某钛合金贮箱为全金属焊接结构，主要由外部壳体和内部管理装置两部分组成。其中，内部管理装置负责在微重力环境下收集和管理液体，以保证向液口排出不带气体的推进剂，供给发动机使用，是贮箱的核心部件。内部管理装置主要由各种收集器、过滤器和通道等组件组成，收集器、过滤器的性能可靠性将直接影响到整个贮箱的可靠性。各种收集器、过滤器形状很多，但基本结构相同，均为骨架、支压板与网片组成，骨架与支压板的材料为TC4，网片材料为00Cr18Ni13不锈钢。解决支压板与网片的连接问题，实际就是解决钛合金板与不锈钢网片异种金属之间的焊接问题。

钛合金与不锈钢属于性能差别特别大的两种材料，焊接难度极大[1-2]，极易产生脆性金属间化合物[3-4]。国内外采用的焊接方法主要有爆炸焊、摩擦焊、钎焊、扩散焊、电子束焊和滚焊[5]。针对不锈钢网片的特殊性，钛合金板和不锈钢网片一般采用滚焊方法进行连接，但滚焊后不锈钢网片断丝率偏高，泡破点合格率都较低。本文主要研究一种小压力、小输入量的滚焊焊接方法进行钛合金板与不锈钢网片的连接，降低不锈钢网片断丝率，提高泡破点合格率。

1、试验材料及设备

试验选用HANSON型号滚焊设备，如图1所示;滚焊所用电极为紫铜电极，如图2所示。试验母材为TC4支压板与不锈钢网片，两种材料的物理性能如表1所示。滚焊后的焊缝要求进行撕裂强度试验，撕裂长度应大于50 mm，焊缝撕裂强度应大于网片强度，撕裂后焊接处的网片残余结合宽度应大于焊缝宽度的60%。

2、钛合金板与不锈钢网片滚焊网片断裂原因分析

表面张力贮箱中滚焊焊缝主要包括直线焊缝与圆形焊缝，如图3、图4所示。由图可知，直线焊缝有4点处于焊缝接缝处，圆形焊缝的起弧收弧位置处于焊缝接缝处，焊缝接缝处至少经过了“2次”滚焊过程。

收集60件泡破點不合格的直线焊缝滚焊产品进行分析，发现其中46件产品在焊缝接缝处发生断丝泄漏，9件产品在焊缝中间位置发生断丝泄漏，3件产品在焊缝中间位置发生未焊合泄漏，2件产品在随机位置发生局部过烧而网片破裂。收集80件泡破点不合格的圆形焊缝滚焊产品进行分析，发现其中63件产品在焊缝起弧收弧位置（接缝处）发生断丝泄漏，10件产品在非收弧起弧位置发生断丝泄漏，1件产品发生未焊合泄漏，6件产品发生局部过烧而网片破裂。具体分析情况如表2所示。

对于滚焊直线焊缝和圆形焊缝，都不可避免的存在着局部位置二次滚焊现象。钛合金和不锈钢滚焊属于异种材料的连接，Ti-Fe二元相图如图5所示，可以看出，Ti和Fe在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，极易形成金属间化合物TiFe、TiFe2和Fe（TiO3），而TC4钛合金与304L不锈钢焊接时情况更复杂，Ti易与Fe、Cr、Ni等元素形成复杂的脆性金属间化合物。

因此，钛合金板与不锈钢网片经一次滚焊时，其接头处必然存在着脆性的金属间化合物，接头脆性相在“二次”滚焊时，若压力过大或者电极接触表面过窄时，极易发生脆性相的断裂而发生泄漏。若能降低滚焊压力，则可能降低滚焊接缝处脆性相的断裂概率。

3、滚焊压力的优选

滚焊是采用一对滚轮电极压紧工件，滚轮转动驱动工件运动，同时滚轮向工件馈送连续或断续的焊接电流，从而产生一个个熔核相互搭叠的密封焊缝的焊接方法。不锈钢网片较薄，为防止过热，通常采用断续电流。

滚焊压力的主要作用为压紧钛合金板与不锈钢网片，若电极压力过高，会使压痕过深，并加速滚轮的变形和损耗;若电极压力过小，易产生缩孔，且易因接触不良导致接触电阻过大，接触面电流突升突降而局部过热。本次试验的目的即是选择能使钛合金板与不锈钢网片紧密接触，不出现局部接触不良现象的最小电极压力。在固定电极速度为2 r/min、保证滚焊焊缝撕裂强度的前提下，研究不同电极压力的压紧效果，具体参数及情况如表3所示，不同压力下典型的滚焊焊缝形貌如图6所示。

滚焊过程产生的热量为[6]：

当滚焊压力较小时（0.01 MPa），不锈钢网片无法与钛合金板紧密接触，在滚焊过程中局部鼓起或者起褶，导致焊点局部区域无法接触，接触电阻过大，滚焊输入能量加大，焊点大而疏，局部区域发生过烧现象。随着滚焊压力的增大，试件接触逐渐紧密，当滚焊压力达到0.08 MPa时，焊缝焊点均匀，成形平整规则。继续增大电流至0.4 MPa，由于压力过大导致局部区域压痕过深。试验可知，0.08 MPa的滚焊压力即能保证产品的紧密接触，因此最终优选滚焊电极压力为0.08 MPa。

