CN111940874A - 一种基于铜-镍复合中间层的钛合金与钢异种金属钨极氩弧熔焊工艺 - Google Patents

一种基于铜-镍复合中间层的钛合金与钢异种金属钨极氩弧熔焊工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于铜‑镍复合中间层的钛合金与钢异种金属钨极氩弧熔焊工艺，属于异种金属复合结构制造领域。本发明所述的焊接工艺能够有效解决因脆性相生成和热膨胀系数失配而导致的钛/钢异种金属熔焊接头强度低、易开裂、工艺窗口窄等问题。接头中间层顺序依次为钛合金、铜覆层、镍基焊丝、不锈钢。通过采用铜‑镍复合中间层，可有效调控钛/钢熔焊接头中脆性金属间化合物的生成，降低钛/钢熔焊接头焊接应力，减少焊接裂纹的产生。采用本发明所述的焊接工艺能够获得强度高、成形美观无裂纹且有一定塑韧性的高质量钛/钢异种金属熔焊接头。

Description

一种基于铜-镍复合中间层的钛合金与钢异种金属钨极氩弧 熔焊工艺
技术领域
本发明涉及一种钛合金与钢异种金属钨极氩弧(TIG)熔焊工艺，属于异种金属复合结构制造领域。
背景技术
先进装备制造业的快速发展对结构材料的综合性能提出了更高要求，轻质、高强、易加工、耐蚀、环保、成本低等特点逐渐成为材料选取的重要指标。钛合金具有比强度高、耐蚀性好且易加工等特点，广泛应用于航空航天、化工、核工业以及医疗器械等领域；然而其昂贵的价格制约了钛合金的大规模及民用化推广应用。采用钛合金/钢复合结构能够兼具二者的性能优势，满足关键部位性能要求的同时降低原材料成本及工艺复杂度，在装备制造领域具有广阔的应用前景。特别是在航空航天领域，采用钛合金代替部分钢材用于发动机推力室身部制造，可实现发动机减重10～15％，能够满足新一代大推力发动机及高空分导发动机的制造需求。此外，钛合金/钢异种金属复合构件在核燃料后处理设备、卫星燃料喷注器和飞行器姿态控制系统、化学反应器以及部分医疗、体育器材等结构中也有广泛应用。
然而，室温下铁与钛之间冶金固溶度极低，极易生成脆性大、硬度高的金属间化合物TiFe和TiFe2，导致钛/钢接头焊后即开裂，力学强度几乎为0；钛合金与钢之间热物理性能差异显著，熔点相差不足200℃，而钛合金的热导率和线膨胀系数只有钢的1/3～1/2，焊后接头应力大，焊缝易开裂。钛合金与钢的上述特点使得实现二者之间的高质高效熔焊连接非常困难。目前钛/钢复合构件的生产多采用扩散焊、摩擦焊、爆炸焊等压力焊方法和钎焊，但这些方法受制于接头形式单一、生产效率低下、生产设备昂贵而制约了钛/钢复合结构的进一步推广应用。
文献“Y.Zhang,D.Q.Sun,X.Y.Gu,et al.Nd/YAG pulsed laser welding of TC4titanium alloy to 301L stainless steel via pure copper interlayer[J].TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016:1-9.”采用纯铜作为中间层实施了TC4钛合金与301L不锈钢之间的脉冲激光焊接，铜中间层有效隔绝了钛和铁的相互扩散和反应，平均拉伸强度达350MPa。但该方法焊接装配精度要求高，激光器造价昂贵，限制了该方法的推广应用。专利CN 102744502A提出了一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺，采用纯铜焊丝辅之以焊前预热和焊后缓冷实施了钛合金与不锈钢之间的钨极氩弧焊。然而，该方法所获得的接头强度较低，焊接工艺复杂，接头易开裂。
大量研究表明，中间层金属的选用是实现钛/钢熔焊连接的关键，而在众多已报道的中间层材料中，采用铜获得的钛/钢异种金属接头具有最佳的综合性能。然而，铜的线膨胀系数是钢的1.5倍、钛合金的2.5倍，焊缝内拉应力大，易开裂，降低了钛/钢接头的力学强度和服役可靠性。如何有效调控接头内部脆硬金属间化合物的生成及分布、降低钛/钢接头焊缝内应力，就成为实现钛/钢异种金属高质高效熔焊连接的关键。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种采用铜-镍复合中间层的钛合金与钢异种金属钨极氩弧(TIG)实现钛合金与钢异种金属连接的工艺方法。
采用的技术方案为：
采用冷喷涂技术在钛合金待焊位置喷涂高纯铜粉，在钛合金表面形成一定厚度的铜覆层；然后向对接间隙中填充镍基焊丝。铜覆层在电弧和高温熔池的共同作用下与钛合金发生反应，生成脆性较小的钛-铜金属间化合物，取代了脆性更高的钛-铁和钛-镍金属间化合物；同时，镍与铜、铁均相互固溶，能够避免脆性金属间化合物生成，并与钢一侧产生良好的冶金连接。此外，采用镍基焊丝，能够有效降低焊缝冷却过程中产生的拉应力，抑制接头裂纹产生，提高接头可靠性和整体力学性能。
