本發(fā)明涉及材料焊（連）接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法。用于航空航天、醫(yī)療、石油化工及核工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鈦及鈦合金因其具高比強(qiáng)度、抗腐蝕性及加工性良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、石油化工、核工業(yè)等制造領(lǐng)域。但是其昂貴的價(jià)格限制了鈦合金作為結(jié)構(gòu)件的大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，鈦合金與其它金屬材料，尤其是鈦合金與不銹鋼的復(fù)合構(gòu)件成為結(jié)構(gòu)制造的重要發(fā)展方向。鈦合金-不銹鋼熔化焊焊接接頭中易產(chǎn)生大量脆性較大的ti-fe金屬間化合物。并且由于鈦合金和不銹鋼二者之間的物理、化學(xué)性能差異顯著，接頭中存在較大的殘余應(yīng)力，這會(huì)降低接頭力學(xué)性能。

添加銅、鎳、鈷等中間層材料，可以減少鈦合金-不銹鋼熔化焊接頭中的ti-fe金屬間化合物，提高接頭的力學(xué)性，但是在接頭中會(huì)引入新的脆性化合物，例如ti-cu化合物。雖然其脆性比ti-fe金屬間化合物低，但仍然增加了接頭的脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。并且，只要中間層在焊接過(guò)程中完全熔化，就不可完全避免ti-fe金屬間化合物在接頭中形成。

在接頭中保留未完全熔化的中間層，可阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。nb和v作為中間層材料，已被用來(lái)實(shí)現(xiàn)此種形式的鈦合金-不銹鋼的焊接。采用v作為中間層時(shí)，焊接接頭中包含鈦合金-釩焊縫與釩-不銹鋼焊縫及未熔化的釩中間層；未熔化的釩中間層作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。鈦合金-釩焊縫抗拉強(qiáng)度可達(dá)548mpa，釩-不銹鋼焊縫抗拉強(qiáng)度可達(dá)504mpa。但是，鈦合金-釩焊縫中易形成ω脆性相，釩-不銹鋼焊縫中易形成σ脆性相，這些脆性相不利于進(jìn)一步提高接頭性能提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種采用復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。本發(fā)明針對(duì)接頭的脆性問(wèn)題，采用激光作為焊接熱源，ta/v/fe復(fù)合層作為中間層，采用兩道焊，獲得包含鈦合金-釩焊縫、未熔化的釩層及釩-不銹鋼焊縫的鈦合金-不銹鋼焊接接頭。這樣，未熔化的釩層阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，完全避免了ti-fe金屬間化合物在接頭中形成。同時(shí)，在鈦合金-釩焊縫添加ta元素，改變焊縫化學(xué)成分，從而抑制鈦合金-釩焊縫中ω脆性相的形成。通過(guò)在釩-不銹鋼焊縫中添加fe元素，從而使得釩-不銹鋼焊縫中fe的濃度升高，抑制焊縫中σ脆性相的形成，改善焊縫微觀組織，提高了接頭的力學(xué)性能。本發(fā)明的工藝步驟為：板材組對(duì)及夾緊→鈦合金-中間層-不銹鋼接觸面預(yù)緊力調(diào)節(jié)→激光分別沿ta中間層中心線和fe中間層中心線施焊，實(shí)現(xiàn)鈦合金-不銹鋼異種金屬的連接。

本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

采用復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法，按以下工藝步驟進(jìn)行：

a）、接頭形式：接頭形式為i形坡口對(duì)接，復(fù)合中間層厚度為1.2～1.6mm，其中ta層厚度為0.2～0.4mm，v層厚度為0.8～1.2mm，fe層厚度為0.2～0.4mm，組焊裝夾時(shí)保證鈦合金-中間層-不銹鋼接觸面存在10～50n預(yù)緊力；

b）、焊接工藝：采用nd:yag脈沖激光焊設(shè)備進(jìn)行焊接，通過(guò)優(yōu)化焊參數(shù)，防止未熔合、咬邊焊接缺陷，改善焊縫表面成形，提高焊接質(zhì)量；

