一種不銹鋼-鈦合金異種金屬激光焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種不銹鋼?鈦合金異種金屬焊接方法，該方法采用激光作為焊接熱源，在不銹鋼和鈦合金之間添加鈮作為中間層。通過精確控制焊接工藝參數(shù)，在一次加熱條件下形成包含兩種連接狀態(tài)的復合接頭(鈦?鈮熔化連接、鈮?鐵液相擴散連接)，實現(xiàn)不銹鋼?鈦合金異種金屬材料的高質量、高效率焊接。通過控制中間層厚度和激光焊焊接速度，使得在鈦?鈮熔化焊焊縫與鈮?鐵液相擴散焊焊縫之間始終存在一定厚度的未熔化的金屬鈮，阻止鈦、鐵元素的相互擴散而形成脆性的鐵鈦金屬間化合物。最終形成的焊縫成形美觀，焊接工藝性能良好，抗拉強度較強。
【專利說明】
一種不銹鋼-鈦合金異種金屬激光焊接方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種材料焊(連)接技術，特別涉及一種不銹鋼-鈦合金異種金屬激光焊接方法。
【背景技術】
[0002]鈦及鈦合金因其比強度高、抗腐蝕性和加工性良好等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、醫(yī)療、冶金、武器裝備等制造領域。但是其昂貴的價格限制了鈦及鈦合金作為結構件的大規(guī)模推廣應用。因此，鈦合金與其它金屬材料，尤其是鈦合金與不銹鋼的復合構件則成為醫(yī)療器械、武器裝備等領域焊接零部件的重要發(fā)展方向。由于鐵與鈦二者之間的物理、化學性能差異顯著，導致焊接接頭中易產生大量脆性Fe-Ti金屬間化合物且存在較大的殘余應力，這都會使接頭性能大幅下降。因此，采用熔化焊技術進行不銹鋼-鈦合金異種金屬的焊接時難以制備出力學性能優(yōu)異的接頭。
[0003]目前，較為常用的不銹鋼-鈦合金連接一般采用擴散焊或釬焊方法。但不銹鋼-鈦合金的直接擴散焊仍難以避免Fe-T i金屬間化合物的生成。因此，大多采用Cu、V、S1、Nb等材料作為中間層，其目的是控制Fe-Ti金屬間化合物層的厚度，降低由于鈦、鋼兩種材料熱膨脹系數(shù)不同而引起的殘余應力，最終提高接頭連接強度。采用釬焊焊接鈦-鋼時，要保證釬料在不同母材表面均良好潤濕，同樣需要選用合適的釬料和中間層。目前大多采用金基或銀基釬料，造成焊接成本過高，且仍不能避免Fe-Ti金屬間化合物的產生，造成接頭連接性能不理想。總之，以上方法工藝繁瑣，焊接時間長，生產效率極低，柔性差，且受到接頭形式、工件尺寸和形狀等因素的限制，在大批量工業(yè)生產中的應用有很大的局限性。因此，傳統(tǒng)的擴散焊和釬焊方法在一定程度上已不能滿足目前對不銹鋼-鈦合金焊接質量和生產效率的要求。焊接技術創(chuàng)新升級是解決上述問題的重要選擇對策。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，針對常規(guī)的擴散焊、釬焊工藝的局限性，采用激光作為焊接熱源，鈮作為中間層，通過精確控制焊接工藝參數(shù)，在一次加熱條件下形成包含兩種連接狀態(tài)的復合接頭(鈦-鈮熔化連接、鈮-鐵液相擴散連接)，實現(xiàn)不銹鋼-鈦合金異種金屬材料的高質量、高效率焊接。
[0005]—種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，具體工藝步驟如下:
[0006](1)、不銹鋼和鈦合金之間采用I形坡口對接形式，兩者之間添加鈮作為中間層，焊接前需要夾緊不銹鋼和鈦合金，同時保證鈦合金-鈮-不銹鋼接觸面之間存在一定的預緊力。
[0007](2)、采用Nd: YAG脈沖激光焊設備進行焊接，激光功率350?400W，激光控制電流40?100A，脈沖寬度10?20ms，脈沖頻率2?10Hz。
[0008](3)、激光光斑焦點設定在鈦合金上，焊接時使得鈦合金-鈮接觸面金屬熔化形成鈦-鈮熔化焊焊縫;在鈮中間層的熱傳導作用下，鈮-不銹鋼接觸面附近溫度達到鈮、鐵的共晶溫度1373°C，并形成液相;在持續(xù)加熱過程中，鈮、鐵元素由母材溶解到液相內，最終形成具有一定厚度的擴散反應層，擴散反應層為鈮-鐵瞬間液相擴散焊焊縫。
