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钛如何和不锈钢焊接在一起?

发布时间:2024-07-07 浏览量:153

  在传感器封装、化工设备、舰船用结构中要用到钛和不锈钢的焊接,现有的氩弧焊工艺会造成焊缝催化,不知有没有更好的连接工艺

  没查资料,顺嘴胡说。强度要求怎么样?不高的话可以考虑钎焊,瞬时液态扩散焊,润湿不好的话可以加磁场或者超声波,或者做表面处理。

  谢邀

  异种金属焊接因其将多种性能集于一身被应用到很多工业领域,在先进制造业中扮演着越来越重要的角色。若将钛与不锈钢进行焊接,钛合金-不锈钢结构可使不锈钢的良好焊接性、耐磨性、低成本与钛合金低密度和良好的耐腐蚀性能相结合,充分发挥两种材料在性能和经济上的互补优势。因此,不锈钢和钛合金异种焊接在化工、航空和核工业等领域均有广泛的应用。但是,不锈钢和钛合金因理化性能的差异,焊接界面易形成大量脆性金属间化合物,无法得到优质的焊接结果。故传统熔焊工艺不适合不锈钢与钛合金的异种焊接。采用爆炸焊虽然成功用于钛钢复合板,但只适用于一定形状的工件,难以广泛应用。目前用于钛合金与不锈钢异种金属焊接的方法主要是扩散焊,电子束焊与激光焊。激光焊和电子束焊均具有加热和冷却迅速,焊缝深宽比大的优点,对异种金属焊接时脆性化合物的形成有很好的抑制作用。扩散焊因其较小的温度梯度,可以得到均匀性较好的结构,是一种近净形接合过程。

  一、扩散焊

  扩散焊是指在高温和一定压力下,两表面通过接触面发生蠕变和扩散作用使结合面孔隙闭合而实现连接的一种焊接方式。不锈钢与钛合金的直接扩散焊主要通过温度和时间的合理搭配来得到较高的焊接质量。最佳温度一般在900℃±50℃,时间为30~60min,要保证界面孔隙闭合并且Fe-Ti化合物厚度较小;压强在5MPa左右,过高会增加接头残余应力。σ相,Fe2Ti,FeTi是不锈钢与钛合金扩散焊接时易形成的化合物,通过加入Ni,Cu等中间层可避免Fe与Ti元素的直接接触,通过形成脆性较小的Ni-Ti,Cu-Ti相来减少或抑制Fe-Ti化合物相,可以在一定程度上提高接头强度。Ag作为中间层可以得到韧性接头,但成本较高。

  二、电子束焊接

  电子束焊接的原理是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接。具有能量密度高,冷却速率快和可控性好的特点,能够控制熔池尺寸及两种金属的熔合比,是一种具有独特优势的异种材料焊接方法。但是不锈钢与钛合金直接采用电子束焊接会因大量Fe-Ti化合物在焊区的生成而无法得到完好的接头。需要采用Cu及Cu-V复合中间层才能有效抑制脆性相的产生,并通过形成固溶体来提高焊接接头的强度和韧性。在此基础上,调整功率密度、束流及焊接速度来控制热输入量,改变偏移量以得到合适的热量分布,进一步提高焊接质量。

  三、激光焊接

  激光焊接是利用高强度的激光束辐射到金属表面,通过激光和金属的相互作用,使金属熔化,从而形成焊接。对于不锈钢和钛合金的异种金属焊接而言,激光焊较电子束焊有更高的加热和冷却速率,采用偏束可得到具有一定强度的直接焊合接头,但强度偏低且质量波动大。采用Cu作为中间层可得与电子束焊接相似的焊接结果。

  来源:不锈钢和钛合金异种金属焊接 - 中国钢铁新闻网

  我们成熟的工艺是采用真空钎焊焊接钛和不锈钢,可以防止焊缝在焊接过程中和氧、二氧化碳、氮气、水等杂质形成钛的氧化物、碳化物、氮化物,再一个就是防止钛在超过自身再结晶温度时,晶粒长大而降低塑性。

  图中零件为淄博晟元新材料科技有限责任公司为国内某研究进行不锈钢和钼钎焊、不锈钢和钛钎焊、不锈钢和铌钎焊进行的真空钎焊、激光焊接的部分实例

  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β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,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、700 ̄800℃长时间加热下发生σ相脆性、夹杂物。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σ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,由于钢中存在的Ni、Cr、C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。

  1、TIG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。

  2、采用激光作为热源,焊丝自动送入,利用钛及钛合金/不锈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。

  3、真空钎焊的应用

  采用真空度优于1.3*10-3Pa的真空加热环境下,采用钛锆铜镍、银铜基等焊料进行钎焊连接。

  以上部分资料摘录和参考与百度文库-钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状

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