CN107127454B - 采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法 - Google Patents

采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用复合中间层的钛合金‑不锈钢异种金属激光焊接方法，属于材料焊（连）接技术领域。采用激光作为焊接热源，Ta/V/Fe复合层作为中间层材料，从而控制钛合金‑钒焊缝中ω脆性相及钒‑不锈钢焊缝中σ脆性相的形成，降低接头脆性，改善接头的性能。采用两道焊，获得包含钛合金‑钒焊缝、未熔化的钒层及钒‑不锈钢焊缝的异种金属材料的高质量、高效率焊接接头。工艺步骤为：板材组对及夹紧→钛合金‑中间层‑不锈钢接触面预紧力调节→激光分别沿Ta中间层中心线和Fe中间层中心线施焊，实现钛合金‑不锈钢异种金属的连接。优点在于：焊接过程稳定，焊缝成形美观，无裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工艺性能好。

Description

采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法
技术领域
本发明涉及材料焊（连）接技术领域，特别涉及一种采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法。用于航空航天、医疗、石油化工及核工业等技术领域。
背景技术
钛及钛合金因其具高比强度、抗腐蚀性及加工性良好等优点，广泛应用于航空航天、医疗、石油化工、核工业等制造领域。但是其昂贵的价格限制了钛合金作为结构件的大规模推广应用。因此，钛合金与其它金属材料，尤其是钛合金与不锈钢的复合构件成为结构制造的重要发展方向。钛合金-不锈钢熔化焊焊接接头中易产生大量脆性较大的Ti-Fe金属间化合物。并且由于钛合金和不锈钢二者之间的物理、化学性能差异显著，接头中存在较大的残余应力，这会降低接头力学性能。
添加铜、镍、钴等中间层材料，可以减少钛合金-不锈钢熔化焊接头中的Ti-Fe金属间化合物，提高接头的力学性，但是在接头中会引入新的脆性化合物，例如Ti-Cu化合物。虽然其脆性比Ti-Fe金属间化合物低，但仍然增加了接头的脆性断裂的风险。并且，只要中间层在焊接过程中完全熔化，就不可完全避免Ti-Fe金属间化合物在接头中形成。
在接头中保留未完全熔化的中间层，可阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。Nb和V作为中间层材料，已被用来实现此种形式的钛合金-不锈钢的焊接。采用V作为中间层时，焊接接头中包含钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝及未熔化的钒中间层；未熔化的钒中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。钛合金-钒焊缝抗拉强度可达548MPa，钒-不锈钢焊缝抗拉强度可达504MPa。但是，钛合金-钒焊缝中易形成ω脆性相，钒-不锈钢焊缝中易形成σ脆性相，这些脆性相不利于进一步提高接头性能提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对接头的脆性问题，采用激光作为焊接热源，Ta/V/Fe复合层作为中间层，采用两道焊，获得包含钛合金-钒焊缝、未熔化的钒层及钒-不锈钢焊缝的钛合金-不锈钢焊接接头。这样，未熔化的钒层阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，完全避免了Ti-Fe金属间化合物在接头中形成。同时，在钛合金-钒焊缝添加Ta元素，改变焊缝化学成分，从而抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相的形成。通过在钒-不锈钢焊缝中添加Fe元素，从而使得钒-不锈钢焊缝中Fe的浓度升高，抑制焊缝中σ脆性相的形成，改善焊缝微观组织，提高了接头的力学性能。本发明的工艺步骤为：板材组对及夹紧→钛合金-中间层-不锈钢接触面预紧力调节→激光分别沿Ta中间层中心线和Fe中间层中心线施焊，实现钛合金-不锈钢异种金属的连接。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，按以下工艺步骤进行：
a）、接头形式：接头形式为I形坡口对接，复合中间层厚度为1.2～1.6mm，其中Ta层厚度为0.2～0.4mm，V层厚度为0.8～1.2mm，Fe层厚度为0.2～0.4mm，组焊装夹时保证钛合金-中间层-不锈钢接触面存在10～50N预紧力；
b）、焊接工艺：采用Nd:YAG脉冲激光焊设备进行焊接，通过优化焊参数，防止未熔合、咬边焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量；
c）、第一道焊接时，激光光斑照射在Ta中间层中心线，使Ta中间层完全熔化，钛合金和V部分熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，激光光斑照射在Fe中间层中心线，使Fe中间层完全熔化，钒和不锈钢部分熔化，形成钒-不锈钢焊缝；
d）、接头中，在钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝之间存在0.1～0.5mm的未熔化的钒中间层，阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物；
