钢与钛合金焊接

钢与有色金属的焊接－3雷永平钢与钛及其合计的焊接特点：钛及钛合金密度小，热膨胀系数小（4.5g/cm-3），道导热性差，摩擦系数大，弹性模量较低，不利于结构的刚度。工业纯钛有很高的化学活性，生成致密氧化膜，在不同条件下(酸、碱、温度)有很好的耐蚀性（500）。强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出的特点是比强度高。因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛应用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切。钢与钛及其合金的焊接1、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钛合金的分类工业纯钛（TA1，TA2，TA3）钛合金钛合金（TA4，TA5，TA6….）钛合金（TB1，TB2….）＋钛合金（TC1，TC2，TC3….）1、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接工业纯钛（TA1，TA2，TA3）Ti在885以下为密排六方——钛合金Ti在885℃以上为体心立方——钛合金Ti在885℃发生同素异构转变纯钛中杂质：H、O、Fe、Si、C、N等O、N、H形成间隙固溶体，Fe、Si等形成置换固溶体，固溶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性下降），但H使钛的冲击韧性急剧下降，氢脆。1、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钛合金钛合金：加入Al、稳定相，中性元素Sn、Zr。加入Al5％，再结晶温度600——800，耐热性提高，减少H的敏感性，过多（7％），Ti3Al相——脆性。钛合金高温强度高、韧性好，抗氧化能力强，焊接性好，组织稳定，但加工性比钛合金和＋钛合金差，不同进行热处理强化，只是600℃——700℃退火消除加工硬化，500℃——600℃不完全退火消除焊接残余应力。钛合金：含有稳定元素，含Mo、V、Cr。通过时效热处理，单一相加工性能良好，但高温性能差，焊接性很差，易于形成冷裂纹，焊接结构中很少用。1、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钛合金α＋β钛合金：两相，含有Al，稳定相，中性元素Sn、Zr，相稳定元素（6％）。具有和相的优点，即高温变形能力和热加工性，又可热处理提高强度。TC4（Ti6Al4V）是广泛应用的＋钛合金，不同热处理下两相比例、性质、形态不同。具有良好的压力加工性和焊接性。1、钛合金特点、分类及性能1、钛合金的特点钢与钛及其合金的焊接国外在20世纪50年代就开始进行研究.美国在1956年第一次对钛与钢直接进行点焊,由于接头发脆没有成功。一般认为铁在α-Ti中溶解度极小,这样在钛-铁焊缝中除了有铁在α-Ti中的固溶体外,还形成了脆性的TiFe型-金属间化合物,这些相的硬度达Hv600,有的甚至到Hv800～1050,致使焊缝发脆,在冷却过程中形成裂纹,TiFe型及TiC等脆性相是导致焊缝开裂的主要原因。为使钛与铁能焊在一起,必须在焊接过程中避免产生这些脆性相,解决这个问题的途径可以归纳为以下几种:(1)用一种与钛、铁两元素能形成连续的或宽范围固溶体的金属来直接进行焊接;(2)用一种或两种与钛、铁两元素有好的可焊性的金属作为中间填料,使钛与钢间接地焊接起来;(3)采用低于钛、铁熔点的焊接方法。钢与钛及其合金的焊接2、钛及钛合金焊接特点111钢与钛及其合金的焊接2、钛及钛合金焊接特点接头区脆化：540以上，氧化膜疏松，与O、N、H等反应快，接头塑性韧性降低。300以上吸H，600以上吸O，700以上吸N，O、高温固溶，强度提高，塑性下降；N会形成脆性相TiN。H是相稳定元素，325发生共析反应：α＋γ（TiH2），片状或针状存在，裂纹源，降低塑性和韧性，焊接中严格控制H来源。钢与钛及其合金的焊接2、钛及钛合金焊接特点接头区脆化：常温时，C在钛中溶解度0.13％，间隙固溶，强度提高，塑性下降。饱和析出TiC，网状分布，塑性降低，焊接裂纹。所以，C0.1％.合金元素：Al、Ni、Si、Nb、Cr、Mn、Mo等。