CN110421261B - 添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光焊接技术领域,具体是添加复合中间层的钛合金‑不锈钢异种金属激光焊接方法,该技术针对钛合金‑不锈钢异种金属接头的脆性问题,采用激光作为焊接热源,以TA2/Q235***焊复合板作为中间层,通过精确控制焊接工艺参数,避免在焊接过程中产生Ti‑Fe金属间化合物,降低接头脆性,采用激光双道焊,获得包含钛合金‑TA2焊缝、未熔化的TA2、TA2‑Q235***焊界面、未熔化的Q235及Q235‑不锈钢焊缝的异种金属材料的高质量、高效率焊接接头,本发明工艺步骤为:板材组对及夹紧、钛合金‑TA2/Q235***焊复合中间层‑不锈钢接触面预紧力调节、激光分别在钛合金‑TA2接触面和Q235‑不锈钢接触面施焊,实现钛合金‑不锈钢异种金属的连接。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域,具体是添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法。
背景技术
钛及其合金由于其具有高韧性、高比强度、良好的耐高温性、低密度、抗疲劳性好等优点,被广泛地应用于各个工业领域。在航空航天领域,钛及其合金已经代替易腐蚀的镍基合金以及铜合金等金属材料成为必要的组成部分。然而,由于钛合金本身的制造成本较高、焊接和机械加工性能较差、抗蠕变性能差使其应用受到限制。不锈钢是目前最常用的结构材料,其自身具有一系列优良的性能,如焊接性、耐磨性、力学性能,且成本相对较低。虽然不锈钢在耐蚀性方面远不如钛合金,而且比重较大。但如果将钛合金与不锈钢通过焊接的方法连接在一起,钛合金与不锈钢的焊接结构将不锈钢良好的焊接性与钛合金优异的耐蚀性相结合,这样的组合将实现两种材料在性能上的优势互补。然而,由于钛合金与不锈钢的焊接性很差,在焊后的接头中易产生大量脆性较大的Ti-Fe金属间化合物。此外,由于钛合金和不锈钢二者之间的物理、化学性能差异显著,接头中存在较大的残余应力,这会降低接头力学性能。
目前,解决这一问题的一般方法是在钛合金和不锈钢之间添加中间层(铜、镍、钴、钒),以降低钛合金-不锈钢熔化焊接头中形成Ti-Fe金属间化合物的含量,提高接头的力学性,但是在接头中会引入新的脆性化合物,例如Ti-Cu化合物。此外,无论添加何种中间层,只要中间层完全熔化,Ti和Fe元素就会在熔池中混合并反应,在焊缝中生成Ti-Fe金属间化合物。综合以上两个原因,目前采用添加中间层的方式对钛合金-不锈钢异种金属进行熔化焊接时,焊接接头性能提高幅度较小。
首先,在接头中保留未完全熔化的复合中间层,可阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免在焊接过程中形成脆性Ti-Fe金属间化合物。选择TA2和Q235作为复合中间层的组成材料,来实现此种形式的钛合金-不锈钢的焊接。采用TA2/Q235作为复合中间层时,焊接接头中包含钛合金-TA2焊缝与Q235-不锈钢焊缝及未熔化的复合中间层;未熔化的复合中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。钛合金-TA2焊缝抗拉强度可达716MPa,Q235-不锈钢焊缝抗拉强度可达650MPa。
发明内容
本发明的目的是提供一种添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法,针对接头的脆性问题,采用激光作为焊接热源,TA2/Q235复合层作为中间层,采用双道焊,获得了包含钛合金-TA2焊缝、未熔化的TA2、TA2-Q235***焊界面、未熔化的Q235及Q235-不锈钢焊缝的焊接接头。这样,未熔化的TA2和Q235阻止了Ti、Fe元素的混合及相互扩散,完全避免了Ti-Fe金属间化合物在接头中形成。同时,在钛合金-TA2焊缝和Q235-不锈钢焊缝中也不存在其他的金属间化合物,改善焊缝微观组织,提高了接头的力学性能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
一种添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法,按以下工艺步骤进行:
a)接头形式:接头形式为I形坡口对接,复合中间层为***焊形式,复合中间层厚度4mm,组焊装夹时保证钛-复合中间层-钢接触面存在一定的预紧力;