4、与小压力匹配的小能量滚焊参数优选

钛合金板与不锈钢网片滚焊断丝问题主要与两方面因素有关，一为滚焊电极压力，二为滚焊能量输入。滚焊电极压力小，可以保证经一次滚焊产生的脆性相受到较小压力的碾压而不脆断，而滚焊能量输入小，则能保证经一次滚焊产生的脆性相在接缝滚焊时受到较小的热压力而不脆断。因此，有效控制滚焊能量输入也至关重要。本次试验的原则即是在小电极压力条件下，采用尽可能小的焊接热输入来使滚焊焊缝达到设计撕裂试验要求。本次试验主要研究焊接电流、焊接速度两个关键滚焊参数。由式（1）可知，焊接电流对焊接能量输入的影响大于焊接速度，因此，优选考虑小电流滚焊技术。

4.1 滚焊电流的优选

结合以往的滚焊经验以及设备的性能，试验固定焊接速度为1 r/min，滚焊压力0.08 MPa，研究滚焊电流分别为800 A、850 A、900 A、950 A、1 000 A时对滚焊性能的影响，具体情况如表4所示。

由表4可知，当焊接电流过小时，热输入量过小，不锈钢和钛合金异种材料之间无法实现有效焊合，焊缝连接强度低。随着焊接电流的增加，板网之间的反应加剧，当达到850 A时，撕裂长度已满足50 mm的设计要求，但残留在钛合金板上的焊缝宽度较窄，此时，焊接热输入量已使两种材料之间发生了冶金反应，但是反应层较薄，焊接强度较低。当焊接电流达到900 A时，滚焊焊缝性能满足撕裂试验要求。继续增大焊接电流，当焊接电流达到1 000 A时，由于焊接热量过大，滚焊焊缝局部出现网片氧化现象，网片氧化导致塑性下降。综上所述，滚焊焊接电流优选900 A。

4.2 滚焊速度的优选

根据前期试验情况，本次试验固定焊接电流为900 A，滚焊压力为0.08 MPa，研究滚焊速度分别为1 r/min、2 r/min、3 r/min、4 r/min对滚焊性能的影响，具体情况如表5所示。

由表5可知，当焊接速度较快时，滚焊热输入量减小，与此同时，焊接热量的散失速度加快，材料之间还未来得及完全反应，能量已经散失，因此出现了滚焊未焊合现象。随着焊接速度的降低，当焊接速度达到2 r/min时，热输入量与能量散失速度基本达到平衡，实现了合格的滚焊焊缝。继续降低焊接速度至1 r/min时，尽管也能实现合格的滚焊焊缝，但是热输入量增大对于脆性反应层是不利的。综上所述，优选焊接速度为2 r/min。

因此，本次试验优选的与小压力匹配的小能量滚焊参数为焊接电流900 A、滚焊速度2 r/min。

5、优选滚焊参数验证

经过试验优选比较，确定的小压力滚焊技术优选参数为：电极压力0.08 MPa、焊接电流900 A、滚焊速度2 r/min。

采用优选的滚焊参数进行了20件撕裂试验的验证，撕裂试验合格率为100%;进行了20件直线焊缝的试验件泡破点试验，合格率为85%;进行了20件圆形焊缝的试验件泡破点试验中，合格率为90%。

6、结论

（1）滚焊焊缝中存在“2次”滚焊过程，钛合金板与不锈钢网片在一次滚焊过程中产生了脆性金属间化合物，在二次滚焊时，在大压力和大能量输入作用下导致网片断裂。

（2）采用较小的滚焊压力和较小的热输入量时，在保证焊缝撕裂试验合格的前提下，可以有效地降低网片断裂概率。

（3）经过试验优选比较，优选出小压力滚焊参数为：滚焊电极压力0.08 MPa、焊接电流900 A、滚焊速度2 r/min。

（4）采用优选的滚焊参数进行直线焊缝和圆形焊缝试验件泡破点试验，合格率分别达到85%与90%。

参考文献：

[1] 孙荣禄，杨文杰，张九海. 钛合金与不锈钢扩散焊接头的组织与性能[J]. 焊接技术，1997（4）：4-6.

[2] Ghosh M，Bhanumurthy K，Kale G B，et al. Diffusion bonding of titanium to 304 stainless steel[J]. Journal of Nuclear Materials，2003（322）：235-241.

[3] Kale G B，Patil R V，Gawade P S. Interdiffusion studies in titanium-304 stainless steel system[J]. Journal of NuclearMaterials，1998（257）：44-50.

[4] He P，Zhang J H，ZHOU R L，et al. Diffusion bonding technology of a titanium alloy to a stainless steel web with an Ni interlayer[J]. Materials Characterization，1999（43）：287292.

[5] 鄒荣莲，刘泽文. 钛合金TC4与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散焊工艺探索[J]. 北京航空航天大学学报，1995，21（4）：45-50.

[6] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册第一卷，焊接方法及设备[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

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