焊接时采用高纯度惰性气体或无氧氟－氯化物焊剂钢与钛及其合金的焊接2、钛及钛合金焊接特点焊接裂纹：熔点高，热容量大，导热性差，形成的熔池大，焊缝和热影响区金属高温停留时间长，晶粒长大，降低接头塑性和韧性，易于产生焊接裂纹。O、H、N多时，焊缝和HAZ变脆，易于产生冷裂纹，延迟裂纹焊缝气孔：氩气、母材、焊丝中O2、N2、H2、CO2、H2O都可以引起气孔其中H是形成气孔的组要气体。措施：加强清理（机械清理和化学清理），缩短焊接时间，良好的焊接工艺等。钢与钛及其合金的焊接2、钛及钛合金焊接特点钛及钛合金密度小，强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出的特点是比强度高。因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛应用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切。钢与钛及其合金的焊接2、钛及钛合金焊接特点图12所示为铁－钛合金状态图。铁在钛中的溶解度极低，焊接时焊缝金属中容易形成金属间化合物FeTi、Fe2Ti，使接头金属塑性严重下降，脆性增加。与不锈钢焊接时，钛还会与Fe、Cr、Ni形成更加复杂的金属间化合物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹、气孔。因此，最好避免采用熔焊方法，尽量采用压焊或钎等方法。2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接铁的比重与线膨胀系数分别为钛的1.7倍与1.6倍,而导热系数更为钛的5.5倍2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接TiFe相是硬脆的金属间化合物,在Ti与Fe组成的合金中,它剧烈地提高合金的强度,但显著地降低塑性。含有0.14%Fe的钛,它的硬度为Hv199,而当含Fe量为2.2%时,硬度则提高到Hv450,δ则相应地从18.5%降低到2.5%。当钛与钢直接熔焊时,焊缝中的含铁量会超过在钛中的溶解度范围,在焊缝中极易形成脆性的金属间化合物。除金属间化合物外,焊缝中还有与金属间化合物形成的低熔点共晶体2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，使焊接区被这些气体污染而脆化，甚至产生气孔。焊接时，加热到400℃以上的区域必须用惰性气体保护。钛及钛合金的热导率大约只有钢的1/6，弹性模量只有钢的1/2。由于热导率较小，焊接时容易引起变形。可以采用刚性夹具、冷却压块、反变形及选用合适的焊接工艺等方法防止和减少变形。焊后应进行退火消除内应力。退火工艺应根据合金牌号、结构形式和应力大小及分布状态诸因素来决定，一般在550～650℃下保温1～4h。退火处理最好在真空或氩握中进行，在空气中热处理的零件要进行酸洗，以清除氧化膜。2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接从钛－钢直接熔焊试样的微观分析及有关文献报道看,要取得塑性的钛－钢直接熔焊接头是不可能的,加中间填料,使它们间接地焊接起来是目前的可行方案。中间填料一般需要具备以下条件:(1)与两种基体(钛及钢)分别有好的焊接性,这是基本条件;(2)要有一定的强度;(3)耐腐蚀性要好。后两个条件可视产品要求而定。2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接铌铜组合作中间填料用铌与铜组合做中间填料,使钛与钢间接地焊接起来,这样就形成钛－铌－铜－钢接头。用的材料是TA5钛板、纯铌板、1Cr18Ni9Ti不锈钢板、10号低碳钢板及青铜板。钛－铌－铜－钢接头本身存在着3组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。钛－铌接头从Ti－Nb二元状态图看,该两元素形成无限固溶体,有很好的互溶特性,不产生脆性的金属间化合物。如果用高纯度合金及焊丝,在保护气氛中进行焊接,将能得到高塑性、无裂纹的钛－铌接头。2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接铌铜组合作中间填料钛－铌－铜－钢接头本身存在着3组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接铌铜组合作中间填料钛－铌－铜－钢接头本身存在着3组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。