钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状_图文

1、 摘要关键词本文综述了钛及钛合金与不锈钢连接技术研究现状及发展趋势,分析了钛及钛合金与不锈钢连接的特点以及目前已研发的各种钎焊方法存在的问题;同时对TIG钎焊及激光钎焊在异种金属连接方面的应用前景做了进一步展望。钛合金;不锈钢;钎焊钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状作者简介:陈明洁(1985-,男,汉族,合肥工业大学在读硕士研究生,现主要研究先进材料的焊接。合肥工业大学陈明洁徐道荣前言随着材料科学的发展,新材料的不断涌现,在生产应用中,经常遇到异种金属的连接问题。焊接异种金属的方法有很多,主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊-钎焊及液相过渡焊等。钛及钛合金由于具有密度低、比强度高、抗腐蚀

2、性能优异、高温强度及低温韧性良好以及生物相容性好等优点,已广泛应用于航空航天、船舶航运、武器装备、石油化工、汽车工业、电子产业、医疗器械及核动力等领域。但是,由于钛的弹性模量低、抗蠕变性能差,单一的钛材在许多情况下难以满足实际使用对材料综合性能的要求;另外,价格较为昂贵也使其应用受到一定限制。而不锈钢是最常用的结构材料,具有一系列优良的性能,如力学性能、焊接性、热稳定性等,且成本相对较低。如果将钛与不锈钢材料结合起来使用,其复合构件同时具有钛合金与不锈钢的优点,就能充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势。因此,研究钛及钛合金与不锈钢的焊接,无论是从经济角度还是从使用性能角度都非常必要,具有广

3、阔的应用前景和深远的意义。钛及钛合金的化学活性大,400以上时即使在固态情况下也极易被空气、水分、油脂、氧化皮等污染,吸收O、N、H、C等,使焊接接头的塑性及冲击韧度下降,并易引起气孔;其熔点高、热容量小、热导率小的特点,使焊接接头易产生过热组织,晶粒变得粗大,特别是钛合金,易引起塑性降低;溶解于钛中的氢在320时和钛会发生共析转变,析出TiH ,1-41钛及钛合金/不锈钢的焊接性分析1.1钛及钛合金的焊接性2222引起金属塑性和冲击韧度的降低,同时发生体积膨胀而引起较大的应力,严重时会导致冷裂纹产生;氢在钛中的溶解度随温度升高而下降,焊接时沿熔合线附近加热温度高,会引起氢的析出,因此气孔常在

4、熔合线附近形成;钛及钛合金的弹性模量相对较小所以焊接残余变形较大,并且焊后变形的矫正也较为困难。由于不锈钢本身所具有的特性,与普碳钢相比不锈钢的焊接及切割有其特殊性,更易在其焊接接头及其热影响区(HAZ产生各种缺陷。焊接时要特别注意不锈钢的物理性质。马氏体型不锈钢进行焊接时,由于热影响区中被加热到相变点以上的区域内发生a-r(M相变,因此存在低温脆性、低温韧性恶化、伴随硬化产生的延展性下降等问题。一般来讲铁素体型不锈钢有475脆化、700800长时间加热下发生相脆性、夹杂物2,51.2不锈钢的焊接性,Present situation about brazing technology stud

5、y of Ti,Ti alloy and stainless steel 和晶粒粗化引起的脆化、低温脆化、碳化物析出引起耐蚀性下降以及高合金钢中易发生的延迟裂纹等问题。奥氏体型不锈钢一般具有良好的焊接性能,但其中镍、钼含量高的高合金不锈钢进行焊接时易产生高温裂纹。另外还易发生相脆化,在铁素体生成元素的作用下生成的铁素体易引起低温脆化,以及耐蚀性下降和应力腐蚀裂纹等缺陷。经焊接后,焊接接头的力学性能一般良好,但当在热影响区中的晶界上有铬的碳化物时极易生成贫铬层,而贫铬层的出现在使用过程中易产生晶间腐蚀。双相不锈钢的焊接裂纹敏感性较低,但在热影响区内铁素体含量的增加会使晶间腐蚀敏感性提高,因此可造