[0009](4)、通過控制中間層厚度和激光焊焊接速度，使得在鈦-鈮熔化焊焊縫與鈮-鐵液相擴散焊焊縫之間始終存在一定厚度的未熔化的金屬鈮，其作用是阻止鈦、鐵元素的相互擴散而形成脆性的鐵鈦金屬間化合物。焊接完成后，形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種焊縫的復合形式接頭。
[0010]所述步驟(I)中，銀中間層的厚度為0.5?1.5mm。
[0011]所述步驟(2)中，通過優(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，提尚焊接質量。
[0012]所述步驟(3)中，激光光斑焦點設定在鈦合金上，距離鈦-鈮接觸面O?2mm的位置。
[0013]所述步驟(4)中，激光焊焊接速度為80?120mm/min，通過一次施焊，同時形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種連接形式的復合接頭。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]采用本發(fā)明的方法進行不銹鋼-鈦合金異種金屬的焊接，達到的性能指標為:
[0016](I)、激光焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，無裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工藝性能良好。
[0017](2)、不銹鋼-鈮-鈦合金經過一次加熱，最終形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種焊縫的復合形式接頭，抗拉強度達到350-370MPa。
【附圖說明】
[0018]圖1為不銹鋼-鈦合金激光焊施焊過程示意圖。其中I為鈦合金，2為鈮中間層，3為不銹鋼，4為壓板，5為定位平臺，6為預緊力調節(jié)螺釘。
[0019]圖2為不銹鋼-鈦合金激光焊接方法及接頭結構示意圖。
[0020]圖3為不銹鋼-鈦合金激光焊接接頭的宏觀形貌。
[0021 ]圖4為鈮-鐵瞬間液相擴散焊反應層微觀組織。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明的具體工藝方案如下:
[0023](1)、不銹鋼和鈦合金之間采用I形坡口對接形式，兩者之間添加鈮作為中間層。焊接前需要夾緊不銹鋼和鈦合金，同時保證鈦合金-鈮-不銹鋼接觸面之間存在一定的預緊力。
[0024](2)、采用Nd: YAG脈沖激光焊設備進行焊接，激光功率350?400W，激光控制電流40?100A，脈沖寬度10?20ms，脈沖頻率2?10Hz。
[0025](3)、激光光斑焦點設定在鈦合金上，焊接時使得鈦合金-鈮接觸面金屬熔化形成鈦-鈮熔化焊焊縫;在鈮中間層的熱傳導作用下，鈮-不銹鋼接觸面附近溫度達到鈮、鐵的共晶溫度1373°C，并形成液相;在持續(xù)加熱過程中，鈮、鐵元素由母材溶解到液相內，最終形成具有一定厚度的擴散反應層，即鈮-鐵瞬間液相擴散焊焊縫。
[0026](4)、通過控制中間層厚度和激光焊焊接速度，使得在鈦-鈮熔化焊焊縫與鈮-鐵液相擴散焊焊縫之間始終存在一定厚度的未熔化的金屬鈮，其作用是阻止鈦、鐵元素的相互擴散而形成脆性的鐵鈦金屬間化合物。焊接完成后，形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種焊縫的復合形式接頭。
?0027] 所述步驟(I)中，銀中間層的厚度為0.5?1.5mm。
[0028]所述步驟(2)中，通過優(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，提尚焊接質量。
[0029]所述步驟(3)中，激光光斑焦點設定在鈦合金上，距離鈦-鈮接觸面O?2mm的位置。[°03°] 所述步驟(4)中，激光焊焊接速度為80?120mm/min，通過一次施焊，同時形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種連接形式的復合接頭。
[0031]具體實例1:
[0032]如圖1，采用本發(fā)明的方法進行不銹鋼-鈦合金異種金屬的焊接，首先用壓板4將不銹鋼3和鈦合金I夾緊在焊接定位平臺5上;不銹鋼3和鈦合金I之間放置厚度為0.5?1.5mm厚的鈮中間層2，并通過調節(jié)預緊力螺釘6使得不銹鋼-鈮-鈦合金之間保持一定的壓力。