c）、第一道焊接時(shí)，激光光斑照射在ta中間層中心線，使ta中間層完全熔化，鈦合金和v部分熔化，形成鈦合金-釩焊縫；第二道焊接時(shí)，激光光斑照射在fe中間層中心線，使fe中間層完全熔化，釩和不銹鋼部分熔化，形成釩-不銹鋼焊縫；

d）、接頭中，在鈦合金-釩焊縫與釩-不銹鋼焊縫之間存在0.1～0.5mm的未熔化的釩中間層，阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物；

e）、在鈦合金-釩焊縫中添加ta元素，改變鈦合金-釩焊縫的化學(xué)成分，改善其微觀組織，獲得ti-v固溶體+ta-ti固溶體，抑制了ω脆性相在釩-不銹鋼焊縫中形成，降低了接頭的脆性；

f）、在釩-不銹鋼焊縫中添加fe元素，使得釩-不銹鋼焊縫中fe的濃度升高，v及其它合金元素濃度降低，改善焊縫微觀組織，獲得γ-fe+fe-v固溶體，抑制了ω脆性相在釩-不銹鋼焊縫中形成，降低了接頭的脆性。

所述的其它合金元素為ni和gr。

所述的采用nd:yag脈沖激光焊設(shè)備進(jìn)行焊接，激光功率350～400w，激光控制電流60～100a，脈沖寬度10～20ms，脈沖頻率5～8hz，離焦量2mm，焊接速度200～250mm/min。

焊接接頭包含鈦合金-釩焊縫與釩-不銹鋼焊縫及未熔化的釩中間層；未熔化的釩中間層作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

通過(guò)改變焊縫的化學(xué)成分，抑制鈦合金-釩焊縫中ω脆性相，獲得ti-v固溶體+ta-ti固溶體，抑制釩-不銹鋼焊縫中σ脆性相，獲得γ-fe+fe-v固溶體，從而降低接頭的脆性。

本發(fā)明的有益效果在于：

（1）激光焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，無(wú)裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工藝性能好。

（2）鈦合金-釩中間層-不銹鋼經(jīng)過(guò)兩道焊接，最終獲得包含鈦合金-釩焊縫、未熔化的釩層及釩-不銹鋼焊縫的異種金屬材料的高質(zhì)量、高效率焊接接頭?？估囼?yàn)中，接頭斷裂于未熔化的釩層，抗拉強(qiáng)度達(dá)到600-627mpa。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明的鈦合金-不銹鋼激光焊接方法及接頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的鈦合金-不銹鋼接頭全貌；

圖3為本發(fā)明的鈦合金-不銹鋼接頭微觀組織，（a）鈦合金-釩焊縫低倍照片，（b）鈦合金-釩焊縫高倍照片，（c）鈦合金-釩焊縫xrd分析結(jié)果（d）釩-不銹鋼焊縫低倍照片，（e）釩-不銹鋼焊縫高倍照片，（f）釩-不銹鋼焊縫xrd分析結(jié)果；

圖4為本發(fā)明的鈦合金-不銹鋼激光焊施焊過(guò)程示意圖。

圖中：1、鈦合金板；2、復(fù)合中間層；3、不銹鋼板；4、壓板；5、焊接定位平臺(tái)；6、預(yù)緊力調(diào)節(jié)螺釘。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式。

參見(jiàn)圖1至圖4所示，本發(fā)明的采用復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法，針對(duì)鈦合金-不銹鋼異種金屬焊接接頭的脆性問(wèn)題，采用激光作為焊接熱源，采用ta/v/fe復(fù)合層作為中間層材料，從而控制鈦合金-釩焊縫中ω脆性相及釩-不銹鋼焊縫中σ脆性相的形成，降低接頭脆性，改善接頭的性能。采用兩道焊，獲得包含鈦合金-釩焊縫、未熔化的釩層及釩-不銹鋼焊縫的異種金屬材料的高質(zhì)量、高效率焊接接頭。具體工藝步驟如下：

a）接頭形式：接頭形式為i形坡口對(duì)接，復(fù)合中間層厚度為1.4mm，其中ta層厚度為0.2mm，v層厚度為1mm，fe層厚度為0.2mm，組焊裝夾時(shí)保證鈦合金-中間層-不銹鋼接觸面存在一定的預(yù)緊力。

