CN102950390A - 一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构及方法，其所述的在不锈钢管路的内侧为锥体结构，锥角在30°-50°之间；所述的钛合金法兰的外侧为锥体结构，锥角与不锈钢管路的锥角相同；钛合金法兰外侧的锥体结构嵌入不锈钢管路内侧的锥体结构，两者相配合焊接而成。采用本发明所述的焊接方法和焊接结构，钎焊后不锈钢管路因热膨胀系数更大，由高温到常温的降温过程产生的收缩量更大，导致产生不锈钢管路箍住钛合金法兰的内应力，增加管路结构的可靠性，有很好的工程应用价值。

Description

一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构及方法

技术领域

本发明涉及异种金属管路连接结构及方法，具体涉及为一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构及方法。

背景技术

异种金属材料焊接是焊接技术领域中的重要难题，由于异种金属在物理性能、化学性能等方面的显著差异，导致其焊接过程比同种金属要复杂得多，焊接接头质量也难以保证。

钛合金作为一种新型金属材料，具有比强度高（强度/密度）、热强度高、抗蚀性好、低温性能好的特点，在航空航天、海洋、石油等领域常作为高压气瓶、低温气瓶、耐蚀管路的首选材料。

在航空航天领域使用的钛合金贮箱为满足高的贮存压力，选用的材料为TC4钛合金，而与之连接的管路结构为1Cr18Ni9Ti不锈钢合金，如图1所示，因此贮箱的管路结构的接管部件存在钛合金和不锈钢异种金属焊接问题。钛的熔点为1677℃，线膨胀系数为8.2×10^-6K^-1，热导率为13.8W/（m·K）。不锈钢的基体是铁，铁的熔点为1537℃，线膨胀系数为11.76×10^-6K^-1，热导率为66.7W/（m·K）。钛和钛合金的热导率只有钢的1/5，弹性模量只有钢的1/2，因而两种材料直接熔焊时容易产生开裂、变形等焊接缺陷。钛合金与不锈钢异种金属直接熔焊时，由于铁在钛中的溶解度极低，常温下Fe在α-Ti中的溶解度只有0.05%-0.1%左右，当合金含Te量超过0.1%时，将会形成TiFe金属间化合物，TiFe相硬而脆，在高温下还会形成TiFe₂金属间化合物。同时，Ti还与Ni、Cr、C形成更加复杂的金属间化合物和碳化物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹。即使在固态下焊接，由于母材组元的相互扩散和迁移，也会在接合面附近形成一个金属间化合物和碳化物的薄层，从而导致接头脆断。因此，钛合金和不锈钢两种材料的冶金不相容性导致其不能直接熔焊。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明于提供一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构及方法。

实现本发明目的的技术方案：一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构，其所述的在不锈钢管路的内侧为锥体结构，锥角在30°-50°之间；所述的钛合金法兰的外侧为锥体结构，锥角与不锈钢管路的锥角相同；钛合金法兰外侧的锥体结构嵌入不锈钢管路内侧的锥体结构，两者相配合焊接而成。

如上所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构，其所述的钛合金法兰与贮箱箱体或钛合金压力容器相焊接。

本发明所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其包括如下步骤：

（a）在不锈钢管路的待焊接部位内侧加工形成锥体结构，锥角在30°-50°之间；在钛合金法兰的待焊接部位外侧也加工形成锥体结构，锥角大小与不锈钢管路的锥角相同，保证钛合金法兰外侧的锥体结构与上述不锈钢管路内侧的锥体结构相配合；

（b）在不锈钢管路的待焊接部位的锥体结构表面镀镍处理，镀层厚度为10-50μm；

（c）在钛合金法兰的待焊接部位的锥体结构表面包覆一层0.01-0.5mm厚的箔状AgCu钎料；

（d）将经镀镍处理的不锈钢管路与包覆AgCu钎料的钛合金法兰装配在一起，采用真空钎焊的焊接方法焊接为一个整体的管路结构。

如上所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其在步骤（c）的钛合金法兰的待焊接部位的锥体结构表面包覆AgCu钎料前，先进钛合金法兰的表面清除油污、表面酸洗处理。

如上所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其步骤（d）所述的真空钎焊方法具体为，真空度压力小于或等于5×10^-3Pa，钎焊温度为820~870℃，保温时间2~10min。

本发明的效果在于：

本发明针对钛合金和不锈钢冶金不相容不能直接熔焊，钛合金和不锈钢热膨胀系数不一致，直接熔焊后易开裂的问题，设计一种新的钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接的管路结构，把通常不锈钢在内、钛合金在外的焊接结构改为不锈钢在外、钛合金在内的焊接管路结构。

为使钛合金法兰和不锈钢管路有更大更稳定的钎焊结合面，将钛合金法兰和不锈钢管路结合处设计为锥体结构，锥角为30°-50°。钎焊后不锈钢管路因热膨胀系数更大，由高温到常温的降温过程产生的收缩量更大，导致产生不锈钢管路箍住钛合金法兰的内应力，增加管路结构的可靠性。