6、成耐蚀性降低及低温韧性恶化等问题。钛及钛合金与不锈钢的物理和化学性能差异显著,连接时易在接头处形成脆性相和较大的内应力,导致接头极易开裂,而且在密度、比热、线膨胀系数、导热系数等物理性能和力学性能上均有较大差异,必然会降低钛及钛合金/钢连接的牢固性,即使在固态连接方法下,由于线膨胀系数差别较大,也会在焊接接头中引起较大焊接的残余应力,降低接头性能。钛的化学活性强,在高温下,对氧、氮、氢具有较高的化学亲和力,易形成脆性化合物,使强度显著提高,而塑性和韧性急剧下降,显著地增加脆性断裂倾向及裂纹形成。钛还易与许多其它金属形成金属间化合物,钛与铁易形成金属间化合物TiFe和TiFe 。钛/钢焊接时,由

7、于钢中存在的Ni、Cr、C等5,61.3钛及钛合金与不锈钢的综合焊接性2元素也能与Ti形成TiNi、TiNi、TiNi、TiCr、TiC等多种金属间化合物脆性相,使焊缝更脆,性能进一步降低。钛及钛合金与钢的物理性能以及结晶化学性能均相差较大,焊接时易在焊缝中形成多种脆性金属间化合物及碳化物,因此焊缝很脆,加上钛/钢接头因热膨胀系数相差较大而存在较大的内应力,导致接头极易开裂。即使在固态下焊接,由于母材组元的相互扩散和迁移,也会在结合面附近形成一个金属间化合物和碳化物的薄层,从而导致接头脆断。因此,必须选择合适的焊接方法来进行钛及钛合金与不锈钢的连接。从目前国内外发展现状看,用钎焊方法来焊接钛及

8、钛合金/钢比较理想。因为一方面,钎料的存在可以起到降低应力的作用;另一方面,可通过改变钎料和钎焊温度、钎焊时间、钎焊间隙等工艺参数来减小接头界面脆性相(金属间化合物的生成量及形态分布,从而实现特殊构件及高精度、高可靠性的连接。杨愉平等采用银基钎料(HL316,Ag-Cu-Ti在低真空度下进行钛和不锈钢异种金属的无钎剂、无镀层的辉光放电钎焊。结果表明,不锈钢表面的氧化膜可以通过离子轰击减少,也可以被液态钛及钛铜合金破坏,大大改善了钎料对它的铺展性,使钎焊更好地得以进行;同时,母材向钎料中的溶解会造成钎缝成分、组织和性能不均匀,溶解量主要取决于钎料成分、钎焊温度和保温时间,钎焊时只要选择合适的钎料

9、、严格控制这两个工艺参数,即可获得无溶蚀的钎焊接头。352,7,8902国内外钎焊研究现状及分析22薛忠明等采用Ag-Cu-Ti钎料对TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢异种金属组合薄壁小直径管进行了真空高频感应钎焊工艺研究,分析了不同接头型式、搭接间隙和搭接长度对钎焊接头承载能力的影响,得出接头型式、装配间隙和搭接长度是影响接头质量与性能的主要因素。不锈钢作为外套管型式的钎焊接头性能要远远优于钛合金作为外套管型式的接头性能;随着装配间隙的增大,接头承载能力大大降低;在该试验条件下,搭接长度为4mm时能够获得性能最佳的钎焊接头;钎焊接头的内外部质量未发现任何缺陷,密封性能良好,接头单点漏率

