摘要：综述了钢与钛金属之间的电阻点焊技术在飞机应用上研究现状，分析了它们之间的焊接特点，以及这些异种材料之间的性能差异导致电阻点焊容易出现的各种问题，并展望了今后钢与钛及其合金之间的电阻点焊的研究方向。
关键词：钢；钛；电阻点焊
异种金属焊接能够充分利用各种材料的优异性能，如轻质低密度、比强度、耐腐蚀性、耐磨性、导电性、导热性等，因而在航空行业得到广泛的应用。钢是最常用的异种金属结构材料，具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性及热稳定性较优等。钛金属具有良好的密度低、轻质、耐蚀性、较高的比强度以及在低温下能保持良好力学性能等特点,在飞机上被广泛采用。异种金属之间焊接的困难主要在于，两种材料之间的熔点、密度、导热性、热膨胀性、晶体学特征、机械性能等相差较大。各种焊接方法在焊接过程中会产生不同的物理化学变化,选择焊接方法的目的之一就是要使其适应这种变化,以获得优质接头。近年来,诸多学者分别采用了摩擦焊、扩散焊以及搅拌摩擦焊等固态连接方法对有色金属与钢异种材料进行了焊接,并取得了一定的成果。电阻点焊因具有容易装配、生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点，为钢与钛金属间的连接提供了广阔的研究平台。此外,由于钢与钛之间的电阻率、热导率、熔点、线膨胀系数等物理、冶金性能差异较大,致使它们之间的电阻点焊焊接性较差。为此,它们之间的电阻点焊技术成为许多学者的研究重点。
1.钢--钛间的焊接性及存在的问题
钢-钛焊接的主要问题是两者之间的固溶度较低热物理性能差异较大，钛和钢的主要物理性能参数如表1所示。
表1钛铁的主要化学物理性能参数比较
(1)钛和钢的熔点相差约140℃，熔化焊时不能同时熔化，已熔化的材料容易渗入过热区的晶界，造成低熔点材料的流失、合金元素烧损或蒸发。
(2)物理性能方面：线膨胀系数差异大。铁的线膨胀系数大约是钛的1.5倍。焊接时变形量不同，导致接头产生很大的残余应力。容易导致焊缝区和热影响区产生裂纹，严重时甚至可以导致焊缝与母材的剥离。
(3)热导率和比热容相差较大。材料的热导率和比热容差异会使焊缝金属的结晶条件变坏，晶粒严重粗化，并影响难熔金属的润湿性能。不锈钢的热导率是钛合金的5倍，导致两侧金属受热不均，热输入量产生差异，金属的熔化量也不同，从而影响焊缝金属的成分，影响焊缝质量。
(4)冶金性能方面：互溶性差，易形成脆性金属间化合物。由Ti-Fe相图(图1)可知，钛在882℃时发生相变，高温时以体心立方晶格β-Ti形式存在，温度较低时为密排立方晶格的α-Ti。铁在α-Ti中的固溶度很小，在室温下仅为0.05％-0.1％(质量分数)，在共析温度下不超过0.5％(质量分数)。Fe在β-Ti中的溶解度较高，冷却时铁与钛之间易生成金属间化合物，如TiFe、TiFe2等，使接头的塑性和高温性能变差，焊接质量下降，给二者之间的焊接带来了很大的困难。
图1 钛铁二元相图
(5) 钛和钢在高温下易氧化，氧化产物显著降低焊缝金属的强度和塑性，从而降低接头质量。同时高温下钛易于吸收氢、氧、氮。焊接区容易被这些气体污染而脆化，甚至产生气孔。
由上面的分析可以看出，钛和钢的焊接存在极大的难度，甚至有文献指出，直接熔化焊接钛和钢，得到坚韧不脆断的接头几乎是不可能的。近年来对这一问题的研究几乎涉及到焊接领域的所有连接方法，研究思路都旨在减少或避免接头中脆性金属间化合物的产生。
2钢--钛电阻点焊的研究现状
钛及钛合金的电阻点焊国内外学者研究较多，但是关于钛与钢之间的电阻点焊研究较少。在这里以陈凯等人关于钢钛间电阻点焊研究为例，简单地介绍一下钢钛间电阻点焊工艺及形成的接头组织分析。
陈凯等人采用焊缝高熵化技术路线，设计出TA2/Q235焊接用高熵合金中间层成分，应用急冷快速凝固装置制备出厚约60μm、宽约4mm的Ti5Fe5Al30Ni30Cu30和Ti10Fe10Cr5Ni35Cu40高熵合金箔带，并将其用于TA2/Q235的电阻点焊。