b)焊接工艺:采用CW激光焊设备进行焊接,激光功率450~550W;离焦量0~+5mm;焊接速度500~700mm/min;保护气体流量20~30L/min;通过优化焊参数,防止未熔合、咬边焊接缺陷的产生,改善焊缝表面成形,提高焊接质量;
c)第一道焊接时,激光光斑照射在钛合金-TA2的接触面上,使部分钛合金和TA2熔化,形成钛合金-TA2焊缝;第二道焊接时,激光光斑照射在Q235-不锈钢接触面上,使部分Q235和不锈钢熔化,形成Q235-不锈钢焊缝;第一道焊接时,通过调整焊接参数避免TA2完全熔化;第二道焊接时,通过调整焊接参数避免Q235完全熔化;
d)接头中,在钛合金-TA2焊缝与Q235-不锈钢焊缝之间存在一定厚度的未熔化的TA2/Q235复合中间层,其作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物;
e)通过分别选择与其两侧母材物理及化学性能相近的中间层,并经过***焊连接;从而控制两侧焊缝的微观组织,获得焊接性较好的接头,并且抑制任何金属间化合物在两侧焊缝中形成,大大降低了接头的脆性。
作为优选,所述步骤(3)中,在焊接接头中包含钛合金-TA2焊缝,TA2/Q235***焊界面,Q235-不锈钢焊缝及未熔化的复合中间层;未熔化的复合中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
作为优选,所述步骤(4)中,通过精确控制焊接参数,避免在钛合金-TA2焊缝和Q235-不锈钢焊缝中形成脆性的Ti-Fe金属间化合物,从而降低接头的脆性。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(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、未熔合焊接缺陷,焊接工艺性能良好。
(2)钛合金-复合中间层-不锈钢经过双道激光焊接,最终获得包含钛合金-TA2焊缝、未熔化的TA2、TA2-Q235***焊界面、未熔化的Q235及Q235-不锈钢焊缝的异种金属材料的高质量、高效率焊接接头。抗拉强度试验中,接头断裂于未熔化的复合中间层,抗拉强度达到548MPa。
附图说明
图1是TA2/Q235复合中间结构示意图;
图2是钛合金-不锈钢激光焊接方法及接头结构示意图;图2中:(a)为焊接工艺示意图,(b)为第一道焊接,(c)为第二道焊接;其中4中(a)为钛合金-TA2焊缝低倍照片,(b)为钛合金-TA2焊缝高倍照片,(c)为TA2-Q235***焊界面低倍照片,(d)为TA2-Q235***焊界面高倍照片,(e)为Q235-不锈钢焊缝低倍照片,(f)为Q235-不锈钢焊缝高倍照片;
图3是钛合金-不锈钢接头示意图;
图4是钛合金-不锈钢接头微观组织示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请结合图1-4,本发明提供以下技术方案:
一种添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法,按以下工艺步骤进行:
a)接头形式:接头形式为I形坡口对接,复合中间层为***焊形式,复合中间层厚度4mm,组焊装夹时保证钛-复合中间层-钢接触面存在一定的预紧力;
b)焊接工艺:采用CW激光焊设备进行焊接,激光功率450~550W;离焦量0~+5mm;焊接速度500~700mm/min;保护气体流量20~30L/min;通过优化焊参数,防止未熔合、咬边焊接缺陷的产生,改善焊缝表面成形,提高焊接质量;
c)第一道焊接时,激光光斑照射在钛合金-TA2的接触面上,使部分钛合金和TA2熔化,形成钛合金-TA2焊缝;第二道焊接时,激光光斑照射在Q235-不锈钢接触面上,使部分Q235和不锈钢熔化,形成Q235-不锈钢焊缝;第一道焊接时,通过调整焊接参数避免TA2完全熔化;第二道焊接时,通过调整焊接参数避免Q235完全熔化;
d)接头中,在钛合金-TA2焊缝与Q235-不锈钢焊缝之间存在一定厚度的未熔化的TA2/Q235复合中间层,其作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物;
e)通过分别选择与其两侧母材物理及化学性能相近的中间层,并经过***焊连接。从而控制两侧焊缝的微观组织,获得焊接性较好的接头,并且抑制任何金属间化合物在两侧焊缝中形成,大大降低了接头的脆性。
