基于中间过渡层的钛与不锈钢电阻点焊的研究

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随着现代工业的迅速发展和科学技术的不断进步,对零部件综合性能的要求也越来越高,而单一金属结构件通常很难满足工业生产的需求。钛与不锈钢的焊接结构件综合了这两种材料的优点,既节省了材料,又提高了系统结构的可靠性,因此,钛与不锈钢异种金属的连接将不可避免。但由于钛与不锈钢两者在物理、化学性能方面存在很大差异且焊接中易生成脆性的金属间化合物,严重恶化了接头的力学性能,从而制约了钛与不锈钢的有效连接。  本研究分别采用 Cu、Ni、Nb、Ta等中间过渡层,通过调节焊接参数对纯钛和SUS304不锈钢进行电阻点焊连接。通过拉伸试验对接头进行力学性能试验,探讨了焊接电流、焊接时间及电极压力对熔核尺寸和接头抗剪力的影响,并利用光学显微镜、电子显微镜观察、分析接头微观组织特性及断口形貌,并探讨了焊接参数对界面反应层及接头断裂行为的影响,及界面反应层对接头强度的影响。  实验结果表明,采用 Ni中间层,当焊接电流为10KA时,在 Ni/Ti界面,观察到了网状的 Ti2Ni与α-Ti的共晶组织,其厚度约为6μm,在 SUS304/Ni界面没有观察到新相的形成。接头最大抗剪载荷为5.2kN。采用 Ni中间层对钛与不锈钢进行点焊时,Ni层厚度是一重要影响因素。  采用Nb中间层,当焊接电流为10KA时,在Nb/SUS304界面,观察到了双层结构反应层生成,靠近Nb侧的板状结构为FeNb,而靠近不锈钢侧为Fe2Nb,在 Nb/Ti界面,检测到了 Fe(Nb,Ti)的生成,其厚度约为10μm。接头最大抗剪载荷为6.67kN。接头断面全为层状撕裂,接头破坏发生在不锈钢 SUS304与中间层Nb的界面,检测结果显示,接头破坏与Fe-Ti化合物有关。  采用 Ta中间层,当焊接电流为8KA时,在 Ta/SUS304界面区分别是 FeTa和含Fe量不同的Fe-Fe2Ta共晶组织区,在Ta/Ti界面的Ti内观察到了一个厚度约为8μm的 Ta在α-Ti中的过饱和固溶体区。接头最大抗剪载荷为7.49kN,与Ni和Nb相比,用Ta得到的接头抗剪力是最大的,这主要归功于中间过渡层Ta的使用,抑制了界面反应物的生长,接头性能得到了改善。接头断面为层状撕裂,接头破坏发生在不锈钢与中间层Ta之间。  采用 Cu-Ta中间层,当焊接电流为9KA时,Cu-Ta/Ti界面区观察到了一个厚度约为8μm的致密状金属间化合物层,由 FeTa构成,在 SUS304/Cu-Ta界面观察到厚度大约为10μm的针状反应层,由 Fe2Ti构成。在焊接中部 Ta完全溶解,在焊点外缘部位 Ta只溶解约50%。接头抗剪力最大为4.5kN,相比前者而言,Cu-Ta作中间层,接头抗剪载荷较低,仍需进一步提高。接头断面全为层状撕裂,接头主要从Cu与Ta间破坏。
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