CN107335921B - 加钒中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法 - Google Patents

加钒中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加钒中间层的钛合金‑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，钒作为中间层，通过精确控制焊接工艺参数，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。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。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→激光分别在钛合金‑钒接触面和钒‑不锈钢接触面施焊，实现钛合金‑不锈钢异种金属的连接。优点在于：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。

Description

加钒中间层的钛合金-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，特别涉及一种加钒中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法。应用于航空航天、医疗、武器制造等技术领域。
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、冶金、武器装备等制造领域。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则成为医疗器械、武器装备等领域焊接零部件的重要发展方向。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，但仍然增了加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。综合以上两个原因，目前采用添加中间层的方式对钛合金-不锈钢异种金属进行熔化焊接时，焊接接头性能提高幅度较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加钒中间层的钛合金-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，钒作为中间层，采用两道焊，通过精确控制焊接工艺参数，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，通过精确控制激光偏移量，从而抑制钛合金-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。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
加钒中间层的钛合金-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，钒中间层厚度0.5～1.5mm，组焊装夹时保证钛-钒-钢接触面存在10～50N的预紧力；
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，控制激光偏移量为0～0.2mm，即激光光斑照射在钛合金上距离钛合金-钒接触面0～0.2mm的位置，使部分钛合金和钒熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，控制激光偏移量为0～0.2mm，即，激光光斑照射在不锈钢上距离钒-不锈钢接触面0～0.2mm的位置，使部分钒和不锈钢熔化，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）、精确控制激光偏移量，控制钛-钒焊缝的微观组织，获得Ti-V固溶体，并且抑制ω脆性相在钛合金-钒焊缝中形成，降低了接头的脆性；
f）、精确控制激光偏移量，控制钒-不锈钢焊缝的微观组织，获得γ-Fe，并且抑制σ脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性。
所述的采用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，焊接速度200～250mm/min。
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。
通过精确控制激光偏移量，从而抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相，获得Ti-V固溶体，抑制钒-不锈钢焊缝中σ脆性相，获得γ-Fe，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548-599MPa。
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-不锈钢接头微观组织：（a）接头全貌，（b）钛合金-钒焊缝低倍照片，（c）钛合金-钒焊缝高倍照片，（d）钒-不锈钢焊缝低倍照片，（e）钒-不锈钢焊缝高倍照片；
图3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、钒中间层；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3所示，本发明的加钒中间层的钛合金-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，钒作为中间层，通过精确控制焊接工艺参数，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。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→激光分别在钛合金-钒接触面和钒-不锈钢接触面施焊，实现钛合金-不锈钢异种金属的连接。具体步骤如下：
a）接头形式：接头形式为I形坡口对接，钒中间层厚度1 mm，组焊装夹时保证钛-钒-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350～400 W，激光控制电流60～100 A，脉冲宽度10～20 ms，脉冲频率5～8 Hz，焊接速度200～250 mm/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，激光光斑照射在钛合金上距离钛-钒接触面0～0.2mm的位置，使部分钛合金和钒熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，激光光斑照射在不锈钢上距离钒-不锈钢接触面0～0.2mm的位置，使部分钒和不锈钢熔化，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）通过精确控制激光偏移量，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，降低接头的脆性。激光偏移量为0时，钛合金-钒焊缝组织为 (βTi, V)固溶体+ω脆性相，接头脆性较大；激光偏移量为0.2mm时，钛合金-钒焊缝组织为 (βTi, V)固溶体，接头脆性降低；激光偏移量为0时，钒-不锈钢焊缝组织为(Fe, V)固溶体+ σ脆性相，接头脆性较大；激光偏移量为0.2mm时，钒-不锈钢焊缝焊缝组织为γ-Fe固溶体，接头脆性降低。
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1mm厚的钒中间层2，并通过预紧力调节螺钉6使得钛合金-中间层-不锈钢之间保持一定的压力。
采用两道焊，通过精确控制焊接工艺参数，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。同时，通过精确控制激光偏移量，第一道焊接时，激光光斑照射在钛合金上距离钛合金-钒接触面0～0.2mm的位置，使钛、钒部分金属熔化形成钛-铌熔化焊焊缝；第二道焊接时，激光光斑照射在不锈钢上距离钒-不锈钢接触面0～0.2mm的位置，使部分钒和不锈钢熔化，形成钒-不锈钢焊缝。从而可抑制钛合金-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 (1)

1.一种加钒中间层的钛合金-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，钒中间层厚度0.5～1.5mm，组焊装夹时保证钛-钒-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，控制激光偏移量为0～0.2mm，即激光光斑照射在钛合金上距离钛合金-钒接触面0～0.2mm的位置，使部分钛合金和钒熔化，形成钛合金-钒焊缝；第二道焊接时，控制激光偏移量为0～0.2mm，即，激光光斑照射在不锈钢上距离钒-不锈钢接触面0～0.2mm的位置，使部分钒和不锈钢熔化，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）、精确控制激光偏移量，控制钛-钒焊缝的微观组织，获得Ti-V固溶体，并且抑制ω脆性相在钛合金-钒焊缝中形成，降低了接头的脆性；
f）、精确控制激光偏移量，控制钒-不锈钢焊缝的微观组织，获得γ-Fe，并且抑制σ脆性相在钒-不锈钢焊缝中形成，降低了接头的脆性；
所述的采用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，焊接速度200～250mm/min；
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；
通过精确控制激光偏移量，从而抑制钛合金-钒焊缝中ω脆性相，获得Ti-V固溶体，抑制钒-不锈钢焊缝中σ脆性相，获得γ-Fe，从而降低接头的脆性。
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