钢与钛合金焊接

1、钢与有色金属的焊接3,钢与钛及其合计的焊接,特点： 钛及钛合金密度小，热膨胀系数小（4.5 g/cm-3），道导热性差，摩擦系数大，弹性模量较低，不利于结构的刚度。工业纯钛有很高的化学活性，生成致密氧化膜，在不同条件下(酸、碱、温度)有很好的耐蚀性（500 ）。 强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出的特点是比强度高。 因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛应用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。 因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切,钢与钛及其合金的焊接,1、钛合金特点、分类及性能,钢与钛及其合金的焊接,钛合金 的分类,工业纯钛（ TA1，TA2

2、，TA3,钛合金,钛合金（TA4，TA5，TA6.,钛合金（TB1，TB2 .,钛合金（TC1，TC2，TC3.,1、钛合金特点、分类及性能,钢与钛及其合金的焊接,工业纯钛（ TA1，TA2，TA3） Ti在885以下为密排六方钛合金 Ti在885以上为体心立方钛合金 Ti在885发生同素异构转变 纯钛中杂质：H、O、Fe、Si、C、N等 O、N、H形成间隙固溶体，Fe、Si等形成置换固溶体，固溶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性下降），但H使钛的冲击韧性急剧下降，氢脆,1、钛合金特点、分类及性能,钢与钛及其合金的焊接,钛合金 钛合金：加入Al、稳定相，中性元素Sn、Zr。 加入Al 5，再结晶

3、温度600 800 ，耐热性提高，减少H的敏感性，过多（7），Ti3Al相脆性。 钛合金高温强度高、韧性好，抗氧化能力强，焊接性好，组织稳定，但加工性比钛合金和钛合金差，不同进行热处理强化，只是600 700 退火消除加工硬化， 500 600 不完全退火消除焊接残余应力。 钛合金：含有稳定元素，含Mo、V、Cr。通过时效热处理，单一相加工性能良好，但高温性能差，焊接性很差，易于形成冷裂纹，焊接结构中很少用,1、钛合金特点、分类及性能,钢与钛及其合金的焊接,钛合金 钛合金：两相，含有Al，稳定相，中性元素Sn、Zr， 相稳定元素（6）。 具有和相的优点，即高温变形能力和热加工性，又可热处理提高

4、强度。 TC4（Ti6Al4V）是广泛应用的钛合金，不同热处理下两相比例、性质、形态不同。具有良好的压力加工性和焊接性,1、钛合金特点、分类及性能,1、钛合金的特点,钢与钛及其合金的焊接,国外在20 世纪50年代就开始进行研究. 美国在1956 年第一次对钛与钢直接进行点焊,由于接头发脆没有成功。 一般认为铁在-Ti 中溶解度极小,这样在钛-铁焊缝中除了有铁在-Ti 中的固溶体外,还形成了脆性的TiFe 型-金属间化合物,这些相的硬度达Hv600 ,有的甚至到Hv8001050 ,致使焊缝发脆,在冷却过程中形成裂纹,TiFe 型及TiC 等脆性相是导致焊缝开裂的主要原因。 为使钛与铁能焊在一起

5、,必须在焊接过程中避免产生这些脆性相,解决这个问题的途径可以归纳为以下几种: (1) 用一种与钛、铁两元素能形成连续的或宽范围固溶体的金属来直接进行焊接; (2) 用一种或两种与钛、铁两元素有好的可焊性的金属作为中间填料,使钛与钢间接地焊接起来; (3) 采用低于钛、铁熔点的焊接方法,钢与钛及其合金的焊接,2、钛及钛合金焊接特点,111,钢与钛及其合金的焊接,2、钛及钛合金焊接特点,接头区脆化： 540以上，氧化膜疏松，与O、N、H等反应快，接头塑性韧性降低。300 以上吸H，600 以上吸O，700 以上吸N， O、高温固溶，强度提高，塑性下降；N会形成脆性相TiN。 H是相稳定元素，325