本发明所述熔焊工艺方法，具体步骤如下：
(1)采用钢丝角磨机去除待焊母材表面氧化膜，采用砂纸打磨钛合金待焊边缘及对接端面，采用酒精擦拭待焊母材并吹干待用。
(2)向钛合金待焊部位制备铜覆层，所获得的铜覆层厚度为0.1～0.5mm。
(3)装配定位、施焊：将覆盖有铜覆层的钛合金、钢对接装配，在对接间隙中通过焊接的方法填充镍基焊丝，获得铜-镍复合中间层，焊接完成后取下试件。采用热膨胀系数介于钛合金与钢之间的镍基填充金属，有效降低接头内应力，减小焊后变形。焊接电源采用变极性钨极氩弧焊(VPTIG)，在小电流下能获得挺度优良的稳定电弧，焊接电流30～90A，焊接速度120～240mm/min，送丝速度360-960mm/min，保护气流量10～20L/min。通过合理调整焊接参数，可以获得成型美观无明显缺陷的钛/钢异种金属熔焊接头。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)中，钛合金待焊部位铜覆层的制备方法不限于冷喷涂，还包括热喷涂以及机械包覆等方法。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)中，所述铜覆层的铜粉颗粒尺寸为5～50μm，冷喷涂或热喷涂范围包括待焊钛合金边缘正反面各10～15mm以及待焊端面。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)中，所述冷喷涂工艺参数为：加速气压2.5～3.5MPa，送粉气压3～4MPa，送粉量15～35g/min，保护气加热温度400～450℃，喷涂距离10～20mm。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)中，所述保护气为氦气。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，所述对接间隙为1.0～2.0mm。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，所述镍基焊丝包括而不局限于NiCrMo-3、NiCr-3、718和Ni-1等，优选为ER NiCrMo-3、ERNiCr-3、ER718和ERNi-1。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，步骤(3)中，所述镍基焊丝的直径为0.8～2mm。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，将覆盖有铜覆层的钛合金、钢置于加热板上，并一同固定在焊接工作台上，钨极尖端对准对接间隙，镍基焊丝平行于对接间隙送至钨极正下方；优选的，所述钨极尖端对准对接间隙中心线处。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，焊接过程中待焊部位背面10～20mm范围内提前通高纯氩气保护，氩气流量10～20L/min，所述提前的时间为30～60秒分钟。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，焊后延迟送气30～60秒，待试件冷却至50℃以下后取下试件。
基于以上技术方案，优选的，所述焊后试件的抗拉强度为250～500MPa，优选为400～500MPa。
本发明有益效果：
本发明所述的焊接工艺能够有效解决因脆性相生成和热膨胀系数失配而导致的钛/钢异种金属熔焊接头强度低、易开裂、工艺窗口窄等问题。接头中间层顺序依次为钛合金、铜覆层、镍基焊丝、不锈钢。通过采用铜-镍复合中间层，可有效调控钛/钢熔焊接头中脆性金属间化合物的生成，降低钛/钢熔焊接头焊接应力，减少焊接裂纹的产生。采用本发明所述工艺方法所获得的高质量钛/钢异种金属熔焊接头，具有工艺简单、焊缝成型美观无缺陷、接头强度高、焊接工艺窗口宽、接头变形小等优点，且有一定塑韧性。钛合金待焊部位表面的铜覆层有效的阻碍了钛原子与铁、镍原子之间的接触反应，接头界面区中硬脆的钛-铁、钛-镍系金属间化合物生成得到抑制，取而代之的是生成了β-Ti和脆性更小的Ti2Cu、TiCu等金属间化合物。变极性钨极氩弧焊(VPTIG)的应用可以在小电流工艺下获得稳定的电弧，在控制母材稀释和界面反应的同时提高了焊接过程的稳定性。采用热膨胀系数介于钛、钢的镍基填充焊丝，钛/钢接头内应力降低，焊接试件变形减小，焊缝裂纹的产生得到有效控制。同时，镍与钢之间冶金互溶度高，提高了中间层金属与钢侧的连接强度。
附图说明
图1为钛合金/钢钨极氩弧焊装配示意图。
图2为钛合金/钢钨极氩弧焊接头结构示意图。
图3为采用复合中间层获得的钛合金/钢钨极氩弧焊接头照片。
