合金组元+熔-钎焊耦合调控的钛/铜/钢爆炸复合板对接焊缝冶金结合机理研究

Explosion-welded titanium/steel clad sheet with high strength and excellent corrosion resistance is widely applied in petrochemical industry. However, it is difficult to directly weld such clad sheet due to the thermal-physical mismatching and brittle intermetallics formed. The complicated indirect welding method which is presently applied to join titanium/steel bimetallic sheet has low efficiency and the resulted joints are prone to failure. In this project, the local fusion joining of explosion-welded titanium/copper/steel clad sheet is proposed. By doing so, the control of Ti-Fe brittle phases converses into the control of Ti-Cu and Cu-Fe metallurgical bonding. The Cu-Ti intermetallics in titanium/copper weld are comprehensively controled from the following aspects: the design of Cu-V-X (X=Nb, Ni, Ag) alloy system for transition weld material, the optimization of arc heating condition, and the interface bonding with welding-brazing method. The strengthen-toughening of copper/steel weld is realized by the addition of Ni, Al, Si, Mn alloy components. In this project, the correlation between alloy components, microstructure and mechanical properties of weld metal is explored, the molten pool dynamic behavior and the discipline of microstructure transformation are investigated, and the specifications of filler materials and welding parameters are established. The research results will provide theoretical guidance for joining dissimilar metal laminated clad sheets.

钛/钢爆炸复合板兼有高强度和优异耐腐蚀性能，广泛用于石油化工行业。但钛、钢之间热物理性能差异大且极易发生反应生成脆性金属间化合物，导致钛/钢复合板直接熔焊连接困难，当前主要采用复杂的间接焊接方式进行连接，效率低，接头易失效。本项目提出局部钛/铜/钢爆炸复合板焊接思路，将Ti-Fe脆性相控制转变为Ti-Cu和Cu-Fe之间的冶金连接，并结合多元合金过渡模式调控钛/铜/钢对接焊缝组织和性能，解决当前钛/钢复合板直接熔焊难题。在钛/铜侧，提出Cu-V-X（X=Nb，Ni，Ag）过渡层焊材设计思路，优化电弧加热条件，以熔-钎焊为界面焊合基础，综合调控Cu-Ti金属间化合物的含量与分布；添加Ni、Al、Si、Mn组元，实现铜/钢焊缝强韧化。项目探索焊缝合金组元、微观结构和力学性能之间的依存关系，研究熔池动态变化行为和组织演变规律，建立焊接材料和焊接工艺规范，为异种金属层状复合结构焊接提供理论指导。

钛/铜/钢层状复合板是以低合金钢为基板，工业纯钛为覆板，纯铜为中间层，在炸药爆轰作用下通过高速斜碰撞而实现结合的层状金属复合结构。钛/铜/钢复合板兼有钢的高强度和钛的优异耐蚀性的层状结构材料，然而由于钛和钢之间热物理性能差异大以及极易发生反应生成脆性相，使其焊接加工变得异常困难。因此，实现钛/铜/钢层状复合板的焊接连接为主线，开展复合板焊接过程中微观结构演化过程以及组织调控研究，具有重要的理论和实际意义。.本项目首先通过试验和数值计算对钛/铜/钢层状复合板爆炸焊接过程进行研究。在爆炸焊接过程中，基、覆板之间的剧烈斜碰撞导致界面附近材料发生严重的塑性变形和温度升高，进而造成界面处金属间化合物的生成和界面附近显微组织的演化。研究揭示了复合板界面组织的形成机制，为后面层状复合板的焊接提供了理论指导。.钛/铜/钢层状复合板焊接的难点在于解决Fe-Ti脆性合金相的过渡问题。基于多种合金组元（Cu、V、Nb和Zr）与Fe和Ti之间的冶金反应研究，发现Cu元素可与Ti反应生成多种Cu-Ti金属间化合物，从而抑制了脆性Fe-Ti金属间化合物的生成。在Cu组元基础上通过添加V或Nb形成Cu基复合型焊接材料，更易调控焊缝的组织分布。钛/铜/钢复合板焊缝的成形和连接质量受Cu基过渡层焊接工艺参数的影响。结果表明，Cu基过渡层焊缝高于钛/铜层状复合板界面可有效减少焊缝中Fe-Ti脆性相的生成；选择Cu20V和Cu20Nb这两种合金系作为焊接材料，所形成的焊缝显微组织更加均匀，Fe-Ti金属间化合物的含量也得到有效控制，接头性能明显提高。.在此基础上，借助纳米压痕技术和透射电子显微镜，深入研究了焊接接头典型区域的组织形态和相应的微观力学性能。Cu基过渡层焊缝与底部Fe基体之间以Cu基固溶体为主，硬度较低。Cu基焊缝与两侧界面主要以β-Ti化合物为主，FeTi脆性相固溶于β-Ti中。Cu基焊缝与盖面Ti焊缝之间以Cu-Ti金属间化合物为主，脆性的Fe2Ti金属间化合物弥散分布在Cu基固溶体基体上。宏观力学性能测试结果表明，过渡层焊缝中Cu基固溶体可以有效抑制裂纹的起裂和扩展，脆性相对较低的Cu-Ti金属间化合物可以提高焊缝的抗开裂性能，焊接接头的力学性能与Cu-Ti金属间化合物的分布、含量密切相关。研究结果建立了钛/铜/钢层状复合板焊接接头中材料-组织-性能之间的内在联系和影响规律。