采用本发明所述的焊接方法和焊接结构，钛合金法兰和不锈钢管路能形成性能稳定的冶金结合层，用超声波C扫描的检测方法检测钎焊缝的钎着率，钎着率≥95%，抗拉强度≥200MPa，有很好的工程应用价值。

附图说明

图1为常用的钛合金法兰在外、不锈钢管路在内的管路结构示意图；

图2为本发明所述的不锈钢管路在外、钛合金法兰在内的钎焊焊接的管路结构示意图；

图中：1为不锈钢管路，2为钛合金法兰，3为钛合金压力容器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构及方法作进一步描述。

实施例1：

本发明所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构，如附图2所示，不锈钢管路1的内侧为锥体结构，锥角在30°-50°之间（例如：30°、40°或50°）；钛合金法兰2的外侧为锥体结构，锥角与不锈钢管路1的锥角相同；钛合金法兰2外侧的锥体结构嵌入不锈钢管路1内侧的锥体结构，两者相配合焊接而成。钛合金法兰2与贮箱箱体或钛合金压力容器3（相焊接。上述均为TC4钛合金材料。

实施例2

本发明所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其包括如下步骤：

（a）在不锈钢管路1的待焊接部位内侧加工形成锥体结构，锥角在30°-50°之间（例如：30°、40°或50°）；在钛合金法兰2的待焊接部位外侧也加工形成锥体结构，锥角大小与不锈钢管路1的锥角相同，保证钛合金法兰2外侧的锥体结构与上述不锈钢管路1内侧的锥体结构相配合；

（b）在不锈钢管路1的待焊接部位的锥体结构表面镀镍处理，镀层厚度为10-50μm（例如：10μm、30μm或50μm）；

（c）对钛合金法兰2的待焊接部位的锥体结构表面清除油污、表面酸洗处理；在钛合金法兰2的待焊接部位的锥体结构表面包覆一层0.01-0.5mm厚的箔状AgCu钎料（例如0.01mm、0.3mm或0.5mm）；

（d）将经镀镍处理的不锈钢管路1与包覆AgCu钎料的钛合金法兰2装配在一起，采用真空钎焊的焊接方法焊接为一个整体的管路结构。真空钎焊方法具体为：真空度压力小于或等于5×10^-3Pa，钎焊温度为820~870℃，保温时间2~10min（例如：870℃保温2min、或820℃保温10min、或850℃保温6min）。

本发明所述的异种金属焊接的管路结构包括钛合金法兰和不锈钢管路，不锈钢管路设计成锥体结构，焊接部位设计在外侧；钛合金法兰设计成对应的锥体结构，焊接部位设计在内侧。在真空钎焊焊接时，利用不锈钢和钛合金真空钎焊技术，使钛合金和不锈钢异种金属形成良好的焊接冶金结合层；利用不锈钢的热膨胀系数比钛合金大的材料固有属性，使管路结构中的不锈钢管路部件产生箍住钛合金法兰的内应力，增加结构的结合力，形成高质量、高可靠的焊接接头。本发明能适用于类似结构的钛合金-不锈钢异种金属焊接结构的焊接。

Claims (5)

1.一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构，其特征在于：所述的在不锈钢管路（1）的内侧为锥体结构，锥角在30°-50°之间；所述的钛合金法兰（2）的外侧为锥体结构，锥角与不锈钢管路（1）的锥角相同；钛合金法兰（2）外侧的锥体结构嵌入不锈钢管路（1）内侧的锥体结构，两者相配合焊接而成。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接结构，其特征在于：所述的钛合金法兰（2）与贮箱箱体或钛合金压力容器（3）相焊接。

3.一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（a）在不锈钢管路（1）的待焊接部位内侧加工形成锥体结构，锥角在30°-50°之间；在钛合金法兰（2）的待焊接部位外侧也加工形成锥体结构，锥角大小与不锈钢管路（1）的锥角相同，保证钛合金法兰（2）外侧的锥体结构与上述不锈钢管路（1）内侧的锥体结构相配合；

（b）在不锈钢管路（1）的待焊接部位的锥体结构表面镀镍处理，镀层厚度为10-50μm；

（c）在钛合金法兰（2）的待焊接部位的锥体结构表面包覆一层0.01-0.5mm厚的箔状AgCu钎料；

（d）将经镀镍处理的不锈钢管路（1）与包覆AgCu钎料的钛合金法兰（2）装配在一起，采用真空钎焊的焊接方法焊接为一个整体的管路结构。

4.根据权利要求3所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其特征在于：在步骤（c）的钛合金法兰（2）的待焊接部位的锥体结构表面包覆AgCu钎料前，先进钛合金法兰的表面清除油污、表面酸洗处理。

5.根据权利要求3或4所述的一种钛合金法兰和不锈钢管路异种金属焊接方法，其特征在于：步骤（d）所述的真空钎焊方法具体为，真空度压力小于或等于5×10^-3Pa，钎焊温度为820~870℃，保温时间2~10min。