6、 发生共析反应： （TiH2），片状或针状存在，裂纹源，降低塑性和韧性， 焊接中严格控制H来源,钢与钛及其合金的焊接,2、钛及钛合金焊接特点,接头区脆化： 常温时，C 在钛中溶解度0.13，间隙固溶，强度提高，塑性下降。饱和析出TiC，网状分布，塑性降低，焊接裂纹。 所以，C0.1. 合金元素：Al、Ni、Si、Nb、Cr、Mn、Mo等。 焊接时采用高纯度惰性气体或无氧氟氯化物焊剂,钢与钛及其合金的焊接,2、钛及钛合金焊接特点,焊接裂纹： 熔点高，热容量大，导热性差，形成的熔池大，焊缝和热影响区金属高温停留时间长，晶粒长大，降低接头塑性和韧性，易于产生焊接裂纹。 O、H、N多时，焊缝和HAZ变

7、脆，易于产生冷裂纹，延迟裂纹 焊缝气孔： 氩气、母材、焊丝中O2、N2、H2、CO2、H2O都可以引起气孔 其中H是形成气孔的组要气体。 措施：加强清理（机械清理和化学清理），缩短焊接时间，良好的焊接工艺等,钢与钛及其合金的焊接,2、钛及钛合金焊接特点,钛及钛合金密度小，强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出的特点是比强度高。 因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛应用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。 因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切,钢与钛及其合金的焊接,2、钛及钛合金焊接特点,图12所示为铁钛合金状态图。铁在钛中的溶解度极低，焊接时焊缝

8、金属中容易形成金属间化合物FeTi、Fe2Ti，使接头金属塑性严重下降，脆性增加。与不锈钢焊接时，钛还会与Fe、Cr、Ni形成更加复杂的金属间化合物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹、气孔。因此，最好避免采用熔焊方法，尽量采用压焊或钎等方法,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,铁的比重与线膨胀系数分别为钛的1. 7 倍与1. 6倍,而导热系数更为钛的5. 5 倍,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,TiFe 相是硬脆的金属间化合物, 在Ti 与Fe 组成的合金中, 它剧烈地提高合金的强度, 但显著地降低塑性。含有0

9、. 14 %Fe 的钛,它的硬度为Hv199 ,而当含Fe量为2. 2 %时,硬度则提高到Hv450 ,则相应地从18. 5 %降低到2. 5 %。 当钛与钢直接熔焊时,焊缝中的含铁量会超过在钛中的溶解度范围,在焊缝中极易形成脆性的金属间化合物。除金属间化合物外,焊缝中还有与金属间化合物形成的低熔点共晶体,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从250开始吸收氢，从400开始吸收氧，从600开始吸收氮，使焊接区被这些气体污染而脆化，甚至产生气孔。焊接时，加热到400以上的区域必须用惰性气体保护。钛及钛

10、合金的热导率大约只有钢的1/6，弹性模量只有钢的1/2。由于热导率较小，焊接时容易引起变形。可以采用刚性夹具、冷却压块、反变形及选用合适的焊接工艺等方法防止和减少变形。 焊后应进行退火消除内应力。退火工艺应根据合金牌号、结构形式和应力大小及分布状态诸因素来决定，一般在550650下保温14h。退火处理最好在真空或氩握中进行，在空气中热处理的零件要进行酸洗，以清除氧化膜,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,从钛钢直接熔焊试样的微观分析及有关文献报道看,要取得塑性的钛钢直接熔焊接头是不可能的, 加中间填料,使它们间接地焊接起来是目前的可行方案。 中间填料一般需要具备以下条件: 与两

11、种基体(钛及钢) 分别有好的焊接性, 这是基本条件; 要有一定的强度; 耐腐蚀性要好。 后两个条件可视产品要求而定,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,铌铜组合作中间填料 用铌与铜组合做中间填料,使钛与钢间接地焊接起来,这样就形成钛铌铜钢接头。用的材料是TA5 钛板、纯铌板、1Cr18Ni9Ti 不锈钢板、10 号低碳钢板及青铜板。钛铌铜钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。 钛铌接头从TiNb 二元状态图看, 该两元素形成无限固溶体,有很好的互溶特性,不产生脆性的金属间化合物。如果用高纯度合金及焊丝,在保护气氛中进行焊接,将能得到高塑性、无裂纹的钛铌接头,2、钢与钛