e）、在钛合金-钒焊缝中添加Ta元素，改变钛合金-钒焊缝的化学成分，改善其微观组织，获得Ti-V固溶体+Ta-Ti固溶体，抑制了ω脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性；
f）、在钒-不锈钢焊缝中添加Fe元素，使得钒-不锈钢焊缝中Fe的浓度升高，V及其它合金元素浓度降低，改善焊缝微观组织，获得γ-Fe+Fe-V固溶体，抑制了ω脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性。
所述的其它合金元素为Ni和Gr。
所述的采用Nd:YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400 W，激光控制电流60～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率5～8 Hz，离焦量2mm，焊接速度200～250mm/min。
焊接接头包含钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝及未熔化的钒中间层；未熔化的钒中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
通过改变焊缝的化学成分，抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相，获得Ti-V固溶体+Ta-Ti固溶体，抑制钒-不锈钢焊缝中σ脆性相，获得γ-Fe+Fe-V固溶体，从而降低接头的脆性。
本发明的有益效果在于：
（1）激光焊接过程稳定，焊缝成形美观，无裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工艺性能好。
（2）钛合金-钒中间层-不锈钢经过两道焊接，最终获得包含钛合金-钒焊缝、未熔化的钒层及钒-不锈钢焊缝的异种金属材料的高质量、高效率焊接接头。抗拉试验中，接头断裂于未熔化的钒层，抗拉强度达到600-627MPa。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的钛合金-不锈钢激光焊接方法及接头结构示意图；
图2为本发明的钛合金-不锈钢接头全貌；
图3为本发明的钛合金-不锈钢接头微观组织，（a）钛合金-钒焊缝低倍照片，（b）钛合金-钒焊缝高倍照片，（c）钛合金-钒焊缝XRD分析结果（d）钒-不锈钢焊缝低倍照片，（e）钒-不锈钢焊缝高倍照片，（f）钒-不锈钢焊缝XRD分析结果；
图4为本发明的钛合金-不锈钢激光焊施焊过程示意图。
图中：1、钛合金板；2、复合中间层；3、不锈钢板；4、压板；5、焊接定位平台；6、预紧力调节螺钉。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，针对钛合金-不锈钢异种金属焊接接头的脆性问题，采用激光作为焊接热源，采用Ta/V/Fe复合层作为中间层材料，从而控制钛合金-钒焊缝中ω脆性相及钒-不锈钢焊缝中σ脆性相的形成，降低接头脆性，改善接头的性能。采用两道焊，获得包含钛合金-钒焊缝、未熔化的钒层及钒-不锈钢焊缝的异种金属材料的高质量、高效率焊接接头。具体工艺步骤如下：
a）接头形式：接头形式为I形坡口对接，复合中间层厚度为1.4mm，其中Ta层厚度为0.2mm，V层厚度为1mm，Fe层厚度为0.2mm，组焊装夹时保证钛合金-中间层-不锈钢接触面存在一定的预紧力。
b）焊接工艺：采用Nd:YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400W，激光控制电流60～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率5～8Hz，离焦量2mm，焊接速度200～250mm/min；通过优化焊参数，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。
c）第一道焊接时，激光光斑照射在Ta中间层中心线，使Ta中间层完全熔化，钛合金和V部分熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，激光光斑照射在Fe中间层中心线，使Fe中间层完全熔化，钒和不锈钢部分熔化，形成钒-不锈钢焊缝。
d）接头中，在钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝之间存在一定厚度的未熔化的钒中间层，其作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
e）通过在钛合金-钒焊缝中添加Ta元素，从而改变钛合金-钒焊缝的化学成分，改善其微观组织，获得Ti-V固溶体+Ta-Ti固溶体，抑制了ω脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性。
f）通过在钒-不锈钢焊缝中添加Fe元素，从而使得钒-不锈钢焊缝中Fe的浓度升高，V及其它合金元素（Ni和Gr）浓度降低，改善焊缝微观组织，获得γ-Fe+Fe-V固溶体，抑制了ω脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性。
所述的其它合金元素为Ni和Gr。