[0033]如圖2，焊接時激光光斑焦點設定在鈦合金上，距離鈦-鈮接觸面O?2mm的位置，使鈦、鈮金屬熔化形成鈦-鈮熔化焊焊縫;在鈮中間層的熱傳導作用下，鈮-不銹鋼接觸面附近溫度達到鈮、鐵的共晶溫度1373°C，并形成液相;在持續(xù)加熱過程中，鈮、鐵元素由母材溶解到液相內，最終形成具有一定厚度的擴散反應層，即鈮-鐵液相擴散焊焊縫。焊接過程中，在鈦鈮熔化焊焊縫與鈮鐵液相擴散焊焊縫之間始終存在一定厚度的未熔化的金屬鈮，其作用是阻止鈦、鐵元素的相互擴散而形成脆性的鐵鈦金屬間化合物；
[0034]如圖3，焊接完成后，形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種焊縫的復合形式接頭。
[0035]如圖4，焊接完成后，形成鈮-鐵瞬間液相擴散焊反應層微觀組織。
[0036]通過采用本發(fā)明的方法進行不銹鋼-鈦合金異種金屬的焊接，激光焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，無裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工藝性能良好。不銹鋼-鈮-鈦合金經過一次加熱，最終形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種焊縫的復合形式接頭，抗拉強度達到350-370Mpa。
【主權項】
1.一種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，該方法的步驟如下: (1)、不銹鋼和鈦合金之間采用I形坡口對接形式，兩者之間添加鈮作為中間層，焊接前需要夾緊不銹鋼和鈦合金，同時保證鈦合金-鈮-不銹鋼接觸面之間存在一定的預緊力； (2)、采用Nd:YAG脈沖激光焊設備進行焊接，激光功率350?400W，激光控制電流40?100A，脈沖寬度10?20ms，脈沖頻率2?1Hz; (3)、激光光斑焦點設定在鈦合金上，焊接時使得鈦合金-銀接觸面金屬恪化形成鈦-銀熔化焊焊縫;在鈮中間層的熱傳導作用下，鈮-不銹鋼接觸面附近溫度達到鈮、鐵的共晶溫度1373°C，并形成液相;在持續(xù)加熱過程中，鈮、鐵元素由母材溶解到液相內，最終形成擴散反應層，擴散反應層為鈮-鐵瞬間液相擴散焊焊縫； (4)、通過控制中間層厚度和激光焊焊接速度，使得在鈦-鈮熔化焊焊縫與鈮-鐵液相擴散焊焊縫之間始終存在一定厚度的未熔化的金屬鈮，其作用是阻止鈦、鐵元素的相互擴散而形成脆性的鐵鈦金屬間化合物;焊接完成后，形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種焊縫的復合形式接頭。2.根據(jù)權利要求1所述的一種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，其特征在于:所述步驟(I)中，銀中間層的厚度為0.5?1.5mm。3.根據(jù)權利要求1所述的一種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，其特征在于:所述步驟(2)中，通過優(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，提高焊接質量。4.根據(jù)權利要求1所述的一種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，其特征在于:所述步驟(3)中，激光光斑焦點設定在鈦合金上，距離鈦-鈮接觸面O?2mm的位置。5.根據(jù)權利要求1所述的一種不銹鋼-鈦合金異種金屬焊接方法，其特征在于:所述步驟(4)中，激光焊焊接速度為80?120mm/min，通過一次施焊，同時形成包含鈦-鈮熔化焊焊縫和鈮-鐵液相擴散焊焊縫兩種連接形式的復合接頭。
【文檔編號】B23K26/211GK105855705SQ201610463909
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】谷曉燕, 張巖, 孫大千, 谷曉鵬, 徐國成
【申請人】吉林大學