进一步的,所述步骤(4)中,在焊接接头中包含钛合金-TA2焊缝,TA2/Q235***焊界面,Q235-不锈钢焊缝及未熔化的复合中间层。未熔化的复合中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
进一步的,所述步骤(5)中,通过精确控制焊接参数,避免在钛合金-TA2焊缝和Q235-不锈钢焊缝中形成脆性的Ti-Fe金属间化合物,从而降低接头的脆性。
具体的,采用本发明的方法进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接,采用本发明的方法进行不锈钢-钛合金异种金属的焊接,首先通过***焊制备TA2/Q235复合中间层。用压板将钛合金板和不锈钢板夹紧在焊接定位夹具上;钛合金板和不锈钢板之间放置厚度为4mm厚的TA2/Q235***焊复合中间层,并通过调节预紧力使得钛合金-复合中间层-不锈钢之间保持一定的压力。
采用双道焊,通过精确控制焊接工艺参数,获得包含钛合金-TA2焊缝、TA2/Q235***焊界面,Q235-不锈钢焊缝的焊接接头。在这种情况下,在激光焊接过程中完全避免Ti-Fe金属间化合物形成。同时,通过精确控制激光入射点,第一道焊接时,激光光斑照射在在钛合金-TA2界面上,使钛合金、TA2部分金属熔化形成钛合金-TA2熔化焊焊缝;第二道焊接时,激光光斑照射在Q235-不锈钢上,使部分Q235和不锈钢熔化,形成Q235-不锈钢焊缝。从而可完全避免激光焊接过程中Ti-Fe金属间化合物的形成,解决了由于添加中间层而引入的新的脆性问题,提高了接头的力学性能。
Claims (3)
1.一种添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法,其特征在于按以下工艺步骤进行:
(1)接头形式:接头形式为I形坡口对接,复合中间层为***焊形式,TA2/Q235复合中间层厚度4mm,其中TA2层厚度为2mm,Q235层厚度为2mm,组焊装夹时保证钛-复合中间层-钢的接触面存在一定的预紧力;
(2)焊接工艺:采用CW激光焊设备进行焊接,激光功率450~550W;离焦量0~+5mm;焊接速度500~700mm/min;保护气体流量20~30L/min;通过优化焊参数,防止未熔合、咬边焊接缺陷的产生,改善焊缝表面成形,提高焊接质量;
(3)第一道焊接时,控制激光偏移量为0,即激光光斑照射在钛合金-TA2的接触面上,使部分钛合金和TA2熔化,形成钛合金-TA2焊缝;第二道焊接时,控制激光偏移量为0,即,激光光斑照射在Q235-不锈钢接触面上,使部分Q235和不锈钢熔化,形成Q235-不锈钢焊缝;第一道焊接时,通过调整焊接参数避免TA2完全熔化;第二道焊接时,通过调整焊接参数避免Q235完全熔化;
(4)在接头中,在钛合金-TA2焊缝与Q235-不锈钢焊缝之间存在一定厚度的未熔化的复合中间层,其作用是避免两侧母材的液态混合,阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe金属间化合物;
(5)通过分别选择与其两侧母材物理及化学性能相近的中间层,并经过***焊连接,从而控制两侧焊缝的微观组织,获得焊接性较好的接头,并且抑制任何金属间化合物在两侧焊缝中形成,大大降低了接头的脆性。
2.根据权利要求1所述的添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法,其特征:所述步骤(3)中,在焊接接头中包含钛合金-TA2焊缝,TA2/Q235***焊界面,Q235-不锈钢焊缝及未熔化的复合中间层;未熔化的复合中间层作用是阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散,从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。
3.根据权利要求1所述的添加复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法,其特征:所述步骤(4)中,通过精确控制焊接参数,避免在钛合金-TA2焊缝和Q235-不锈钢焊缝中形成脆性的Ti-Fe金属间化合物,从而降低接头的脆性。
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CN110421261A (zh) | 2019-11-08 |
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