12、及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,铌铜组合作中间填料 钛铌铜钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,铌铜组合作中间填料 钛铌铜钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜,2、钢与钛及其合金的焊接特性,钢与钛及其合金的焊接,铌铜组合作中间填料 钛铌铜钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜,1）钢与钛及钛合金的氩弧焊 钢与钛的熔焊主要采用中间过渡层，以避免金属间化合物的产生。过渡层可以采用两种方法：一是采用轧制钢钛复合板，二是加入中间层。厚11.5mm的钛与不锈钢氩弧焊时可采用钽、青铜复合中间层，接头强度b588MPa

13、。也可以采用Ni-Cu合金作为中间层,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,1）钢与钛及钛合金的氩弧焊 碳钢、不锈钢与钛焊接时，还可以采用钒作为中间层。先在钢板上加工出一定形状的凹槽，然后在凹槽中焊上钒的中间层，再用氩弧焊（不加丝）把钛板焊在钒中间层上，采用这种工艺接头力学性能好，而且还具有良好的塑性。 采用自动氩弧焊焊接Cr15Ni5AlTi不锈钢与钛合金TCl时，可以选用加钨的钒合金作为中间金属层。中间金属层宽度为810mm，厚度为11.5mm，用直流正接电源，外加氩气保护。焊接电流为7080A，焊接速度为0.83cm/s。在焊接钒与钢时，钨极要偏向钒一侧1/2钨极直径的距离

14、。焊缝含钒量在6%12%时，焊接接头的弯曲角可达140，如果电极偏向钒一侧时，增加钒的熔化量，焊缝中钒的含量可达40%45%，焊缝金属中形成稳定的相，弯曲角可达150180,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,2）钢与钛及钛合金真空电子束焊 电子束焊焊接能量高、穿透能力强，适合于焊接各种难熔金属，还可实现多种异种金属的直接连接，例如高熔点的氧化材料、钛及钛合金等难焊金属的焊接。钢与钛及钛合金的真空电子束焊的最大特点是获得窄而深的焊缝（1：3或1：20），而且热影响区很窄。在真空中焊接，避免了由于钛在高温中吸收氢、氧、氮而产生的焊缝脆化。在电子束的焊缝中有可能生成金属间化合物（F

15、eTi、Fe2Ti），使接头塑性降低。由于焊缝比较窄，在工艺上加以控制可以减少生成FeTi和Fe2Ti。因此，钢与钛的电子束焊接可以获得良好质量的焊接接头,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,2）钢与钛及钛合金真空电子束焊 钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用Nb和青铜作为填充材料，可以获得不出现金属间化合物的焊缝，接头强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现裂纹和其缺陷。如果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚至出现裂纹。这些中间层的合金有V+Cu、Cu+Ni、Ag、V+Cu+Ni、Nb和Ta等，采用中间层的焊接工艺比较复杂，一般应用的较少。钢与钛及钛合金的真空电子束焊之前

16、，必须对钛的表面进行清理，即对端面用不锈钢丝刷或机械加工之后再进行酸洗，用水冲洗干净，其酸洗液见表24,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,表24 钛及钛合金酸洗溶液,3）钢与钛及钛合金的扩散焊 采用真空扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金，一般情况下，多采用中间扩散层或复合填充材料。这些中间扩散层材料一般采用V、Nb、Ta、Mo、Cu等，复合层有V+Cu、Cu+Ni、V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。最常用的中间扩散层金属是Cu。在高温下，Cu与Ti之间产生扩散，而且铜在钛中具有一定的溶解度。此外，加入铜还可以控制碳向钛中扩散，并且钢

17、具有良好的塑性，有助于形成良好的界面。 纯铁与TA7的真空扩散焊的工艺参数见表25。几种不锈钢与TA7真空扩散焊的工艺参数见表26。不锈钢（1Cr18Ni9Ti）与钛（TC4）真空扩散焊的工艺参数见表27,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,3、钢与钛及其合金的焊接工艺,钢与钛及其合金的焊接,表25 纯 铁与TA7真空扩散焊的工艺参数,钢与钛及其合金的焊接,表26 几种不锈钢与TA7真空扩散焊的工艺参数,钢与钛及其合金的焊接,4）钢与钛及钛合金的钎焊 钛及钛合金焊接过程中高温时易吸收氢、氧、氮等气体而产生脆化，而在钢与钛及钛合金钎焊时也同样要防止高温时受氢、氧、氮的侵害，钎焊过程必须在氩或氦气保护下的炉中进行，可以获得优质