CN101288877A - 一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法 - Google Patents

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一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，它涉及一种钛合金板与不锈钢板的复合方法。针对钛合金板与不锈钢板熔化焊接时产生液态金属强烈混合和较高焊接应力；真空扩散焊接时为保证连接而促进扩散与控制连接界面金属间化合物体积分数之间的矛盾及***焊接接头难以在高温和腐蚀环境下应用问题。方法是：取不锈钢板(1)和钛合金板(2)，此外还有铜箔或铝箔(3)，将两块板的表面铣平并将铜箔或铝箔(3)夹在其中间固定构成试件，将试件放入真空加载室(5)中，当真空加热炉(6)内的真空度为(1～3)×10－3Pa，温度为600～1100℃时，将试件送入其中加热、保温，用轧辊(7)焊接，冷却。本发明焊接应力小，能控制硬度高、脆性大的金属间化合物体积分数，焊接接头能在高温和腐蚀性环境下应用。

Description

一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金板与不锈钢板的复合方法。
背景技术
钛合金比强度高、耐高温、耐腐蚀，但是，其应用受到高成本的限制。不锈钢具有较好的综合性能，是最为常用的结构材料之一，而且具有成本上的优势，但是比强度不高，不具有核能、化工等行业所需要的特殊性能。钛合金与不锈钢的复合能够取长补短，发挥二者优异的综合性能，在航空航天、核能、汽车、医疗和石油化工行业中有着广阔的应用前景。但是钛合金和不锈钢熔点均在1500℃以上，属于难熔材料，二者的物理性能尤其是线膨胀系数存在较大的差异，在焊接过程中会形成较大的焊接应力，而且在高温下二者容易反应形成硬度高、脆性大的金属间化合物导致接头脆化，使得接头的连接强度急剧下降，所以二者的连接很困难，这些都是急需解决的问题。
目前对钛合金与不锈钢的连接方法的研究主要有熔焊、钎焊、真空扩散焊和***焊接，研究主要停留在实验阶段，难以实际应用，仅有***焊在钛和钢的薄板的连接中得到了应用。但是这种复合板连接界面的组织和性能很不均匀，难以在腐蚀性环境下应用，而且板的厚度受到很大的限制。
(1)熔焊，焊接时熔化的液态金属在熔池中强烈混合，形成大量的脆性的Fe-Ti和Fe-Cr-Ti金属间化合物导致接头脆化，焊接温度高使得焊接应力较大，难以形成完整的焊接接头或者形成的焊接接头的连接强度很低。采用填充金属进行钛和钢的熔化焊接时，为了避免熔化的母材金属混合，导致焊接工艺复杂，而且焊缝成型差，对焊缝成分的控制很困难，接头连结强度不高，而且对焊接操作者的熟练程度要求较高。
(2)钎焊
钎焊时一般选用的钎料为金基或银基钎料，钎焊接头的连接强度因为受到钎料自身强度的限制所以不高，而且钎料成本较高，限制了其应用。一般钎料在不锈钢上润湿性差，对于异种材料连接，很难保证钎料在两种母材的表面均能够良好润湿。钎缝中尤其是与母材不锈钢相邻处会形成硬度高的金属间化合物层，接头脆化，整体连接强度不高。
(3)扩散焊
扩散焊接是依靠连接材料的元素原子的扩散来形成连接的，固态下原子扩散速度是极为缓慢的，因而对连接表面的平整度要求较高，所以扩散焊接在焊接连接面积较大的焊件时存在困难。由于钛合金和不锈钢在高温下容易形成脆性的Fe-Ti和Fe-Cr-Ti金属间化合物，因此连接表面的元素的相互扩散就需要加以控制，但是为了保证连接界面的连接就要促进连接界面处元素原子的扩散，这样为了促进连接而加强连接界面处元素的扩散与金属间化合物体积分数的控制之间就形成了难以调和的矛盾，导致焊接参数选择范围较小，接头连接质量的提高受到了限制。
(4)***焊