图4为实施例1所得接头界面微观组织：(a)钛合金/焊缝界面微观组织，(b)钛侧焊趾部位微观组织，(c)焊缝/钢界面区微观组织。
图5为实施例2所得接头界面微观组织：(a)钛合金/焊缝界面内侧微观组织，(b)钛合金/焊缝界面外侧微观组织。
具体实施方式
为使本发明所述的工艺技术方案更加清楚，下面将结合实施例具体阐述本发明的详细内容。基于实施例所述内容，本领域内相关技术人员在不脱离本发明思路的前提下所做的任何简单替换和推演都属于本发明所要求的权利保护范围之内。
实施例1
步骤1：取厚度1mm、长宽分别为200mm和80mm的TC4钛合金与304不锈钢板材，采用钢丝角磨机去除待焊母材表面氧化膜，采用400#砂纸打磨钛合金待焊边缘及对接端面，采用酒精擦拭待焊母材并吹干待用。
步骤2：采用冷喷涂技术向钛合金待焊部位喷涂高纯铜粉(纯度为99.99％)，铜粉颗粒尺寸为20μm，喷涂范围包括待焊钛合金边缘正反面各10mm以及待焊端面。冷喷涂工艺参数为：加速气压2.5MPa，送粉气压3MPa，送粉量25g/min，氦气加热温度400～450℃，喷涂距离15mm。试验测得该工艺下铜覆层厚度约0.5mm。
步骤3：装配定位。将冷喷涂处理后的钛合金、不锈钢置于铸铝加热板上，并一同固定在焊接工作台上，对接间隙1.0mm。钨极尖端对准对接间隙，弧长3mm。直径1.2mm的镍基焊丝ERNiCrMo-3平行于对接间隙送至钨极正下方，送丝角度与待焊试件平面夹角15°。焊接过程中待焊部位背面10～20mm范围内通99.9％高纯氩气保护，提前1分钟背部送气保护，氩气流量10L/min。
步骤4：施焊。焊接电源采用变极性钨极氩弧焊(VPTIG)，焊接电流90A，焊接速度120mm/min，送丝速度720mm/min，保护气流量15L/min。
步骤5：焊接完成后，延迟送气30秒。待试件冷却至50℃以下后取下试件。
焊后试件成型良好，焊缝美观、无未焊合和裂纹等明显缺陷，如图3所示。采用电火花线切割方式从焊后试件上切取平行宽度为12.5mm的哑铃状拉伸试样，按照GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法测得接头平均抗拉强度为432MPa。钛合金侧界面区由β-Ti、Ti2Cu、TiCu、Ti2Ni和TiNi等金属间化合物组成，如图4所示。焊缝区主要由树枝晶奥氏体组成，焊缝与不锈钢侧熔合良好。
实施例2
步骤1：采用同实施例1相同的方式清理待焊母材。
步骤2：采用冷喷涂技术向钛合金待焊部位喷涂高纯铜粉(纯度为99.99％)，铜粉颗粒尺寸为20μm，喷涂范围包括待焊钛合金边缘正反面各10mm以及待焊端面。冷喷涂工艺参数为：加速气体压力2.5MPa，送粉气体压力3MPa，送粉量15g/mi，氦气加热温度400～450℃，喷涂距离15mm。试验测得该工艺下铜覆层厚度约0.1mm。
步骤3：装配定位方式同实施例1。
步骤4：施焊。焊接电源采用变极性钨极氩弧焊(VPTIG)，焊接电流30A，焊接速度120mm/min，送丝速度360mm/min，保护气流量15L/min。
步骤5：焊接完成后，延迟送气30秒。待试件冷却至50℃以下后取下试件。
焊后试件成型良好，焊缝美观、无未焊合和裂纹等明显缺陷，试件有轻微变形。按照GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法测得接头平均抗拉强度为250MPa。钛合金侧界面区由β-Ti、Ti2Ni和TiNi相等金属间化合物组成，如图5所示。焊缝区主要由树枝晶奥氏体组成，焊缝与不锈钢侧熔合良好。
实施例3
步骤1：采用同实施例1相同的方式清理待焊母材。
步骤2：采用冷喷涂技术向钛合金待焊部位喷涂高纯铜粉(纯度为99.99％)，铜粉颗粒尺寸为20μm，喷涂范围包括待焊钛合金边缘正反面各10mm以及待焊端面。冷喷涂工艺参数为：加速气体压力3.5MPa，送粉气体压力4MPa，送粉量35g/min，氦气加热温度400～450℃，喷涂距离15mm。试验测得该工艺下铜覆层厚度约0.3mm。
步骤3：装配定位方式同实施例1。
步骤4：施焊。焊接电源采用变极性钨极氩弧焊(VPTIG)，焊接电流50A，焊接速度120mm/min，送丝速度480mm/min，保护气流量15L/min。
步骤5：焊接完成后，延迟送气30秒。待试件冷却至50℃以下后取下试件。
焊后试件成型良好，焊缝美观、无未焊合和裂纹等明显缺陷。按照GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法测得接头平均抗拉强度为340MPa。钛合金侧界面区由β-Ti、TiNi等金属间化合物组成，焊缝区主要由树枝晶奥氏体组成，焊缝与不锈钢侧熔合良好。
对比例1
“
Figure BDA0002622255130000061
