钛_铁_不锈钢三层复合薄板对接焊工艺研发-硕士生开题开题.doc

钛/铁/不锈钢三层复合薄板对接焊工艺研发硕 士 研 究 生 学 位 论 文开 题 报 告论文题目：钛/铁/不锈钢三层复合薄板对接焊工艺研发 学科、专业：_材料工程_ 研究方向： _ 焊接冶金 硕士生姓名：_ _ _ 导师姓名： _ _ 报告主持人：_目录1绪论12国内外研究现状22.1钛合金薄板对接焊22.2钛-铁复合板对接焊32.2.1弧焊32.2.2电子束焊42.2.3激光焊42.2.4钎焊52.3铁-不锈钢复合板对接焊53课题的研究内容74课题的研究方案75课题的研究路线及方法96工作进度安排10参考文献111绪论 近年来随着全球可持续发展的推进，低碳环保经济成为世界各国所倡导的经济发展模式。充分利用有限的资源,实现效益的最大化和成本的最小化已成为各个企业追求的目标。不锈钢复合板作为一种资源节约型的产品，实现了低成本和高性能的完美结合，有良好的社会效益。 不锈钢复合钢板是一种由基层和覆层复合而成的金属钢板，基层主要承受结构强度和刚度，覆层主要满足耐蚀和耐磨等特殊性能要求，通常覆层厚度只占总厚度的10%20%1，是纯不锈钢板的最佳替代材料，不但节约大量的稀有贵重金属，而且可以降低成本的30%50%2；被广泛应用于石油化工、航空、航天、核工业、电力、水利、食品等领域3。因此新型薄层不锈钢复合板的研究和制备已经成为不锈钢领域中一个重要的发展方向4，是国家建设“资源节约型、环境友好型”社会大力推广的新型材料。 随着国民经济的快速发展，不锈钢的防腐蚀性能已经不能满足越来越高的防腐蚀条件。然而钛合金具有耐高温、耐腐蚀、比强度高等优点，在-253500的温度范围内能够保持较好的综合性能。近年来，钛及其合金不但被广泛应用于传统的汽车、石化、生物工程等领域，同时作为新技术应用、工艺创新、新设备制造等方面的重要原材料得到不断重视5-7。但因其开采成本和冶炼制备价格较高，又影响到钛及其合金在各行业中的推广应用8。 钛/铁/不锈钢复合板是一种新型的结构材料，它以工业纯铁为基层，TA1工业纯钛、304不锈钢分别为两侧覆层的复合钢板。这类钛-钢连接结构既具有钛的高耐蚀性，又有结构钢的高强度、高弹性模量，同时可显著降低结构的材料成本9。工业纯铁具有承受载荷的能力且钛、不锈钢具有耐腐蚀的功能,与钛板和不锈钢板相比不仅节约了大量稀有贵重金属，而且可以降低成本，是纯钛板和纯不锈钢板的最佳替代材料。 以钛/铁/不锈钢复合板制作的压力容器，与不锈钢复合板相比，其内部的钛覆层的耐腐蚀性能强于不锈钢覆层，能满足不锈钢达不到的腐蚀条件，同时外层的不锈钢覆层可以满足一般的防腐蚀条件，既能满足服役条件，同时大大节约了生产成本，具有很高的应用价值。压力容器的生产工艺主要为对接焊方式，所以进行钛/铁/不锈钢三层复合薄板对接焊工艺的研发尤为重要。2国内外研究现状2.1钛合金薄板对接焊 本课题使用的复合板，其钛覆层只有0.2mm，属于钛合金薄板。目前，钛合金焊接最常用的方法是钨极惰性气体保护焊(TIG)和熔化极惰性气体保护焊(MIG)，焊接工艺成熟，然而，电弧的热输入量大导致薄板焊接时产生的变形难以得到控制。相比之下，高能束流的焊接，例如电子束焊接和激光焊接10-11，由于热输入小、焊接接头质量高等特点，在实现小变形的全熔透焊接方面具有很大的发展潜力。 随着科技的进步，激光加工的迅速发展为钛合金的焊接提供了新的可能，由于其具有能量集中，焊缝成形好，操作简单等优势，非常适合焊接钛合金材料，正在成为钛合金焊接的重要手段。相比于其他传统焊接方法，激光焊接具有能量集中、热影响区域小、焊缝成形好、易于自动焊接和监测等优点，适合于焊接钛及钛合金材料。由于钛及钛合金具有低热传导率和对红外线光高吸收率等物理特性，故激光焊接钛及钛合金更容易得到深穿透焊。