鋼與鈦合金焊接課件

鋼與有色金屬的焊接－3雷永平鋼與有色金屬的焊接－3雷永平鋼與鈦及其合計的焊接鋼與鈦及其合計的焊接特點(diǎn)：

鈦及鈦合金密度小，熱膨脹系數(shù)?。?.5g/cm-3），道導(dǎo)熱性差，摩擦系數(shù)大，彈性模量較低，不利于結(jié)構(gòu)的剛度。工業(yè)純鈦有很高的化學(xué)活性，生成致密氧化膜，在不同條件下(酸、堿、溫度)有很好的耐蝕性（<500℃

）。

強(qiáng)度高，良好的塑性和韌性，足夠的抗腐蝕性和高溫強(qiáng)度，最為突出的特點(diǎn)是比強(qiáng)度高。

因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是鋼+鐵的雙金屬焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛。因此，對鋼與鈦焊接的研究更為迫切。

鋼與鈦及其合金的焊接1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能特點(diǎn)：鋼與鈦及其合金的焊接1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能鋼與鈦及其合金的焊接鈦合金的分類工業(yè)純鈦（TA1，TA2，TA3）鈦合金α鈦合金（TA4，TA5，TA6….）

β鈦合金（TB1，TB2….）

α＋β鈦合金（TC1，TC2，TC3….）1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能鋼與鈦及其合金的焊接鈦合金工業(yè)純鈦（TA1，TA2，TA3鋼與鈦及其合金的焊接工業(yè)純鈦（TA1，TA2，TA3）Ti在885℃以下為密排六方——α鈦合金Ti在885℃以上為體心立方——β鈦合金Ti在885℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鈦中雜質(zhì)：H、O、Fe、Si、C、N等O、N、H形成間隙固溶體，F(xiàn)e、Si等形成置換固溶體，固溶強(qiáng)化（強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降），但H使鈦的沖擊韌性急劇下降，氫脆。1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能鋼與鈦及其合金的焊接工業(yè)純鈦（TA1，TA2，TA3）1、鋼與鈦及其合金的焊接鈦合金α鈦合金：加入Al、穩(wěn)定α相，中性元素Sn、Zr。加入Al

5％，再結(jié)晶溫度600℃——800℃，耐熱性提高，減少H的敏感性，過多（7％），Ti3Al相——脆性。α鈦合金高溫強(qiáng)度高、韌性好，抗氧化能力強(qiáng)，焊接性好，組織穩(wěn)定，但加工性比β鈦合金和α＋β鈦合金差，不同進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只是600℃——700℃退火消除加工硬化，500℃——600℃不完全退火消除焊接殘余應(yīng)力。β鈦合金：含有β穩(wěn)定元素，含Mo、V、Cr。通過時效熱處理，單一相加工性能良好，但高溫性能差，焊接性很差，易于形成冷裂紋，焊接結(jié)構(gòu)中很少用。1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能鋼與鈦及其合金的焊接鈦合金1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能鋼與鈦及其合金的焊接鈦合金α＋β鈦合金：兩相，含有Al，穩(wěn)定α相，中性元素Sn、Zr，β相穩(wěn)定元素（<6％）。具有α和β相的優(yōu)點(diǎn)，即高溫變形能力和熱加工性，又可熱處理提高強(qiáng)度。TC4（Ti6Al4V）是廣泛應(yīng)用的α＋β鈦合金，不同熱處理下兩相比例、性質(zhì)、形態(tài)不同。具有良好的壓力加工性和焊接性。1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能鋼與鈦及其合金的焊接鈦合金1、鈦合金特點(diǎn)、分類及性能1、鈦合金的特點(diǎn)鋼與鈦及其合金的焊接1、鈦合金的特點(diǎn)鋼與鈦及其合金的焊接國外在20世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行研究.

美國在1956年第一次對鈦與鋼直接進(jìn)行點(diǎn)焊,由于接頭發(fā)脆沒有成功。一般認(rèn)為鐵在α-Ti中溶解度極小,這樣在鈦-鐵焊縫中除了有鐵在α-Ti中的固溶體外,還形成了脆性的TiFe型-金屬間化合物,這些相的硬度達(dá)Hv600,有的甚至到Hv800～1050,致使焊縫發(fā)脆,在冷卻過程中形成裂紋,TiFe型及TiC等脆性相是導(dǎo)致焊縫開裂的主要原因。為使鈦與鐵能焊在一起,必須在焊接過程中避免產(chǎn)生這些脆性相,解決這個問題的途徑可以歸納為以下幾種:(1)用一種與鈦、鐵兩元素能形成連續(xù)的或?qū)挿秶倘荏w的金屬來直接進(jìn)行焊接;