SupriyoGanguly,Stewart Williams,Jay Vaja.Dissimilarmetal joining of stainless steel and titanium usingcopper as transitionmetal.Journal of Materials Research and Technology,2016,86:1139-1150.”采用CMT技术，填充CuSi3焊丝获得TC4钛合金/316L不锈钢接头，抗拉强度200MPa。
对比例2
“ShuhaiChen,MingxinZhang,JihuaHuang,ChengjiCui,HuaZhang,Xingke,Zhao.Microstructures and mechanical property of laser butt welding oftitanium alloy to stainless steel.Materials&Design,2014,53:504-511.”该文献采用激光焊技术直接焊接TC4钛合金与201不锈钢，当激光束偏置于不锈钢侧0.6mm时，接头抗拉强度达到150MPa。
对比例3
“Ting Wang,Binggang Zhang,Guoqing Chen,Jicai Feng.High strengthelectron beam welded titanium-stainless steel joint with V/Cu based compositefiller metals.Vacuum,2013,94:41-47.”该文献采用粉末冶金方式制备V/Cu复合梯度中间层，实现了Ti6Al2Zr2Mo2V钛合金与304不锈钢之间的电子束连接，接头强度392MPa。然该方法电子束焊接设备造价昂贵，中间层制备及电子束焊接工艺复杂。

Claims (10)

1.一种基于铜-镍复合中间层的钛合金与钢异种金属钨极氩弧熔焊工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用钢丝角磨机去除钛合金与钢表面氧化膜，用砂纸打磨钛合金待焊边缘及对接端面，采用酒精擦拭待焊母材并吹干待用；
(2)向钛合金待焊部位制备铜覆层，所获得的铜覆层厚度为0.1～0.5mm；
(3)装焊：将覆盖有铜覆层的钛合金、钢对接装配，在对接间隙中通过焊接的方法填充镍基焊丝，获得铜-镍复合中间层；其中，焊接电源采用变极性钨极氩弧焊，焊接电流30～90A，焊接速度120～240mm/min，送丝速度360-960mm/min，保护气流量10～20L/min。
2.根据权利要求1所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(2)中，钛合金待焊部位铜覆层的制备方法为冷喷涂、热喷涂或机械包覆。
3.根据权利要求1或2所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述铜覆层的铜粉颗粒尺寸为5～50μm，冷喷涂或热喷涂范围包括待焊钛合金边缘正反面各10～15mm以及待焊端面。
4.根据权利要求2或3所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述冷喷涂工艺参数为：加速气压2.5～3.5MPa，送粉气压3～4MPa，送粉量15～35g/min，气体加热温度400～450℃，喷涂距离10～20mm。
5.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述对接间隙为1～2mm。
6.根据权利要求1所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述镍基焊丝为NiCrMo-3、NiCr-3、718或Ni-1。
7.根据权利要求1所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述镍基焊丝的直径为0.8～2mm。
8.根据权利要求1所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，将覆盖有铜覆层的钛合金、钢置于加热板上，并一同固定在焊接工作台上，钨极尖端对准对接间隙，镍基焊丝平行于对接间隙送至钨极正下方。
9.根据权利要求1所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，焊接过程中待焊部位背面10～20mm范围内提前通保护气，保护气流量10～20L/min，所述提前的时间为30～60秒。
10.根据权利要求1所述的熔焊工艺，其特征在于，步骤(3)中，焊后延迟送气30～60秒，待试件冷却至50℃以下后取下试件。
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