10、优于510Pa/(ms;钛合金与不锈钢母材均与Ag-Cu-Ti钎料发生了良好的化学反应,并且钎料层与钛合金、不锈钢母材之间没有形成金属间化合物层。杨静等根据核动力装置的使用要求,采用Ag95CuNiLi钎料对TA17钛合金与0Cr18Ni10Ti不锈钢进行真空钎焊实验,并对组织特征进行了分析。结果表明:钎缝中不锈钢/钎料一侧,形成了三层金属间化合物钎缝组织;在钛合金/钎料一侧,形成两个组织区域,在不锈钢一侧为金属间化合物组织,钎缝中Ti已经进入不锈钢一侧的扩散层,钎料中的Cu在钛合金/钎料与不锈钢/钎料扩散层积聚,同时,银沿钛合金晶间扩散;在凝固钎焊接头的钎缝中,靠近不锈钢一侧出现了Ti、Cu

11、的富集;靠近钛合金一侧Cu原子的含量明显升高,钎缝中心区基本上是纯银;钎缝中除不锈钢/钎料扩散层外,其他各微区的显微硬度并没有增加;从钎缝断口分析也证明钎缝中靠近不10-9311锈钢一侧是接头最薄弱的位置。高莹等用四种银基钎料对TB2/不锈钢进行真空钎焊实验研究并评价了各自的钎焊工艺性能。对比四种钎料的DTA分析结果如图1所示,及四种钎料不同温度下的润湿面积(见表1,得出AgCu钎料在800时对钛和钢具有良好的润湿性。对比保温时间对钎缝剪切强度的影响,如图2所示及TB2合金在4种状态下的拉伸性能(见表2,得出10min12为最佳保温时间,采用固溶+钎焊+时效工艺拉伸性能最好。最终得出的最佳钎焊

12、工艺是:采用搭接方式,钎缝间隙在0.050.1mm,钎焊温度800,保温时间10min,钎焊完后快速降温钎焊与TB2合金热处理的匹配是:采用固溶+钎焊+时效工艺,这样既可以获得较高的钎缝剪切强度,又对TB2合金母材的性能影响不大。X.Yue 等用AgCuTi钎料对TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了真空钎焊实验,并对微观结构和界面反应做了分析。结果表明在920时保温5min 得到的钎焊接头剪切性能最好,达到了188MPa,接头组织为1Cr18Ni9Ti/CuTi /Ag-rich+Cu4Ti/Cu4Ti/-Ti/TC4;而到保温时间提高到10min时,直接导致了接头处脆性的Cu-Ti

13、化合物的长大,从而降低了接头的剪切强度。当温度提高到980保温5min时,接头组织为1Cr18Ni9Ti/Ag-rich/CuTi2/Ti-Cu-rich/-Ti/TC4,过高的温度导致了钎缝中Ag元素的流失,接头的剪切强度降低到123MPa。133TIG钎焊及激光钎焊在该方向上的应用3.1TIG钎焊的应用TIG钎焊热输入量小,加热速度快,接头在高温停留时间短,热影响区过热度低,母材金属不易产生晶粒长大,不易产生热裂纹,具有焊缝成形美观,工件变形量小,接头强度高,可以实现焊接自动化等优点,在异种材料连接、薄壁器件连接等领域具有广阔的应用前景。宋建岭等选用CuSi3焊丝对Inconel600镍基

14、合金/1Cr18Ni9Ti不锈钢进行钨极惰性气体(TIG钎焊实验并通过拉伸试验和硬度试验评定接头的力学性能。结果表明,TIG钎焊接头具有熔焊和钎焊的双重性质,CuSi3接头剪切强度达到195MPa,接头断裂在焊缝与不锈钢界面处,断口为微孔聚合机制引起的塑性断裂。林三宝等采用铝硅共晶焊丝对5A06铝合金/1-Cr18Ni9Ti不锈钢异种金属进行了TIG熔钎焊接实验,并对接头微观组织进行分析。结果表明,不锈钢表面镀锌层能够增强液态钎料在钢表面的润湿铺展及防止金属间化合物生成的作用,但在多道焊过程中镀Zn层过热挥发失去了对钢表面的保护,在界面生成脆性的金属间化合物,并且Zn的挥发在接头中形成气孔缺陷