2、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接铌铜组合作中间填料钛－铌－铜－钢接头本身存在着3组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。（1）钢与钛及钛合金的氩弧焊钢与钛的熔焊主要采用中间过渡层，以避免金属间化合物的产生。过渡层可以采用两种方法：一是采用轧制钢－钛复合板，二是加入中间层。厚1～1.5mm的钛与不锈钢氩弧焊时可采用钽、青铜复合中间层，接头强度σb≥588MPa。也可以采用Ni-Cu合金作为中间层。3、钢与钛及其合金的焊接工艺钢与钛及其合金的焊接（1）钢与钛及钛合金的氩弧焊碳钢、不锈钢与钛焊接时，还可以采用钒作为中间层。先在钢板上加工出一定形状的凹槽，然后在凹槽中焊上钒的中间层，再用氩弧焊（不加丝）把钛板焊在钒中间层上，采用这种工艺接头力学性能好，而且还具有良好的塑性。采用自动氩弧焊焊接Cr15Ni5AlTi不锈钢与钛合金TCl时，可以选用加钨的钒合金作为中间金属层。中间金属层宽度为8～10mm，厚度为1～1.5mm，用直流正接电源，外加氩气保护。焊接电流为70～80A，焊接速度为0.83cm/s。在焊接钒与钢时，钨极要偏向钒一侧1/2钨极直径的距离。焊缝含钒量在6%～12%时，焊接接头的弯曲角可达140º，如果电极偏向钒一侧时，增加钒的熔化量，焊缝中钒的含量可达40%～45%，焊缝金属中形成稳定的β相，弯曲角可达150º～180º。3、钢与钛及其合金的焊接工艺钢与钛及其合金的焊接（2）钢与钛及钛合金真空电子束焊电子束焊焊接能量高、穿透能力强，适合于焊接各种难熔金属，还可实现多种异种金属的直接连接，例如高熔点的氧化材料、钛及钛合金等难焊金属的焊接。钢与钛及钛合金的真空电子束焊的最大特点是获得窄而深的焊缝（1：3或1：20），而且热影响区很窄。在真空中焊接，避免了由于钛在高温中吸收氢、氧、氮而产生的焊缝脆化。在电子束的焊缝中有可能生成金属间化合物（FeTi、Fe2Ti），使接头塑性降低。由于焊缝比较窄，在工艺上加以控制可以减少生成FeTi和Fe2Ti。因此，钢与钛的电子束焊接可以获得良好质量的焊接接头。3、钢与钛及其合金的焊接工艺钢与钛及其合金的焊接（2）钢与钛及钛合金真空电子束焊钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用Nb和青铜作为填充材料，可以获得不出现金属间化合物的焊缝，接头强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现裂纹和其缺陷。如果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚至出现裂纹。这些中间层的合金有V+Cu、Cu+Ni、Ag、V+Cu+Ni、Nb和Ta等，采用中间层的焊接工艺比较复杂，一般应用的较少。钢与钛及钛合金的真空电子束焊之前，必须对钛的表面进行清理，即对端面用不锈钢丝刷或机械加工之后再进行酸洗，用水冲洗干净，其酸洗液见表24。3、钢与钛及其合金的焊接工艺钢与钛及其合金的焊接3、钢与钛及其合金的焊接工艺钢与钛及其合金的焊接表24钛及钛合金酸洗溶液酸洗溶液浸洗时间作用HCl：350mL·L-1HNO3：60mL·L-1NaF：50mL·L-1H2O：余量260mL·L-1酸洗液中室温下3min左右除去氧化膜油污及杂质HF：10%NNO3：30%H2O：60%室温下浸洗1min除去氧化膜油污及杂质（3）钢与钛及钛合金的扩散焊采用真空扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金，一般情况下，多采用中间扩散层或复合填充材料。这些中间扩散层材料一般采用V、Nb、Ta、Mo、Cu等，复合层有V+Cu、Cu+Ni、V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。最常用的中间扩散层金属是Cu。在高温下，Cu与Ti之间产生扩散，而且铜在钛中具有一定的溶解度。此外，加入铜还可以控制碳向钛中扩散，并且钢具有良好的塑性，有助于形成良好的界面。纯铁与TA7的真空扩散焊的工艺参数见表25。几种不锈钢与TA7真空扩散焊的工艺参数见表26。不锈钢（1Cr18Ni9Ti）与钛（TC4）真空扩散焊的工艺参数见表27。3、钢与钛及其合金的焊接工艺钢与钛及其合金的