***复合板存在着一些宏观的和微观的缺陷，这些缺陷将对表面质量、力学性能、后续加工和使用产生不利的影响，***焊接的应用也因此受到一定的限制。此外，***焊接要求覆板厚度不能太大，基板厚度不能太小，对于厚度接近的大厚度异种材料的焊接较为困难。硬而脆的材料在***焊接时极易产生脆裂，因此一般不能用***焊接的方法来连接。***焊接接头由于连接界面发生了严重的塑性变形，使得组织和成分极不均匀，在腐蚀环境下应用容易引起应力腐蚀开裂。在高温环境下应用会由于元素之间的扩散而在连接界面处形成脆性的金属间化合物导致接头脆化，因此应用环境的温度不能过高。
综上所述，目前常用的焊接方法在钛合金与不锈钢厚板的焊接中存在很大的困难，需要一种新的方法来解决这一问题，这种新的焊接方法应该既能够保证连接材料表面的紧密接触，又能够有效地控制连接材料之间的金属间化合物的体积分数，而且焊后连接界面的组织和性能较为均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，以解决钛合金板与不锈钢板采用熔化焊接时产生的液态金属的强烈混合和较高的焊接应力；采用真空扩散焊接时为了保证连接而促进扩散与控制连接界面的金属间化合物的体积分数之间的矛盾及采用***焊接接头难以在高温和腐蚀环境下应用的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的真空热轧复合方法是这样完成的：一、取不锈钢板和钛合金板，此外还有铜箔或铝箔待用，先将不锈钢板的上下表面及钛合金板的上下表面铣平，然后将不锈钢板和钛合金板叠放在一起，将铜箔或铝箔夹在不锈钢板和钛合金板的中间构成三层金属板，所述三层金属板通过两个铆钉固定在一起构成一个试件；二、将上述所述试件放入真空加载室中，当真空加热炉内的真空度达到(1～3)×10-3Pa时开始加热，加热速度为300～500℃/h，当真空加热炉内的温度达到600～1100℃时，将试件从真空加载室送入到真空加热炉中加热，待真空加热炉内的温度稳定在600～1100℃，当真空加热炉内的真空度为(1～3)×10-3Pa时开始保温，保温时间为90～180min，然后把试件送入轧辊进行焊接，轧制速度为0.03～0.2m/s，压缩率为15％～35％，轧后试件送入到真空卸载室中冷却，当试件的温度冷却到200～300℃时从真空卸载室中取出。
本发明的有益效果是：一、本发明的整个焊接过程在真空中进行，避免了高温加热时钛合金与空气中的气体发生反应而被氧化；二、焊接材料不熔化，加热温度不高，避免了连接材料熔化而在熔池中液态金属强烈混合形成大量的金属间化合物导致接头严重脆化的问题，焊接温度不高，焊接应力小。三、连接强度高，可选的中间层材料种类多，成本低。四、对连接材料的表面质量要求不高，可以焊接具有一定面积的钛合金板与不锈钢板，连接材料的相对厚度和相对位置可以是任意的组合，没有严格的限制。五、焊接时间短，连接材料之间的扩散程度小，能够有效地控制对连接不利的硬度高、脆性大的金属间化合物的体积分数，从而能够极大地提高接头连接质量。六、经过真空热轧之后，连接材料的组织和性能较为均匀，连接界面没有明显的缺陷，焊接接头能够在高温和腐蚀性环境下应用。
附图说明
图1是钛合金板2与不锈钢板1的真空热轧过程示意图，图2是本发明所使用的焊接设备组合示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的真空热轧复合方法是这样完成的：一、取不锈钢板1和钛合金板2，此外还有铜箔或铝箔3待用，先将不锈钢板1的上下表面及钛合金板2的上下表面铣平，然后将不锈钢板1和钛合金板2叠放在一起，将铜箔或铝箔3夹在不锈钢板1和钛合金板2的中间构成三层金属板，所述三层金属板通过两个铆钉4固定在一起构成一个试件；二、将上述所述试件放入真空加载室5中，当真空真空加热炉6内的真空度达到(1～3)×10-3Pa时开始加热，加热速度为300～500℃/h，当真空加热炉6内的温度达到600～1100℃时，将试件从真空加载室5送入到真空加热炉6中加热，待真空加热炉6内的温度稳定在600～1100℃，当真空加热炉6内的真空度为(1～3)×10-3Pa时开始保温，保温时间为90～180min，然后把试件送入轧辊7进行焊接，轧制速度为0.03～0.2m/s，压缩率为15％～35％，轧后试件送入到真空卸载室8中冷却，当试件的温度冷却到200～300℃时从真空卸载室8中取出。