激光焊接过程中重要的焊接参数有脉冲波形、激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体流量等。通过适当地调整激光焊接相关工艺参数，就可以确保重复实现优良的焊缝成形。 日本学者Shinoda12等对型钛合金Ti-22V-4Al薄板激光焊接的可焊性进行了研究，获得的焊缝组织室温机械性能与母材近似，随后他们研究了型钛合金激光焊接接头的裂纹敏感性，结果发现，在高的热输入情况下，型钛合金有很大的裂纹倾向13；Tsay14研究了Ti6Al4V激光焊接接头微观组织对疲劳裂纹生长率的影响；Mourton15采用三水平全因子设计对CO2激光焊接8mm厚的Ti6Al4V的工艺参数进行了优化；刘金合等16采用三水平正交因子设计研究了Ti6Al4V的激光焊接工艺参数。目前，针对钛及钛合金的激光焊接，很多学者进行了相关的试验研究，但多针对的是厚板超过1mm的情况，涉及密封焊接工艺及性能的研究比较少，且未见到有关焊接后密封性能的研究17-19。 近年来，复合焊接方法逐渐进入大众的视野。在焊接钛合金薄板中，激光-电弧复合焊是一种新型的方法。激光-电弧复合焊接是将激光和电弧两种热源通过旁轴或同轴相结合并作用于工件的同一位置，实现金属材料连接的过程，它综合了激光焊接的高速度、高效率、低热输入和电弧焊接良好的桥连性，成为近年来焊接领域的一个研究热点。Steen20在上世纪80年代首次提出CO2激光-TIG电弧复合概念时就对0.8mm厚度的纯钛板进行了复合焊接试验，发现采用复合焊接，焊接速度可以提高2倍，显示出了复合焊接在薄板连接方面的优势。2009年，崔丽21研究了工业纯钛（1.5mm）的光纤激光-熔压极惰性气体保护焊复合焊接，发现立交量和两热源之间的距离对焊接横截面形状、焊缝、余高影响不大，而激光功率、电流、焊接速度对线能量的输入有直接影响，对焊接成型的影响则更大。2012年Murakami等22采用光纤激光-MIG电弧复合焊接钛板时可以通过调整工艺参数来优化焊接的咬边程度，并且认为焊接接头的力学性能和焊缝内的化学成分有关。但是对于薄板钛合金，MIG焊接时易发生电弧不稳定，且易产生烧穿和飞溅23。 考虑到薄板加工对精密度的要求，微束等离子弧焊接也是一种有效的加工方式。微束等离子弧焊接是高能量密度的焊接方法，其所选用的等离子弧种类为混合型等离子弧，电弧收缩度极高，能量集中24，焊接过程中熔池容易控制，焊接热影响区小，焊缝具有成形精度高、焊接缺陷少、外形美观等优点，特别适用于薄板焊接25，已成为TC4钛合金薄板焊接首选的工艺。2015年李杰勋26采用微束等离子熔焊工艺在钛合金表面制备钛基复合材料，选用优化后的工艺参数来熔覆制备不同合金成分的复合材料涂层，研究涂层的组织和性能，来探索出一种新的钛合金表面复合材料涂层制备工艺。2.2钛-铁复合板对接焊 钛及钛合金构件的制造过程复杂，使用成本高昂，所以钛/铁的焊接研究几乎是伴随着钛的工业化发展同时进行的。由于钛的化学性质活泼，在400以上，极易受到氢、氧和氮的污染并使接头脆化,因此钛及钛合金与钢的焊接必须在惰性气体保护下或真空中进行。目前，钛/铁的焊接方法主要有弧焊、电子束焊、激光焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊和钎焊等。2.2.1弧焊 李标峰27曾尝试使用TIG焊方法，不加焊丝直接将纯钛和纯铁焊接起来，结果发现焊接过程中焊道便自行开裂，并有硬脆的焊珠脱落。钛与钢的直接焊接在国内外均有多次尝试，结果均以接头脆断而失败告终。原因在于焊接过程中产生的Ti-Fe金属间化合物使接头脆化28，而由于钛和钢热膨胀系数等热物理性质的差异而产生的焊接应力则加速了接头的断裂。为了获得优质的钛/钢异种金属接头，在焊接过程中必须尽量避免产生这种脆性相。张小明29采用MIG爆方法，以成分为Cu-3%Si-1%Mn、直径0.8mm的细铜丝为焊丝，将1mm厚的纯钛板焊接到12mm厚的SS400钢板表面，结果表明，接头抗拉强度达300MPa以上。