b）焊接工藝：采用nd:yag脈沖激光焊設(shè)備進(jìn)行焊接，激光功率350～400w，激光控制電流60～100a，脈沖寬度10～20ms，脈沖頻率5～8hz，離焦量2mm，焊接速度200～250mm/min；通過(guò)優(yōu)化焊參數(shù)，防止未熔合、咬邊等焊接缺陷，改善焊縫表面成形，提高焊接質(zhì)量。

c）第一道焊接時(shí)，激光光斑照射在ta中間層中心線，使ta中間層完全熔化，鈦合金和v部分熔化，形成鈦合金-釩焊縫；第二道焊接時(shí)，激光光斑照射在fe中間層中心線，使fe中間層完全熔化，釩和不銹鋼部分熔化，形成釩-不銹鋼焊縫。

d）接頭中，在鈦合金-釩焊縫與釩-不銹鋼焊縫之間存在一定厚度的未熔化的釩中間層，其作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

e）通過(guò)在鈦合金-釩焊縫中添加ta元素，從而改變鈦合金-釩焊縫的化學(xué)成分，改善其微觀組織，獲得ti-v固溶體+ta-ti固溶體，抑制了ω脆性相在釩-不銹鋼焊縫中形成，降低了接頭的脆性。

f）通過(guò)在釩-不銹鋼焊縫中添加fe元素，從而使得釩-不銹鋼焊縫中fe的濃度升高，v及其它合金元素（ni和gr）濃度降低，改善焊縫微觀組織，獲得γ-fe+fe-v固溶體，抑制了ω脆性相在釩-不銹鋼焊縫中形成，降低了接頭的脆性。

所述的其它合金元素為ni和gr。

所述的采用nd:yag脈沖激光焊設(shè)備進(jìn)行焊接，激光功率350～400w，激光控制電流60～100a，脈沖寬度10～20ms，脈沖頻率5～8hz，離焦量2mm，焊接速度200～250mm/min。

焊接接頭包含鈦合金-釩焊縫與釩-不銹鋼焊縫及未熔化的釩中間層；未熔化的釩中間層作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴(kuò)散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

通過(guò)改變焊縫的化學(xué)成分，抑制鈦合金-釩焊縫中ω脆性相，獲得ti-v固溶體+ta-ti固溶體，抑制釩-不銹鋼焊縫中σ脆性相，獲得γ-fe+fe-v固溶體，從而降低接頭的脆性。

實(shí)施例：

采用本發(fā)明的方法進(jìn)行不銹鋼-鈦合金異種金屬的焊接：

首先，用壓板4將鈦合金板1和不銹鋼板3夾緊在焊接定位平臺(tái)5上；鈦合金板1和不銹鋼板3之間放置厚度為1.4mm厚的復(fù)合中間層2，并通過(guò)預(yù)緊力調(diào)節(jié)螺釘6使得鈦合金板-復(fù)合中間層-不銹鋼板之間保持一定的壓力。

采用兩道焊，精確控制焊接工藝參數(shù)，第一道焊接時(shí)，激光光斑照射在ta中間層中心線，使ta中間層完全熔化，鈦合金和v部分熔化，形成鈦合金-釩焊縫；第二道焊接時(shí)，激光光斑照射在fe中間層中心線，使fe中間層完全熔化，釩和不銹鋼部分熔化，形成釩-不銹鋼焊縫。從而獲得包含鈦合金-釩焊縫、未熔化的釩層及釩-不銹鋼焊縫的鈦合金-不銹鋼焊接接頭。這樣，完全避免了ti-fe金屬間化合物在接頭中形成。并且通過(guò)在鈦合金-釩焊縫中的添加ta元素和在釩-不銹鋼焊縫中提高fe元素的濃度，抑制鈦合金-釩焊縫中ω脆性相及釩-不銹鋼焊縫中σ脆性相的形成，解決了由于添加中間層而引入的新的脆性問(wèn)題，提高了接頭的力學(xué)性能。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。