所制得的焊接试件的总厚度为2～40mm、宽度为60～500mm、长度为100～1000mm；连接界面的金属间化合物层的总厚度控制在3μm以下；焊接接头的拉伸强度：≥80％(不锈钢板1的拉伸强度)。
在轧制过程中，在轧制力矩的作用下连接板材和中间层材料均发生塑性变形，这能够有效地实现连接材料表面的紧密接触，因此这种方法对连接材料表面的要求不高，能够焊接面积较大的板材。由于加载方式是以轧制力矩的形式随着轧制过程的进行顺序加载到金属板材上的，而不是直接的径向静态加载，降低了对动力装置的要求，可以用于大厚度、大面积的连接材料的焊接。连接材料表面由于塑性变形性能的差异而产生连接材料表面的相对滑移，连接材料表面在轧制方向上产生接触摩擦力，在这种接触摩擦力的作用下破除连接材料表面的氧化膜和其它影响连接的杂质，新鲜的连接材料表面露出并相互接触形成连接，由于轧制过程时间很短，因此在保证连接的同时限制了连接材料之间的扩散，能够有效地控制对连接不利的金属间化合物的体积分数。经过轧制，连接材料的组织和性能更为均匀，有利于焊接接头的应用。
本实施方式中所用的钛合金板2与不锈钢板1用电火花线切割的方法切割成所需要的尺寸。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式在步骤一中所用的铜箔或铝箔3的厚度为0.1～0.5mm。可保证钛合金板2与不锈钢板1连接的可靠性。其它真空热轧复合方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式在步骤一中，在三层金属板前端的上表面上钻两个通孔，使用液压式万能试验机将两个铆钉4分别压入两个通孔内，防止轧制过程中轧制板材的分离，铆钉4的两端与三层金属板的上下表面平齐，铆钉4被压缩后截面积膨胀从而固定轧制焊接的板材，避免不锈钢板1和钛合金板2在轧制过程中在力的作用下分开。其它真空热轧复合方法与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式在步骤一中，在三层金属板前端的上表面上钻两个Φ13mm的通孔，所述两个Φ13mm的通孔的中心距为35mm，将两个Φ12.9×45mm的铆钉4分别压入两个Φ13mm的通孔内。可避免不锈钢板1和钛合金板2在轧制过程中在力的作用下分开。其它真空热轧复合方法与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式在步骤二中，当真空加热炉6内的真空度达到2×10-3Pa时开始加热，加热速度为400℃/h，当真空加热炉6内的温度达到1000℃时，将试件从真空加载室5送入到真空加热炉6中加热，待真空加热炉6内的温度稳定在1000℃，当真空加热炉6内的真空度为2×10-3Pa时开始保温，保温时间为130min，然后把试件送入轧辊7进行焊接，轧制速度为0.1m/s，压缩率为25％，轧后试件送入真空卸载室8中冷却，当试件的温度冷却到250℃时从真空卸载室8中取出。可确保不锈钢板1和钛合金板2的焊接应力小，焊接接头能够在高温和腐蚀性环境下应用。其它真空热轧复合方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是本发明的一个具体实施例：本实施例的真空热轧复合方法是这样完成的：选取尺寸为200×100×20mm的钛合金板2、尺寸为200×100×20mm的不锈钢板1、厚度为0.5mm的铜箔或铝箔3作为中间层材料，焊前分别将钛合金板2和不锈钢板1的上下表面铣平，钛合金板2的前端和不锈钢板1的前端的对应位置处各钻两个Φ13mm的通孔，两通孔中心距为35mm，铜箔或铝箔3在相同位置上也钻两个Φ13mm的通孔，之后，再将钛合金板2和不锈钢板1，另外还有铜