CN102672328B - 应用高熵效应焊接钛与钢的方法及焊接材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用高熵效应焊接钛与钢的方法，在两块钛与钢待焊板材之间放置折叠过的中间层合金箔材，采用电阻点焊方式进行焊接操作，使得界面电阻热熔化中间层合金及局部母材，熔化金属相混融，实现钛与钢的高性能焊接。本发明还公开了上述方法中的中间层合金及其制备方法，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100%，其中Al为20～30%，Ni为35～40%，Cu为35～40%。本发明的方法及其中间层合金，在焊接时与钛及合金钢的匹配性好、焊缝（熔核）为单相fcc固溶体组织，接头综合机械性能显著提高；该中间层合金箔材的制备方法，工艺简单，制作成本低。

Description

应用高熵效应焊接钛与钢的方法及焊接材料

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种应用高熵效应焊接钛与钢的方法，本发明还涉及前述的应用高熵效应焊接钛与钢方法所用的焊接材料及其制备方法。

背景技术

钛及其合金比强度高，耐蚀性能好，是重要的宇航结构材料。但因钛金属价格较高，限制了其进一步的发展应用。钢的价格低廉，具有良好的热电性能及力学性能。在某些情况下，需要兼有钛合金与不锈钢的优良特性的异种材料连接件，如核动力装置中核燃料后处理设备中的某些零件、卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件等，近来又在尝试用作海洋结构件如跨海大桥的桥柱及超大型浮式海洋结构的防腐蚀衬板，衬板几乎都是用钛包覆钢。钛-钢复合结构价格相当于钛材的25~35％。钛-钢复合结构既充分发挥基层和覆层各自材料的优点，也是节约贵金属最好的途径，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面具有明显的社会效应和经济效应，具有广阔的应用前景。

然而，钛-钢复合结构的应用势必涉及到钛与钢的焊接问题。由于钛和钢之间的线膨胀系数、热导率等物理和化学性能存在较大差异，焊接过程中极易形成裂纹，焊缝形成大量硬脆的金属间化合物（TiFe、TiFe2、NiTi、TiCr）及钛与碳生成脆性化合物TiC，焊接接头强度较低。钛与钢的焊接难度较大，钛/钢焊接难题多年来一直未能得到有效地解决，制约了钛-钢复合结构在工程领域的推广及广泛应用。

目前，用于钛/钢焊接的主要方法是熔化焊、压力焊(包括扩散焊和爆炸焊)和钎焊。这几种方法均能将钛/钢焊在一起，但上述方法或因焊接工艺很难控制、或因脆性金属间化合物导致接头性能不佳而使其不能广泛应用于工业生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用高熵效应焊接钛与钢的方法，解决了现有技术或因焊接工艺很难以控制、或因脆性金属间化合物导致接头性能不佳的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种上述方法所使用的焊接材料。

本发明的第三个目的在于提供一种上述的焊接材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种应用高熵效应焊接钛与钢的方法，在两块钛与钢待焊板材之间放置折叠过的中间层合金箔材，采用电阻点焊方式进行焊接操作，实现钛与钢的高性能焊接；所述的中间层合金，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Al为20~30%，Ni为35~40%，Cu为35~40%。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种应用于上述方法的焊接材料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Al为20~30%，Ni为35~40%，Cu为35~40%。

本发明所采用的第三个技术方案是，一种上述的焊接材料的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金

按原子百分比组成，其中Al为20~30%，Ni为35~40%，Cu为35~40%，总的百分比为100%，将上述的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，将上述组分混匀、压实成坯待用；将制成的坯料在真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-8m/s，将上步得到的母合金制备成中间层合金箔材，所制备得到的常规晶态中间层合金箔材厚度为100~200μm，宽3~7mm，长0.5~1.0m。

本发明的有益效果是，该焊接方法属于常规晶态中间层合金电阻焊，方便易行，焊接过程方便易行，焊接对象适应性广；该焊接材料易于加工成型，便于焊接装配，具有优良的强度、韧性、耐腐蚀性等综合性能，不易形成脆性金属间化合物相，易于获得高性能的钛/钢焊接接头；该焊接材料的制备方法步骤简单，容易操作，制作成本低，便于推广。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明应用高熵效应焊接钛与钢的方法是：在两块钛与钢待焊板材之间放置折叠过的中间层合金箔材，（即一定厚度的经过严格成分设定的焊接材料），采用电阻点焊方式进行焊接操作，使得界面电阻热熔化中间层合金及局部母材，熔化金属相混融，其熔融金属处在高熵合金成分范围，凝固后形成具有单相固溶体结构、而无金属间化合物产生的高熵焊接焊缝（熔核），实现钛与钢的高性能焊接。基于中间层合金的熔点高于母材，这种应用高熵效应焊接钛与钢的方法与传统电阻钎料原理不同。

