1、Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月钽与不锈钢异种材料焊接的研究进展周永强，冯杉杉，朱政强南昌大学 先进制造学院，江西 南昌 330031摘要：钽具有高密度、高熔点以及耐腐蚀等优良性能，但其价格昂贵，因此，与其他金属连接形成复合构件成为了研究的热点。304L不锈钢因其良好的耐热性、耐蚀性、焊接性、热稳定性以及成型性能成为了目前常见的结构材料之一。因此，首先对钽和不锈钢进行了焊接性分析，随后对国内外钽和不锈钢多种焊接工艺的研究成果进行了综述，比较了不同焊接工艺应用于钽钢焊接的优缺点，最后对钽和不锈钢焊接的
2、未来研究方向进行了展望。关键词：钽；不锈钢；异种金属；焊接工艺；研究现状中图分类号：TG457.1 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0063-08Research Progress of Tantalum and Stainless Steel HeterogeneousMaterial WeldingZHOU Yongqiang,FENG Shanshan,ZHU ZhengqiangSchool of Advanced Manufacturing,Nanchang University,Nanchang 330031,China.Abstract:Tantal
3、um is widely used in electronics and chemical industries because of its excellent properties such as high density,high melting point and corrosion resistance.However,Ta is not only scarce and unevenly distributed in the earths crust,but also more difficult to extract,which directly leads to the expe
4、nsive price of Ta and huge application costs.Therefore,the connection with other metals to form composite components has become a hot spot for research.304L stainless steel has become one of the common structural materials due to its good heat resistance,corrosion resistance,weldability,thermal stab
5、ility and forming properties.This research first of all,Ta and 304L stainless steel weldability analysis,followed by a review of welding methods for Ta and stainless steel in recent years,comparing the advantages and disadvantages of different welding methods,and finally the Ta and stainless steel w
6、elding methods put forward the prospect.Keywords:tantalum;stainless steel;heterogeneous material;welding technology;research status引用格式：周永强，冯杉杉，朱政强.钽与不锈钢异种材料焊接的研究进展 J.电焊机，2023，53（1）：63-70.Citation:ZHOU Yongqiang,FENG Shanshan,ZHU Zhengqiang.Research Progress of Tantalum and Stainless Steel Heterogen
7、eousMaterial WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):63-70.0前言钽（Ta）具有高密度、高熔点、耐腐蚀、良好的高温强度、热加工性和可焊性优良等特点，在航空航天、武器装备、能源化工装备等领域具有重要的应用价值1-4。但金属钽资源贮藏于地壳内，稀少且分布不均匀，加之钽的精炼工艺复杂，导致其应用成本非常高，这极大限制了钽在工程中的应用5-7。我国的制造业用钽主要以进口为主，其价格远远超过普通钢材，1 mm厚钽板价格约为相同厚度不锈钢的100倍、碳钢的1000倍，若与其他金属连接复合构件则可明显降低其应用成本8，减轻结构质量。不锈*收
8、稿日期：2022-09-21基金项目：国家自然科学基金资助项目（51861024）；2021年度江西省技术创新引导类计划项目（科技合作专项）（20212BDH81014）；2021年度南昌大学高价值专利培育项目作者简介：周永强（1995），男，硕士，主要从事激光焊接的研究。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.102023 年钢是目前常见的结构材料之一，在航空航天、压力容器、耐蚀性管道等领域也被视为关键材料9-11。鉴于此，钽钢复合材料在各行业的应用日益增多，也极有可能成为今后钽及钽合金的主要应用方向。钽与钢的理化性能差异较大，且钽在高温下极易与空气中的氧、