李标峰30采用Ta和Cu做中间填料，具体做法是先将Ta与钛，Cu与钢焊接起来，再将Ta与Cu焊接在一起，间接实现了钛与钢板材的焊接。得到了强度为600MPa的接头，接头断裂于Ta与Cu的连接处。2.2.2电子束焊 电子束焊在焊接异种金属时比电弧焊更具优势。例如，高能量密度使电子束焊具有高的加热和冷却速度，能够克服由于两种金属熔化温度差别较大而产生的焊接问题，而低的热输入则可以缓解异种金属焊接时产生的焊接应力。然而，采用真空电子束焊方法直接焊接钛和钢依然不能克服接头脆断问题31-32。李标峰33以钒作为中间填料，先在钛板上堆焊一层钒，将钒层表面挫平后采用电子束焊方式焊接钒-铁界面，拉伸测试结果显示接头的抗拉强度为410MPa，接头断裂于纯铁母材，但钒-铁接头的质量波动性很大，部分接头出现脆断现象。王廷32采用真空电子束焊焊接2.5mm厚Ti-15-3钛合金和304不锈钢板时以1mm厚Cu板为填充金属，得到了没有裂纹的接头。结果表明在靠近不锈钢的区域，金属间化合物TiFe2弥散分布在Cu固溶体基底中。靠近铁合金的爆缝含有Ti-Cu，Ti-Fe-Cu金属间化合物层，在这里硬度达到最大值。拉伸测试时，在金属间化合物层发生脆性断裂，拉伸强度为224MPa。2013年，王廷34又分别以0.7mm铜箔+0.7mm钒箔和由粉末冶金法制备的1.4mm厚V/Cu-V复合层做为填充层，采用真空电子束焊的方式焊接2.5mm厚的近钛合金(Ti6Al2Zr2Mo2V)和304不锈钢。2.2.3激光焊 激光焊与电子束焊一样，属于高能量密度、低热输入的焊接方法，在焊接异种金属时具有一定的优势。然而采用激光焊方法焊接钛及钛合金与钢则少有报道35-36。Z.Sun和J.C.Ion37总结了各种金属组合的激光焊效果，将结果分为“非常好”，“好”，“一般”和“差”，结论为饮钛与钢直接焊效果为“一般”。H.Hiraga35采用搭接接头形式，将激光束照射在钛板上，直接焊接纯钛和不锈钢。通过对脉冲能量和功率密度的控制，使不锈钢侧形成一个较小的熔化区域，从而限制金属间化合物的大量产生，得到了剪切强度为190MPa的接头。S.S.Zhao36等人同样采用搭接的方式，将激光束照射在钛板上，焊接了Ti6A14V和42CrMo，并通过有限元数值模拟的方法研究了焊接工艺参数与焊缝温度的关系。研究发现Ti6A14V和42CrMo母材之间有TiFe和TiFe2金属间化合物层存在，其厚度随着热输入的增加而变厚。通过对激光脉冲能量和功率密度的控制，可以使界面处的温度刚好等于或略高于42CrMo板的熔焊温度，以控制金属间化合物的生成，得到最佳的焊接效果。2.2.4钎焊 钎焊是焊接过程中母材不熔化，而依靠熔化的钎料与母材表面的润湿、相互溶解和扩散而实现连接的焊接方法38。钎焊适用于焊接熔点高或塑形差的同种材料，或焊接时易产生金属间化合物或互溶相差的异种材料。但钎焊明显比扩散焊效率更高，接头设计也更加多变。因此很多难以解决的焊接组合均选择钎焊做为突破口39-41。关于钛及钛合金与钢钎料研究的报道较多，使用的钎料有Ag基，Cu基，Zr基和Ti基。 何鹏等人42-43以50m厚的Ag-Cu27-Nil-Li0.5(wt.%)合金箔做为钎料对-TiAl合金与35CrMo钢进行了感应钎焊，并对钎缝的微观组织，接头的力学性能和断裂特征进行了研究。接头的最高强度为324MPa，最佳工艺参数为930保温1分钟，接头断裂于Al-Cu-Ti的金属间化合物层。Shiue R K等人44-45采用BAg-8和63Ag-35.25Cu-1.75Ti做为钎料红外钎焊TC4与17-4PH不锈钢时，尝试在钢侧镀Ni、Cr和Ni/Cr层作为过渡层增加Ag基钎料与钢侧的连接效果。