箔或铝箔3分别进行酸洗，并按照图1所示的位置叠放在一起构成三层金属板，采用液压式万能试验机将两个Φ12.9×45mm的铆钉4压入到三层金属板的通孔内构成一个试件，试件首先放入真空加载室5中，当真空加热炉6内的真空度达到(1～3)×10-3Pa时开始用电阻式加热器加热，加热速度为400℃/h，当真空加热炉6的温度达到焊接温度600～1100℃时，用机械手将试件从真空加载室5送入到真空加热炉6中加热，待真空加热炉6内的温度稳定在设定的焊接温度600～1100℃，且真空加热炉6内的真空度为(1～3)×10-3Pa时开始保温，保温时间为90～180min，然后用机械手把试件送入到轧辊7进行焊接，轧制速度0.03～0.2m/s，压缩率25％～35％，轧后试件送入到真空卸载室8中冷却，铜箔或铝箔3的厚度在0.1～0.5mm范围内选择，可确保不锈钢板1和钛合金板2的焊接应力小，焊接接头能够在高温和腐蚀性环境下应用。

Claims (5)

1、一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，其特征在于所述真空热轧复合方法是这样完成的：一、取不锈钢板(1)和钛合金板(2)，此外还有铜箔或铝箔(3)待用，先将不锈钢板(1)的上下表面及钛合金板(2)的上下表面铣平，然后将不锈钢板(1)和钛合金板(2)叠放在一起，将铜箔或铝箔(3)夹在不锈钢板(1)和钛合金板(2)的中间构成三层金属板，所述三层金属板通过两个铆钉(4)固定在一起构成一个试件；二、将上述所述试件放入真空加载室(5)中，当真空加热炉(6)内的真空度达到(1～3)×10-3Pa时开始加热，加热速度为300～500℃/h，当真空加热炉(6)内的温度达到600～1100℃时，将试件从真空加载室(5)送入到真空加热炉(6)中加热，待真空加热炉(6)内的温度稳定在600～1100℃，当真空加热炉6内的真空度为(1～3)×10-3Pa时开始保温，保温时间为90～180min，然后把试件送入轧辊(7)进行焊接，轧制速度为0.03～0.2m/s，压缩率为15％～35％，轧后试件送入到真空卸载室(8)中冷却，当试件的温度冷却到200～300℃时从真空加载室(8)中取出。
2、根据权利要求1所述的一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，其特征在于步骤一中所用的铜箔或铝箔(3)的厚度为0.1～0.5mm。
3、根据权利要求1或2所述的一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，其特征在于步骤一中，在三层金属板前端的上表面上钻两个通孔，将两个铆钉(4)分别压入两个通孔内，铆钉(4)的两端与三层金属板的上下表面平齐。
4、根据权利要求3所述的一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，其特征在于在三层金属板前端的上表面上钻两个Φ13mm的通孔，所述两个Φ13mm的通孔的中心距为35mm，将两个Φ12.9×45mm的铆钉(4)分别压入两个Φ13mm的通孔内。
5、根据权利要求1所述的一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，其特征在于步骤二中，当真空加热炉(6)内的真空度达到2×10-3Pa时开始加热，加热速度为400℃/h，当真空加热炉(6)内的温度达到1000℃时，将试件从真空加载室(5)送入到真空加热炉(6)中加热，待真空加热炉(6)内的温度稳定在1000℃，当真空加热炉(6)内的真空度为2×10-3Pa时开始保温，保温时间为130min，然后把试件送入轧辊(7)进行焊接，轧制速度为0.1m/s，压缩率为25％，轧后试件送入真空卸载室(8)中冷却，当试件的温度冷却到250℃时从真空加载室(8)中取出试件。
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