(2)用一種或兩種與鈦、鐵兩元素有好的可焊性的金屬作為中間填料,使鈦與鋼間接地焊接起來;(3)采用低于鈦、鐵熔點(diǎn)的焊接方法。鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)國外在20世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行研究.鋼與鈦及其合金的焊111鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)111鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)

接頭區(qū)脆化：540℃以上，氧化膜疏松，與O、N、H等反應(yīng)快，接頭塑性韌性降低。300℃以上吸H，600℃以上吸O，700℃以上吸N，O、高溫固溶，強(qiáng)度提高，塑性下降；N會形成脆性相TiN。H是β相穩(wěn)定元素，325℃發(fā)生共析反應(yīng)： β

α＋γ

γ（TiH2），片狀或針狀存在，裂紋源，降低塑性和韌性，焊接中嚴(yán)格控制H來源。鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)接頭區(qū)脆化：鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)

接頭區(qū)脆化：常溫時，C在α鈦中溶解度0.13％，間隙固溶，強(qiáng)度提高，塑性下降。飽和析出TiC，網(wǎng)狀分布，塑性降低，焊接裂紋。所以，C<0.1％.

合金元素：Al、Ni、Si、Nb、Cr、Mn、Mo等。焊接時采用高純度惰性氣體或無氧氟－氯化物焊劑鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)接頭區(qū)脆化：鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)焊接裂紋：熔點(diǎn)高，熱容量大，導(dǎo)熱性差，形成的熔池大，焊縫和熱影響區(qū)金屬高溫停留時間長，晶粒長大，降低接頭塑性和韌性，易于產(chǎn)生焊接裂紋。O、H、N多時，焊縫和HAZ變脆，易于產(chǎn)生冷裂紋，延遲裂紋焊縫氣孔：氬氣、母材、焊絲中O2、N2、H2、CO2、H2O都可以引起氣孔其中H是形成氣孔的組要?dú)怏w。措施：加強(qiáng)清理（機(jī)械清理和化學(xué)清理），縮短焊接時間，良好的焊接工藝等。鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)焊接裂紋：鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)

鈦及鈦合金密度小，強(qiáng)度高，良好的塑性和韌性，足夠的抗腐蝕性和高溫強(qiáng)度，最為突出的特點(diǎn)是比強(qiáng)度高。因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是鋼+鐵的雙金屬焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛。因此，對鋼與鈦焊接的研究更為迫切。

鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)鋼與鈦及其合金的焊接2、鈦及鈦合金焊接特點(diǎn)圖12所示為鐵－鈦合金狀態(tài)圖。鐵在鈦中的溶解度極低，焊接時焊縫金屬中容易形成金屬間化合物FeTi、Fe2Ti，使接頭金屬塑性嚴(yán)重下降，脆性增加。與不銹鋼焊接時，鈦還會與Fe、Cr、Ni形成更加復(fù)雜的金屬間化合物，使焊縫嚴(yán)重脆化，甚至產(chǎn)生裂紋、氣孔。因此，最好避免采用熔焊方法，盡量采用壓焊或釬等方法。

2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接鐵的比重與線膨脹系數(shù)分別為鈦的1.7倍與1.6倍,而導(dǎo)熱系數(shù)更為鈦的5.5倍2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接鐵的比重與線2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接

TiFe相是硬脆的金屬間化合物,在Ti與Fe組成的合金中,它劇烈地提高合金的強(qiáng)度,但顯著地降低塑性。含有0.14%Fe的鈦,它的硬度為Hv199,而當(dāng)含F(xiàn)e量為2.2%時,硬度則提高到Hv450,δ則相應(yīng)地從18.5%降低到2.5%。當(dāng)鈦與鋼直接熔焊時,焊縫中的含鐵量會超過在鈦中的溶解度范圍,在焊縫中極易形成脆性的金屬間化合物。除金屬間化合物外,焊縫中還有與金屬間化合物形成的低熔點(diǎn)共晶體2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接高溫下鈦易于吸收氫、氧、氮。從250℃開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮，使焊接區(qū)被這些氣體污染而脆化，甚至產(chǎn)生氣孔。焊接時，加熱到400℃以上的區(qū)域必須用惰性氣體保護(hù)。鈦及鈦合金的熱導(dǎo)率大約只有鋼的1/6，彈性模量只有鋼的1/2。由于熱導(dǎo)率較小，焊接時容易引起變形。可以采用剛性夾具、冷卻壓塊、反變形及選用合適的焊接工藝等方法防止和減少變形。焊后應(yīng)進(jìn)行退火消除內(nèi)應(yīng)力。退火工藝應(yīng)根據(jù)合金牌號、結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力大小及分布狀態(tài)諸因素來決定，一般在550～650℃下保溫1～4h。退火處理最好在真空或氬握中進(jìn)行，在空氣中熱處理的零件要進(jìn)行酸洗，以清除氧化膜。2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接

