CN105855705A - 一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法 - Google Patents

一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢‑钛合金异种金属焊接方法，该方法采用激光作为焊接热源，在不锈钢和钛合金之间添加铌作为中间层。通过精确控制焊接工艺参数，在一次加热条件下形成包含两种连接状态的复合接头(钛‑铌熔化连接、铌‑铁液相扩散连接)，实现不锈钢‑钛合金异种金属材料的高质量、高效率焊接。通过控制中间层厚度和激光焊焊接速度，使得在钛‑铌熔化焊焊缝与铌‑铁液相扩散焊焊缝之间始终存在一定厚度的未熔化的金属铌，阻止钛、铁元素的相互扩散而形成脆性的铁钛金属间化合物。最终形成的焊缝成形美观，焊接工艺性能良好，抗拉强度较强。

Description

一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种材料焊(连)接技术，特别涉及一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法。
背景技术
钛及钛合金因其比强度高、抗腐蚀性和加工性良好等优点，广泛应用于航空航天、医疗、冶金、武器装备等制造领域。但是其昂贵的价格限制了钛及钛合金作为结构件的大规模推广应用。因此，钛合金与其它金属材料，尤其是钛合金与不锈钢的复合构件则成为医疗器械、武器装备等领域焊接零部件的重要发展方向。由于铁与钛二者之间的物理、化学性能差异显著，导致焊接接头中易产生大量脆性Fe-Ti金属间化合物且存在较大的残余应力，这都会使接头性能大幅下降。因此，采用熔化焊技术进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接时难以制备出力学性能优异的接头。
目前，较为常用的不锈钢-钛合金连接一般采用扩散焊或钎焊方法。但不锈钢-钛合金的直接扩散焊仍难以避免Fe-Ti金属间化合物的生成。因此，大多采用Cu、V、Si、Nb等材料作为中间层，其目的是控制Fe-Ti金属间化合物层的厚度，降低由于钛、钢两种材料热膨胀系数不同而引起的残余应力，最终提高接头连接强度。采用钎焊焊接钛-钢时，要保证钎料在不同母材表面均良好润湿，同样需要选用合适的钎料和中间层。目前大多采用金基或银基钎料，造成焊接成本过高，且仍不能避免Fe-Ti金属间化合物的产生，造成接头连接性能不理想。总之，以上方法工艺繁琐，焊接时间长，生产效率极低，柔性差，且受到接头形式、工件尺寸和形状等因素的限制，在大批量工业生产中的应用有很大的局限性。因此，传统的扩散焊和钎焊方法在一定程度上已不能满足目前对不锈钢-钛合金焊接质量和生产效率的要求。焊接技术创新升级是解决上述问题的重要选择对策。
发明内容
本发明的目的是提供一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，针对常规的扩散焊、钎焊工艺的局限性，采用激光作为焊接热源，铌作为中间层，通过精确控制焊接工艺参数，在一次加热条件下形成包含两种连接状态的复合接头(钛-铌熔化连接、铌-铁液相扩散连接)，实现不锈钢-钛合金异种金属材料的高质量、高效率焊接。
一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，具体工艺步骤如下：
(1)、不锈钢和钛合金之间采用I形坡口对接形式，两者之间添加铌作为中间层，焊接前需要夹紧不锈钢和钛合金，同时保证钛合金-铌-不锈钢接触面之间存在一定的预紧力。
(2)、采用Nd：YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率2～10Hz。
(3)、激光光斑焦点设定在钛合金上，焊接时使得钛合金-铌接触面金属熔化形成钛-铌熔化焊焊缝；在铌中间层的热传导作用下，铌-不锈钢接触面附近温度达到铌、铁的共晶温度1373℃，并形成液相；在持续加热过程中，铌、铁元素由母材溶解到液相内，最终形成具有一定厚度的扩散反应层，扩散反应层为铌-铁瞬间液相扩散焊焊缝。
(4)、通过控制中间层厚度和激光焊焊接速度，使得在钛-铌熔化焊焊缝与铌-铁液相扩散焊焊缝之间始终存在一定厚度的未熔化的金属铌，其作用是阻止钛、铁元素的相互扩散而形成脆性的铁钛金属间化合物。焊接完成后，形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种焊缝的复合形式接头。
所述步骤(1)中，铌中间层的厚度为0.5～1.5mm。
所述步骤(2)中，通过优化焊参数，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。
所述步骤(3)中，激光光斑焦点设定在钛合金上，距离钛-铌接触面0～2mm的位置。
所述步骤(4)中，激光焊焊接速度为80～120mm/min，通过一次施焊，同时形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种连接形式的复合接头。
本发明的有益效果：
采用本发明的方法进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接，达到的性能指标为：
(1)、激光焊接过程稳定，焊缝成形美观，无裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工艺性能良好。
(2)、不锈钢-铌-钛合金经过一次加热，最终形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种焊缝的复合形式接头，抗拉强度达到350-370MPa。
附图说明
图1为不锈钢-钛合金激光焊施焊过程示意图。其中1为钛合金，2为铌中间层，3为不锈钢，4为压板，5为定位平台，6为预紧力调节螺钉。
图2为不锈钢-钛合金激光焊接方法及接头结构示意图。
图3为不锈钢-钛合金激光焊接接头的宏观形貌。
图4为铌-铁瞬间液相扩散焊反应层微观组织。
具体实施方式
本发明的具体工艺方案如下：
(1)、不锈钢和钛合金之间采用I形坡口对接形式，两者之间添加铌作为中间层。焊接前需要夹紧不锈钢和钛合金，同时保证钛合金-铌-不锈钢接触面之间存在一定的预紧力。
(2)、采用Nd：YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率2～10Hz。
(3)、激光光斑焦点设定在钛合金上，焊接时使得钛合金-铌接触面金属熔化形成钛-铌熔化焊焊缝；在铌中间层的热传导作用下，铌-不锈钢接触面附近温度达到铌、铁的共晶温度1373℃，并形成液相；在持续加热过程中，铌、铁元素由母材溶解到液相内，最终形成具有一定厚度的扩散反应层，即铌-铁瞬间液相扩散焊焊缝。
(4)、通过控制中间层厚度和激光焊焊接速度，使得在钛-铌熔化焊焊缝与铌-铁液相扩散焊焊缝之间始终存在一定厚度的未熔化的金属铌，其作用是阻止钛、铁元素的相互扩散而形成脆性的铁钛金属间化合物。焊接完成后，形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种焊缝的复合形式接头。
所述步骤(1)中，铌中间层的厚度为0.5～1.5mm。
所述步骤(2)中，通过优化焊参数，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。
所述步骤(3)中，激光光斑焦点设定在钛合金上，距离钛-铌接触面0～2mm的位置。
所述步骤(4)中，激光焊焊接速度为80～120mm/min，通过一次施焊，同时形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种连接形式的复合接头。
具体实例1：
如图1，采用本发明的方法进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接，首先用压板4将不锈钢3和钛合金1夹紧在焊接定位平台5上；不锈钢3和钛合金1之间放置厚度为0.5～1.5mm厚的铌中间层2，并通过调节预紧力螺钉6使得不锈钢-铌-钛合金之间保持一定的压力。
如图2，焊接时激光光斑焦点设定在钛合金上，距离钛-铌接触面0～2mm的位置，使钛、铌金属熔化形成钛-铌熔化焊焊缝；在铌中间层的热传导作用下，铌-不锈钢接触面附近温度达到铌、铁的共晶温度1373℃，并形成液相；在持续加热过程中，铌、铁元素由母材溶解到液相内，最终形成具有一定厚度的扩散反应层，即铌-铁液相扩散焊焊缝。焊接过程中，在钛铌熔化焊焊缝与铌铁液相扩散焊焊缝之间始终存在一定厚度的未熔化的金属铌，其作用是阻止钛、铁元素的相互扩散而形成脆性的铁钛金属间化合物；
如图3，焊接完成后，形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种焊缝的复合形式接头。
如图4，焊接完成后，形成铌-铁瞬间液相扩散焊反应层微观组织。
通过采用本发明的方法进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接，激光焊接过程稳定，焊缝成形美观，无裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工艺性能良好。不锈钢-铌-钛合金经过一次加热，最终形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种焊缝的复合形式接头，抗拉强度达到350-370Mpa。