2.1钢钛电阻点焊工艺及接头组织分析
焊前用砂纸打磨去除母材待焊表面的氧化膜，将高熵合金中间层箔带并列平铺于两异种母材的待焊端面之间，装配成搭接接头，在NA-200-4点焊机上进行电阻点焊。点焊工艺参数为：点焊电流为4000~6000A，电极压力为5000N，焊接时间为0.24~0.60s。
试样焊完后沿焊点的横截面制取接头金相试样，用5gFeCl +100mlHCl+100mlH2O浸蚀中间层焊缝2s和4%的硝酸酒精液浸蚀接头约10s，使用OlympusGX-71显微镜观察接头组织。
a.Ti10Fe10Cr5Ni35Cu40中间层TA2/TA2
b.Ti5Fe5Al30Ni30Cu30中间层TA2/Q235
图2 焊缝簇状细晶组织
从图2焊缝簇状细晶组织中看出，高熵合金中间层在界面由于与母材接触电阻通过电流而加热熔化，进而在较短的时间和电极的快速冷却下形成了非常细小而规律的焊缝组织；并且看出在焊缝中有典型的簇状方向细晶，这是因为接触面的不平整，多以点接触为主，相对平面接触有更大的界面电阻，因而熔化更加充分，结晶方向明显，晶粒垂直于焊缝沿电极方向长大。
在图2（a）这个成分中，Fe、Cr、Cu都是β相稳定元素，能形成共析反应，其临界浓度比β同晶元素都低，其中Cu属于活性共析型β相稳定元素，其共析反应速度很快，在一般冷速下，β相能完全分解,使合金具有时效强化能力，提高合金热强性。但是实际过程中,此种点焊接头热强性不是很高，可能高熵合金在熔化过程中并没有充分与母材熔合，合金元素没有充分发挥高熵化作用；在图2（b）这个成分中，热强性更低，原因可能为Al元素含量高,引起合金的晶格结构逐渐由fcc向fcc+bcc转化，甚至形成bcc结构合金,使合金硬度提高，塑韧性下降。热强性不高是相的分配不够合理,在快速熔化和快速冷却过程中并没有使得合金元素按正常元素扩散一样,使得相之间有种固溶态也不均匀,使得耐转变或者相的分解,多以固溶态保留下来，而且耐蚀性大大降低。
2.2两种高熵合金层对接头界面组织的影响
图3为不同高熵中间层的电阻点焊焊缝组织。图3（a）是预置Ti10Fe10Cr5Ni35Cu40中间层TA2/TA2点焊焊缝组织；图3（b）是预置Ti5Fe5Al30Ni30Cu30中间层TA2/Q235点焊焊缝组织。
a b
图3 焊缝组织
从图3中可以从宏观形态看出焊缝与母材中间过渡没有脆硬相和金属间化合物析出，熔合线明显，不存在热影响区；这是因为高熵合金层应有的良好的润湿性和填缝能力，加上快速熔化焊缝而又快速冷却阻止了金属间化合物和碳化物的析出，避免了脆硬相组织导致接头强度下降。但是中间层与母材相互熔合不足，没有形成宏观而明显的熔核，这使得分析焊缝高熵化有一定难度。
结语
由于钢与钛之间存在明显的物理和化学性能方面的差异，在焊接时容易在接头形成金属间化合物，使接头变脆，而界面脆性金属间化合物是制约、甚至主导钛/钢焊接接头力学性能的主要因素。在尝试过的众多焊接方法中，电阻点焊因具有容易装配、生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点，为钢与钛金属间的连接提供了广阔的研究平台。但仍存在焊接质量不稳定，对中间层与母材相互熔合不足等问题。因此，在今后的工作中通过优化焊接参数、中间过渡层的种类等问题来深入研究反应层形成机理，从而减少或避免接头中脆性金属间化合物的产生仍是非常必要的。
参考文献
[1]王廷.张秉刚等.钛/钢异种金属焊接存在问题及研究现状[J].焊接.2009(9):29-33.
[2]祝要民.李青哲.邱然锋等.钛/钢异种金属焊接的研究现状[J].电焊机.2016.46(11):78-82.
作者简介：王楠楠，男，硕士研究生学历，发表论文12篇。
论文作者:王楠楠
论文发表刊物:《知识-力量》2018年8月下
论文发表时间:2018/7/30
标签：点焊论文; 电阻论文; 合金论文; 金属论文; 中间层论文; 组织论文; 化合物论文; 《知识-力量》2018年8月下论文;