15、;不锈钢界面层14 15780800820840AgCuSn 不锈钢未熔化 表1四种钎料不同温度下的润湿面积(mm 20.2(%(1固溶+钎焊+时效(2固溶+时效+钎焊(3钎焊+固溶+时效(4固溶+时效表2TB2合金在四种状态下的拉伸性能比较上部镀Zn层熔化严重,液态钎料对不锈钢产生溶蚀作用,Fe元素通过镀Zn 层向液态Al-Si熔池中扩散,形成了枝晶状的Al-Fe金属间化合物,在界面层也生成了金属间化合物层,不锈钢界面层下部镀Zn层完整,起到了良好的保护作用;拉伸试件断裂于不锈钢与焊缝的界面处,接头为整体脆性断裂,抗拉强度达到105MPa。采用激光作为热源,焊丝自动送入,利用钛及钛合金/不锈

16、钢熔点差异大的特点,在焊接过程中,使不锈钢和钎料熔化,形成熔焊接头;而钛及钛合金保持固态与熔化的钎料之间形成钎焊接头,这样可避免两种材料充分反应生成大量的脆性金属间化合物。李明高等用银基钎料对TiNi形状记忆合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行激光钎焊,并对接头界面反应层的组织结构特征进行分析。结果表明,TiNi形状记忆合金与不锈钢激光钎焊接头钎缝主要由-Ag固溶体、-Cu固溶体和Ag-Cu 共晶相组成,不锈钢/银基钎料界面反应区由3层连续的反应层构成,分别为:奥氏体(A,马氏体(M/A和M/-Ag+-Cu+M;TiNi形状记忆合金/银基钎料界面反应层主要由Ti(Ni,Cu+(Ni,CuTi2

17、化合物组成。陈树海等以铝硅共晶合金为填充材料,采用激光熔钎焊的方法对铝/钛异种合金进行焊接,获得了同时具有熔焊和钎焊双重特征的焊接接头。界面金属间化合物的主要成分为TiAl,以Ti(Si-Al 结构的置换固溶体形式存在。底部界面容易成为裂纹产生的源头,裂纹多沿界面附近焊缝中的共晶组织扩展,接头的平均抗拉强度为铝母材3.2激光钎焊的应用1617x 1-x 3的85%左右。钛及钛合金与不锈钢等异种金属连接结构具有两种金属的综合优势,但是由于异种金属之间物理、化学和力学性能差异巨大,采用常规焊接方法容易出现冶金不相容性,在界面易于形成脆性化合物相,以及由于热物理性能不匹配产生残余应力等严重影响焊接质

18、量的性能问题。总的来说,钎焊连接钛及钛合金/不锈钢在保证加工精度和提高焊接生产效率方面显示出了一定的优势和较好的应用前景。随着现代化工业的发展,应用抗腐蚀镀层板材的领域越来越广。在众多的钢铁防腐方法中,镀锌是一种非常有效且便宜的方法,而焊接镀锌板材最好是减少热输入量,TIG焊的优点正好满足这一条件,而且将其应用在薄壁件的连接及表面修复上,在减小工件变形和熔透,保证焊接质量和焊缝美观等方面,有着极具前途的应用前景。目前TIG钎焊的研究也日趋成熟,从原理分析、焊接研制,到焊丝配制、钎料润湿铺展实验等方面都进行了较为系统的研究。激光钎焊的发展将激光焊与电弧焊有机地结合起来,从而获得了优良的综合性能,在改善焊接质量和生产工艺性的同时,提高了效率/成本比。激光-MIG复合焊成为当前最热的发展趋势,MIG焊焊缝搭桥能力好,对接头装配要求低;激光焊热输入量集中、熔深大、速度快,而激光-MIG复合焊则兼容两者优点,尤其是在镀锌材料的焊接上表现出一定的优越性。激光-MIG复合焊技术为汽车工业提供了一种全新的焊接技术,它4结论与展望具有宽广的应用范围和高效的特性,同时减少投资成本、缩短了生产时间、节