Claims (5)

1.一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，该方法的步骤如下：
(1)、不锈钢和钛合金之间采用I形坡口对接形式，两者之间添加铌作为中间层，焊接前需要夹紧不锈钢和钛合金，同时保证钛合金-铌-不锈钢接触面之间存在一定的预紧力；
(2)、采用Nd：YAG脉冲激光焊设备进行焊接，激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率2～10Hz；
(3)、激光光斑焦点设定在钛合金上，焊接时使得钛合金-铌接触面金属熔化形成钛-铌熔化焊焊缝；在铌中间层的热传导作用下，铌-不锈钢接触面附近温度达到铌、铁的共晶温度1373℃，并形成液相；在持续加热过程中，铌、铁元素由母材溶解到液相内，最终形成扩散反应层，扩散反应层为铌-铁瞬间液相扩散焊焊缝；
(4)、通过控制中间层厚度和激光焊焊接速度，使得在钛-铌熔化焊焊缝与铌-铁液相扩散焊焊缝之间始终存在一定厚度的未熔化的金属铌，其作用是阻止钛、铁元素的相互扩散而形成脆性的铁钛金属间化合物；焊接完成后，形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种焊缝的复合形式接头。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铌中间层的厚度为0.5～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过优化焊参数，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。
4.根据权利要求1所述的一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中，激光光斑焦点设定在钛合金上，距离钛-铌接触面0～ 2mm的位置。
5.根据权利要求1所述的一种不锈钢-钛合金异种金属焊接方法，其特征在于：所述步骤(4)中，激光焊焊接速度为80～120mm/min，通过一次施焊，同时形成包含钛-铌熔化焊焊缝和铌-铁液相扩散焊焊缝两种连接形式的复合接头。
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