结果表明钎缝中主要为Ti-Cr-Ni，Ti-Cr以及Ti-Cu金属间化合物，接头中没有Fe-Ti化合物出现。其得到的最佳工艺参数为850保温5分钟，接头的最高剪切强度为214MPa。A.EIrefaey等人分别采用Cu65.2-Ag31-Ti3.8(wt.%)46和Cu-Mnl2-Ni2(wt.%)47-48等铜基钎料钎焊纯钛和低碳钢。对钎缝相组成的分析结果表明：钎缝中有大量的Fe-Ti，Cu-Ti和Fe-Ti-Cu金属间化合物存在，尤其是Fe-Ti金属间化合物严重影响了接头的力学性能。对接头的剪切测试结果表明接头的最大剪切强度仅为61MPa。接头断裂于靠近低碳钢的钎缝中。2.3铁-不锈钢复合板对接焊 随着不锈钢复合板在工业生产中的应用日益广泛，目前对不锈钢复合板的焊接研究也越来越多。对不锈钢复合板的焊接工艺进行研究，主要是为了获得具有优异力学性能和耐腐蚀性能的不锈钢复合板接头。但是由于不锈钢复合板的基层与覆层化学成分、物理化学性能差异较大，因此要保证不锈钢复合板接头具有良好的综合性能具有一定难度。依据文献查询，目前国内外对覆层奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的焊接性研究相对较多，工艺上相对成熟，对于不锈钢复合板的焊接工艺评定以及异种金属的焊接性研究也已有一些文献报道。 王文先49等人采用4种不同工艺对1Cr18Ni9Ti/Q235复合板的对接焊工艺进行研究，并对焊接接头的显微组织、力学性能以及覆层耐腐蚀性能进行了分析。研究表明，采用钨极氩弧焊焊接覆层和基层，覆层焊缝的显微组织为奥氏体加少量铁素体，基层为较高韧性的板条马氏体，接头力学性能良好。而采用埋弧焊焊接基层时焊缝组织为粗大的柱状晶，韧性较差。钨极氩弧焊接头在浓度为1mol/LNaCl中覆层的抗电化学腐蚀性能与母材相近，且无晶间腐蚀现象。吕世雄50等人采用钨极氩弧焊对316L/20G双金属复合管进行对接焊，实验中采用ER316L焊丝焊接覆层，采用ER309L焊丝焊接过渡层，采用ER55-G焊丝作为填充材料焊接基层，并对接头进行了拉伸、弯曲、冲击等力学性能测试，以及对接头微观组织、主要合金元素的扩散进行了分析，结果表明，获得接头的力学性能良好，覆层焊缝中合金元素并未被基层焊缝稀释。 Chuaiphan W等人51采用钨极氩弧焊接304奥氏体不锈钢和1020碳钢，并研究不同焊丝对接头组织与性能的影响。结果表明，采用309L和308L焊丝所获得的接头焊缝组织中，铁素体呈连续树枝状排列分布于奥氏体中，且前者的铁素体含量比后者高，而使用316L焊丝获得的接头焊缝中为不连续的树枝状铁素体分散排列在奥氏体中。进一步对接头进行耐腐蚀性能测试，采用309L焊丝获得的焊缝具有较好的抗点蚀性能。YAN J52等人分别采用激光焊、钨极氩弧焊、复合焊三种方法对奥氏体不锈钢进行焊接，结果表明，三种焊接方法所获得焊缝均为双相组织，但组织中的铁素体含量各不相同，其中以激光焊焊缝中的铁素体含量最高，而钨极氩弧焊焊缝中的铁素体含量最低。 田劲松53等人采用TIG自熔焊对409L和410L冷轧板进行了焊接试验，并对获得接头进行了拉伸和晶间腐蚀试验。结果表明，410L接头塑性下降较多的主要原因在于焊缝金属中的C、N含量较高，在焊接过程中易形成马氏体，冷却过程中析出了富Cr的碳化物和氮化物。409L接头未产生晶间腐蚀倾向的主要原因在于焊缝金属中C、N的含量较低，且添加了强碳化物形成元素Ti；而410L接头产生晶间腐蚀倾向的主要原因在于，焊接冷却过程中析出了富Cr的碳化物和氮化物，导致形成局部贫铬区，不过，在焊接冷却过程中形成的马氏体具有一定的抵抗晶间腐蚀裂纹扩展能力。3课题的研究内容 本实验的主要目的是为了研发钛铁不锈钢三层复合板的对接焊接工艺，考虑到焊后焊缝区域应具备的防腐蚀性、力学性能以及技术难点，主要的研究内容可分为以下部分：（1）设计合理的坡口形式（2）制定TA1薄钛板焊接工艺（3）制定钛/铁复合层焊接工艺（4）制定铁/不锈钢复合层焊接工艺（5）检测焊缝区域的耐腐蚀性4课题的研究方案（1）选择合理的坡口形式及制备方法 图4.1为钛/铁/不锈钢三层复合板焊接的对接示意图。