所述的采用Nd:YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400 W，激光控制电流60～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率5～8 Hz，离焦量2mm，焊接速度200～250mm/min。
焊接接头包含钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝及未熔化的钒中间层；未熔化的钒中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
通过改变焊缝的化学成分，抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相，获得Ti-V固溶体+Ta-Ti固溶体，抑制钒-不锈钢焊缝中σ脆性相，获得γ-Fe+Fe-V固溶体，从而降低接头的脆性。
实施例：
采用本发明的方法进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接：
首先，用压板4将钛合金板1和不锈钢板3夹紧在焊接定位平台5上；钛合金板1和不锈钢板3之间放置厚度为1.4mm厚的复合中间层2，并通过预紧力调节螺钉6使得钛合金板-复合中间层-不锈钢板之间保持一定的压力。
采用两道焊，精确控制焊接工艺参数，第一道焊接时，激光光斑照射在Ta中间层中心线，使Ta中间层完全熔化，钛合金和V部分熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，激光光斑照射在Fe中间层中心线，使Fe中间层完全熔化，钒和不锈钢部分熔化，形成钒-不锈钢焊缝。从而获得包含钛合金-钒焊缝、未熔化的钒层及钒-不锈钢焊缝的钛合金-不锈钢焊接接头。这样，完全避免了Ti-Fe金属间化合物在接头中形成。并且通过在钛合金-钒焊缝中的添加Ta元素和在钒-不锈钢焊缝中提高Fe元素的浓度，抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相及钒-不锈钢焊缝中σ脆性相的形成，解决了由于添加中间层而引入的新的脆性问题，提高了接头的力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，其特征在于：按以下工艺步骤进行：
a）、接头形式：接头形式为I形坡口对接，复合中间层厚度为1.2～1.6mm，其中Ta层厚度为0.2～0.4mm，V层厚度为0.8～1.2mm，Fe层厚度为0.2～0.4mm，组焊装夹时保证钛合金-中间层-不锈钢接触面存在10～50N预紧力；
b）、焊接工艺：采用Nd:YAG脉冲激光焊设备进行焊接，通过优化焊参数，防止未熔合、咬边焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量；
c）、第一道焊接时，激光光斑照射在Ta中间层中心线，使Ta中间层完全熔化，钛合金和V部分熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，激光光斑照射在Fe中间层中心线，使Fe中间层完全熔化，钒和不锈钢部分熔化，形成钒-不锈钢焊缝；
d）、接头中，在钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝之间存在0.1～0.5mm的未熔化的钒中间层，阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物；
e）、在钛合金-钒焊缝中添加Ta元素，改变钛合金-钒焊缝的化学成分，改善其微观组织，获得Ti-V固溶体+Ta-Ti固溶体，抑制了ω脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性；
f）、在钒-不锈钢焊缝中添加Fe元素，使得钒-不锈钢焊缝中Fe的浓度升高，V及其它合金元素浓度降低，改善焊缝微观组织，获得γ-Fe+Fe-V固溶体，抑制了ω脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性；
所述的其它合金元素为Ni和Gr。
2.根据权利要求1所述的采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，其特征在于：所述的采用Nd:YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400 W，激光控制电流60～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率5～8 Hz，离焦量2mm，焊接速度200～250mm/min。
3.根据权利要求1所述的采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，其特征在于：焊接接头包含钛合金-钒焊缝与钒-不锈钢焊缝及未熔化的钒中间层；未熔化的钒中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
4.根据权利要求1所述的采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，其特征在于：通过改变焊缝的化学成分，抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相，获得Ti-V固溶体+Ta-Ti固溶体，抑制钒-不锈钢焊缝中σ脆性相，获得γ-Fe+Fe-V固溶体，从而降低接头的脆性。
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