本发明方法所采用的焊接材料（或中间层合金），由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Al为20~30%，Ni为35~40%，Cu为35~40%。该中间层合金本身为常规晶态合金，但经过焊接过程，形成的焊缝金属为Ti-Fe-Al-Ni-Cu等主元高熵合金。上述中间层合金焊后形成的焊缝基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。

在本发明的中间层合金成分中，各化学元素的组成及含量限定理由是：为了提高钛金属与钢焊接接头的综合力学性能，需要获得焊缝金属的化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对具体待焊母材金属钛与钢的成分特点，中间层合金主元选择Cu-Ni-Al三元系常规晶态合金。主要原因有二点：①焊接过程中母材及中间层金属熔化形成熔核、近缝区母材向液态熔核中的溶解不可避免，为预防焊缝产生脆性金属间化合物起见，熔核金属须含有Ti、Fe、Cu、Ni等主元；②通过在中间层合金中添加Al元素，形成高熵合金焊缝，改善焊缝与钛母材的熔合性。

本发明方法所用的常规晶态中间层合金，能使焊缝金属高熵化，其制备方法按照以下步骤实施：

步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金：

按原子百分比组成，其中Al为20~30%，Ni为35~40%，Cu为35~40%，总的百分比为100%，将上述的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，将上述组分混匀、压实成坯待用；将制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-8m/s，将上步得到的母合金制备成中间层合金箔材，所制备得到的常规晶态中间层合金箔材厚度为100~200μm，宽3~7mm，长0.5~1.0m。

使用本发明的中间层合金箔材通过电阻点焊方式，进行钛与钢板材接头的焊接，装配时先将箔材根据需要折叠多层后，置于待焊钛/钢板之间，然后按照常规电阻点焊操作要求对装配好了的接头进行焊接。

使用本发明的中间层合金箔材实施钛/钢板材电阻点焊，与现有点焊工艺操作条件相似，工艺简单，操作方便。

实施例1

依照总的百分比为100%，其中Al 20%，Ni 40%，Cu 40%的数据选取各组分元素含量，并按照上述实施方式制备出厚度为150μm，宽5mm，长0.5m的Al20Ni40Cu40常规晶态中间层合金箔材。应用该合金箔材折叠成数层作为中间层，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约283MPa；应用该合金箔材折叠成数层作为中间层，对TA2与Q235进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约294MPa。

实施例2：

按照上述实施例1的步骤，依照总的百分比为100%，其中Al 25%，Ni35%，Cu 40%的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚130μm，宽5mm，长0.8m的Al25Ni35Cu40常规晶态中间层合金箔材。应用该中间层合金箔材折叠，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约291MPa；应用该合金箔材折叠成数层作为中间层，对TA2与Q235进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约296MPa。

实施例3：

按照上述实施例的步骤，依照总的百分比为100%，其中Al 30%，Ni 35%，Cu 35%的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚110μm，宽5mm，长0.8m的Al30Ni35Cu35常规晶态中间层合金箔材。应用该中间层合金箔材折叠，对TA2与0Cr18Ni9Ti进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约288MPa；应用该合金箔材折叠成数层作为中间层，对TA2与Q235进行电阻点焊，获得焊接接头的拉剪强度约284MPa。

综上所述，本发明的方法及其中间层合金，熔炼及加工性能好，在焊接时与钛及合金钢的匹配性好、焊缝（熔核）为单相fcc固溶体组织，接头综合机械性能显著提高；该种中间层合金箔材的制备方法，工艺简单，制作成本低，便于推广。

Claims (3)

1.一种应用高熵效应焊接钛与钢的方法，其特征在于：在两块钛与钢待焊板材之间放置折叠过的中间层合金箔材，采用电阻点焊方式进行焊接操作，实现钛与钢的高性能焊接；

所述的中间层合金，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Al为20～30%，Ni为35～40%，Cu为35～40%；

所述的中间层合金箔材厚度为100～200μm，宽3～7mm，长0.5～1.0m。

2.一种应用于权利要求1所述方法的焊接材料，其特征在于：由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Al为20～30%，Ni为35～40%，Cu为35～40%。

3.一种权利要求2所述的焊接材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、利用超高真空电弧炉熔配母合金

按原子百分比组成，其中Al为20～30%，Ni为35～40%，Cu为35～40%，总的百分比为100%，将上述的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，将上述组分混匀、压实成坯待用；将制成的坯料在真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-8m/s，将上步得到的母合金制备成中间层合金箔材，所制备得到的常规晶态中间层合金箔材厚度为100～200μm，宽3～7mm，长0.5～1.0m。