從鈦－鋼直接熔焊試樣的微觀分析及有關(guān)文獻(xiàn)報道看,要取得塑性的鈦－鋼直接熔焊接頭是不可能的,加中間填料,使它們間接地焊接起來是目前的可行方案。中間填料一般需要具備以下條件:與兩種基體(鈦及鋼)分別有好的焊接性,這是基本條件;

要有一定的強(qiáng)度;

耐腐蝕性要好。后兩個條件可視產(chǎn)品要求而定。2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接鈮銅組合作中間填料用鈮與銅組合做中間填料,使鈦與鋼間接地焊接起來,這樣就形成鈦－鈮－銅－鋼接頭。用的材料是TA5鈦板、純鈮板、1Cr18Ni9Ti不銹鋼板、10號低碳鋼板及青銅板。鈦－鈮－銅－鋼接頭本身存在著3組接頭:即鈮鈦、銅鋼及鈮銅。鈦－鈮接頭從Ti－Nb二元狀態(tài)圖看,該兩元素形成無限固溶體,有很好的互溶特性,不產(chǎn)生脆性的金屬間化合物。如果用高純度合金及焊絲,在保護(hù)氣氛中進(jìn)行焊接,將能得到高塑性、無裂紋的鈦－鈮接頭。2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接鈮銅組合作中間填料鈦－鈮－銅－鋼接頭本身存在著3組接頭:即鈮鈦、銅鋼及鈮銅。2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接鈮銅組合作中間填料鈦－鈮－銅－鋼接頭本身存在著3組接頭:即鈮鈦、銅鋼及鈮銅。2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接鈮銅組合作中間填料鈦－鈮－銅－鋼接頭本身存在著3組接頭:即鈮鈦、銅鋼及鈮銅。2、鋼與鈦及其合金的焊接特性鋼與鈦及其合金的焊接（1）鋼與鈦及鈦合金的氬弧焊鋼與鈦的熔焊主要采用中間過渡層，以避免金屬間化合物的產(chǎn)生。過渡層可以采用兩種方法：一是采用軋制鋼－鈦復(fù)合板，二是加入中間層。厚1～1.5mm的鈦與不銹鋼氬弧焊時可采用鉭、青銅復(fù)合中間層，接頭強(qiáng)度σb≥588MPa。也可以采用Ni-Cu合金作為中間層。3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接（1）鋼與鈦及鈦合金的氬弧焊碳鋼、不銹鋼與鈦焊接時，還可以采用釩作為中間層。先在鋼板上加工出一定形狀的凹槽，然后在凹槽中焊上釩的中間層，再用氬弧焊（不加絲）把鈦板焊在釩中間層上，采用這種工藝接頭力學(xué)性能好，而且還具有良好的塑性。采用自動氬弧焊焊接Cr15Ni5AlTi不銹鋼與鈦合金TCl時，可以選用加鎢的釩合金作為中間金屬層。中間金屬層寬度為8～10mm，厚度為1～1.5mm，用直流正接電源，外加氬氣保護(hù)。焊接電流為70～80A，焊接速度為0.83cm/s。在焊接釩與鋼時，鎢極要偏向釩一側(cè)1/2鎢極直徑的距離。焊縫含釩量在6%～12%時，焊接接頭的彎曲角可達(dá)140o，如果電極偏向釩一側(cè)時，增加釩的熔化量，焊縫中釩的含量可達(dá)40%～45%，焊縫金屬中形成穩(wěn)定的β相，彎曲角可達(dá)150o～180o。