焊后的焊缝区域必须还具有原覆层的防腐蚀性。同时钛铁又不能够直接焊接，以防止产生TiFe、TiFe2以及TiC等脆性相，削弱接头的塑性。所以，对于钛/铁/不锈钢复合板的对接焊要采取先开坡口的形式。图4.1复合板焊接的对接示意图 图4.2（a）（b）分别为预先设计的坡口形式。由于复合板的覆层非常薄，所以增加加工难度，将采取机械加工的方式去除铁和不锈钢，只留下钛覆层。图4.2（a）的加工难度低于图4.2（b），但是图4.2（a）的焊接方式较为单一，只能采取预置粉末的方式通过深熔焊进行焊接，而图4.2（b）可以采用多道焊的方式进行焊接，焊接难度大大降低，但是坡口加工难度较高。随着实验的进行，将对两种方案进行试验，确定最优方案。ab图4.2复合板坡口形式（2）确定钛覆层的焊接工艺以及钛/铁之间过渡层的填充材料 由于钛覆层厚度仅为0.2-0.25mm，属于超薄板焊接，在焊接过程中极易烧穿或由于对不齐而出现焊接缺陷，所以焊接方案初步确定为卷边焊。同时钛/铁直接焊接又会在界面处形成了TiFe、TiFe2以及TiC等脆性相,削弱了接头的塑性,而且接头的热稳定性较差,焊接变形大,接头形式也有一定的限制54。所以，根据钛/铁钎焊中采用的钎料种类，初步计划选取铜或镍来作为过渡材料，并通过试验确定最优工艺。（3）确定铁/不锈钢焊接工艺及焊缝填充材料成分 根据焊缝横断面形状，如果复合板与复合板直接焊接，焊缝处不填充任何材料。焊后的焊缝金属由复合板中的基层铁与覆层不锈钢共同熔化组成，基层的熔化量大于覆层不锈钢，基层铁对覆层不锈钢的稀释作用，使得焊缝金属中Cr、Ni的含量可能远低于覆层不锈钢中的含量。即使是焊缝表面，含有较多的覆层不锈钢，由于熔池的搅拌作用，使得其Cr、Ni含量也会低于覆层不锈钢中的含量，焊缝表面与覆层不具有同等的耐腐蚀性能。 如果在复合板焊缝处填充了与覆层相同材质的不锈钢材料，由于填充的不锈钢材料与覆层具有相同的Cr、Ni含量，基层碳钢对覆层的稀释作用，仍会使焊缝金属中Cr、Ni含量降低或者焊缝的局部区域降低，导致焊缝区是薄弱地带，焊缝表面与覆层不锈钢不具有同等的耐腐蚀性能。 根据上述分析，铁/不锈钢复合板的焊接必须在焊缝处填充高Cr、Ni的不锈钢材料。依据焊缝熔池大小、覆层不锈钢、基层碳钢和填充材料的熔化量，结合Schaeffler图(图4.3),利用杠杆定律，即可出了填充材料的Creq、Nieq分别含量，然后配制所需Cr和Ni含量的高Cr、Ni不锈钢粉末。图4.3焊缝Schaeffler图（4） 对钛/铁/不锈钢复合板焊缝的防腐蚀性能、力学性能进行检测，观察并分析显微组织。5课题的研究路线及方法 根据实验的内容，设计技术路线如图5.1。图5.1技术路线图6工作进度安排2016.09-2016.11 查阅国内外相关文献，写开题报告；2016.12-2017.03 制备焊接材料，对板材进行轧制、切割、热处理、开坡口等加工；2017.04-2017.07 学习并熟练掌微束等离子焊机，完成钛覆层的焊接，测试工艺参数；2017.08-2017.09 进行复合板焊接实验，制备良好的复合板焊缝；2017.10-2017.12 对复合板焊缝进行腐蚀性能检测；2018.01-2018.02 对复合板焊缝进行性能检测及组织分析；2018.03-2018.05 撰写论文，准备答辩参考文献1刘启华. 16MnR+00Cr19Ni10不锈钢复合钢板的焊接J. 江汉石油职工大学学报, 2008, 21(2):77-79.2Karlsson L. 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