9、氮反应形成脆性化合物等因素大大限制了钽钢复合构件的制造12-13，如何制造出优质可靠的钽钢复合构件是亟待解决的难题。国内外的许多研究者针对钽钢复合构件的连接开展了大量研究，采用的焊接方法主要有钎焊、氩弧焊、扩散焊、爆炸焊、电子束焊和激光焊等。本文综述了现阶段针对钽钢复合构件焊接的研究成果，对各种焊接工艺应用于钽钢连接的优缺点进行了分析总结，以期为相关领域的研究人员提供借鉴和参考。1钽与不锈钢的焊接性分析钽与不锈钢的焊接属于异种金属焊接，其效果除了会受到材料本身理化性能的影响外，还会受两种母材理化性能差异的影响，主要问题如下：（1）Ta和Fe的固溶度很小，常温下Ta在-Fe中的固溶度和Fe在Ta
10、中的固溶度几乎为零，因此在焊接过程中Ta和不锈钢会反应生成金属间化合物，如图1所示。富Fe区在温度1 442 下有共晶反应生成-Fe和TaFe2（）相，1 215 下有共析反应生成-Fe和TaFe2（）相，当Fe含量在49%54%区间内还会生成TaFe（）相。此外，Ta与不锈钢中的Cr元素也会发生反应生成中间相TaCr2和以Cr、Ta为基的固溶体14，这些金属间化合物对于焊接接头都有一定的不利影响，如图2所示。（2）Ta和Fe的物理性能差异大。Ta与Fe的部分热物理参数如表1所示。可以看出，二者在熔点、热导率、线膨胀系数及其他物理性能上都有很大不同。线胀系数不同，将在接头区引起残余应力与变形，
11、容易在焊缝与热影响区开裂，从而影响焊接性；热导率的差异导致焊接过程中钢侧积累热量过多，造成晶粒粗大；两者熔点相差较大，Ta熔点约是Fe的2倍，这导致常规熔焊很难同时熔化Ta、Fe形成熔池，即使勉强形成熔池，也会导致焊缝偏移，难以达到有效结合，导致接头性能不佳15。（3）Ta在常温下性能稳定，而在高温下对氧、氢、氮非常敏感。加热到200300 时会轻微氧化，在500 以上会迅速氧化，吸收空气中的氢和氧形成脆性化合物，从而导致焊接接头性能较差。2钽与不锈钢的焊接工艺2.1钎焊钎焊是异种金属焊接的常用方法。Ta的熔点图1Ta-Fe二元相图Fig.1Ta-Fe binary phase diagram
12、图2Ta-Cr二元相图Fig.2Ta-Cr binary phase diagram表1Ta和Fe的热物理参数对比15Table 1Thermophysical parameters of tantalum and iron15金属TaFe密度/（g cm-3）16.607.82熔点/2 9801 530电阻率（20）/（cm）13.510.1热导率/（W cm-1 K-1）57.5578.20线膨胀系数/（10-6 K-1）6.512.164第 1 期周永强，等：钽与不锈钢异种材料焊接的研究进展高，难以熔化，采用钎焊能够通过添加钎料阻隔Ta、Fe的相互扩散，控制金属间化合物和脆性相的生成，可
13、以有效降低接头连接难度，同时还可缓解Ta和Fe理化性能差异的负面影响。钽钢的钎焊工艺操作简单、成本低廉、设备要求较低，但难点在于钎料的选择及其成分设计。王妮君等人15制备了（Ti37.5Zr37.5Cu15Co10）95V5和Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si钎料，采用真空高频感应钎焊实现了 Ta1 和 0Cr18Ni9 的有效连接。研究发现，在使用（Ti37.5Zr37.5Cu15Co10）95V5钎料时，添加V元素有效促进了钎料与钽的结合，最终焊缝成形饱满致密，剪切强度达到71 MPa，具有良好的力学性能。与其相比，应用Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si钎料的连接效
14、果更好，如图3所示。纪腾飞等人16采用Ni-Cr-Fe-Si-B和Ni-Cu-Ge-Si-B对Ta1与S30408板材进行炉中钎焊研究，分析钎料成分对焊接接头组织与性能的影响。结果发现应用厚度0.3 mm的钎料可有效减少焊缝区FeTa脆性金属间化合物的产生。由于钎料为镍基固溶体，在近Ta1侧形成Ni2Ta相，钎缝中形成Ni8Ta相，近钢侧形成Cr2B相。由此可见，虽然钎焊的温度较低，加工环境也相对较简单，但焊接接头的强度低于母材的平均强度，钎料的种类以及各项物理参数与接头强度密切相关。同时，接头的耐高温性能普遍不如熔焊接头，目前还难以满足航空航天以及压力容易等领域的强度要求。2.2电子束焊电子
15、束焊接目前应用最广泛的是真空电子束焊17，电子束焊接具有能量密度高、焊接热影响区小、真空保护气氛等优点18，经常用于焊接精密零件以及热处理过的零件。Chen等人19研究了Ta-不锈钢电子束焊接接头的组织、缺陷特征和力学性能。研究发现，焊缝区Fe 和 Ta 反应生成脆性 相（Fe2Ta）和 相（FeTa 或Fe7Ta6），这些化合物在靠层状分布，在焊接应力作用下，该区域容易形成微裂纹，如图4所示。Sang等人20对1.5 mm厚的Ta和GH3128钢板进行了异种金属电子束焊接。Ta/GH3128接头的主要缺陷是穿透裂纹和气孔，焊缝显微硬度变化较大，最大值出现在Ta侧熔合线上，接头抗拉强度仅为15
16、0 MPa。为了缓解热裂纹的问题，赵宇星21采用真空电子束焊焊接Ta1与4J34因瓦合金，添加不同厚度的Cu作为夹层，结果表明一定厚度的Cu可以阻止Invar合金与Ta反应生成有害相，如图5所示。分析以上文献成果可知，有害相的产生与Ta/Fe金属材料结晶化学性能差异的关系密切，而Cu中间层的性质介于母材之间，在两种金属焊接时起到了很好的过渡作用。显然，电子束焊有着较小的热影响区以及能够通过添加中间层的方式来避免脆性相的产生，适合用于钽与不锈钢的焊接，然而电子束焊工艺复杂，真空室条件对焊件尺寸和形状有很大限制，目前还无法大面积应用于工业生产22。2.3氩弧焊李臻23利用ANSYS软件对用钽制换热管、Ta/16MnR制管板的管板式换热器的氩弧焊接接头进行数值模拟，得到了4种尺寸组合焊接接头的温度场数值模拟结果。通过对模拟结果分析发现，钽钢复合板的钽层厚度是影响焊接质量的主要因素。图3Ta1/Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si/0Cr18Ni9高频钎焊接头组织15Fig.3Microstructure of Ta1/Ni-7Cr-5Zr-3Fe-3B-4.5Si/0Cr18Ni9