3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接（2）鋼與鈦及鈦合金真空電子束焊電子束焊焊接能量高、穿透能力強(qiáng)，適合于焊接各種難熔金屬，還可實(shí)現(xiàn)多種異種金屬的直接連接，例如高熔點(diǎn)的氧化材料、鈦及鈦合金等難焊金屬的焊接。鋼與鈦及鈦合金的真空電子束焊的最大特點(diǎn)是獲得窄而深的焊縫（1：3或1：20），而且熱影響區(qū)很窄。在真空中焊接，避免了由于鈦在高溫中吸收氫、氧、氮而產(chǎn)生的焊縫脆化。在電子束的焊縫中有可能生成金屬間化合物（FeTi、Fe2Ti），使接頭塑性降低。由于焊縫比較窄，在工藝上加以控制可以減少生成FeTi和Fe2Ti。因此，鋼與鈦的電子束焊接可以獲得良好質(zhì)量的焊接接頭。

3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接（2）鋼與鈦及鈦合金真空電子束焊鋼與鈦及鈦合金真空電子束焊接時，一般選用Nb和青銅作為填充材料，可以獲得不出現(xiàn)金屬間化合物的焊縫，接頭強(qiáng)度高且具有一定的塑性，焊縫不出現(xiàn)裂紋和其缺陷。如果不用中間層焊接時，將獲得塑性低的接頭，甚至出現(xiàn)裂紋。這些中間層的合金有V+Cu、Cu+Ni、Ag、V+Cu+Ni、Nb和Ta等，采用中間層的焊接工藝比較復(fù)雜，一般應(yīng)用的較少。鋼與鈦及鈦合金的真空電子束焊之前，必須對鈦的表面進(jìn)行清理，即對端面用不銹鋼絲刷或機(jī)械加工之后再進(jìn)行酸洗，用水沖洗干凈，其酸洗液見表24。

3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接表24鈦及鈦合金酸洗溶液酸洗溶液浸洗時間作用HCl：350mL·L-1HNO3：60mL·L-1NaF：50mL·L-1H2O：余量260mL·L-1酸洗液中室溫下3min左右除去氧化膜油污及雜質(zhì)HF：10%NNO3：30%H2O：60%室溫下浸洗1min除去氧化膜油污及雜質(zhì)3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接表24鈦（3）鋼與鈦及鈦合金的擴(kuò)散焊采用真空擴(kuò)散焊方法焊接鋼與鈦及鈦合金，一般情況下，多采用中間擴(kuò)散層或復(fù)合填充材料。這些中間擴(kuò)散層材料一般采用V、Nb、Ta、Mo、Cu等，復(fù)合層有V+Cu、Cu+Ni、V+Cu+Ni以及Ta和青銅等。最常用的中間擴(kuò)散層金屬是Cu。在高溫下，Cu與Ti之間產(chǎn)生擴(kuò)散，而且銅在鈦中具有一定的溶解度。此外，加入銅還可以控制碳向鈦中擴(kuò)散，并且鋼具有良好的塑性，有助于形成良好的界面。純鐵與TA7的真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)見表25。幾種不銹鋼與TA7真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)見表26。不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）與鈦（TC4）真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)見表27。3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接表25純

鐵與TA7真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)被焊材料中間擴(kuò)散層材料工藝參數(shù)備注焊接溫度/℃保溫時間/min壓力/MPa真空度/Pa純鐵+TA7Mo8001010.391.333×10－2鐵鉬熔合線開裂純鐵+TA7Mo10002017.251.333×10－2鐵鉬熔合線開裂純鐵+TA7無7001017.251.333×10－2接觸面上硬度增高純鐵+TA7無10001010.391.333×10－2純鐵側(cè)硬度增高3、鋼與鈦及其合金的焊接工藝鋼與鈦及其合金的焊接表25純鋼與鈦及其合金的焊接表26幾種不銹鋼與TA7真空擴(kuò)散焊的工藝參數(shù)被焊材料中間擴(kuò)散層材料工藝參數(shù)備注焊接溫度/℃保溫時間/min壓力/MPa真空度/PaCr25Ni15+TA7無500106.861.333×10－2接頭有裂紋Cr25Ni15+TA7無5002017.641.333×10－2接頭有裂紋Cr25Ni15+TA7無700106.861.333×10－2鋼與鈦有α相Cr25Ni15+TA7無7002017.641.333×10－2－Cr25Ni15+TA7Ta900108.821.333×10－2接頭σb＝292.4MPaCr25Ni15+TA7Ta11001011.071.333×10－2有TaFe2,NiTa12Cr18Ni10Ti+TA7無900150.981.333×10－3σb＝274.4～323.4MPa12Cr18Ni10Ti+TA7V900150.981.333×10－3σb＝274.4～323.4MPa12Cr18Ni10Ti+TA7V+Cu900150.98