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钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状.pdf

钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状

chenhanjia
2011-10-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状pdf》,可适用于经济金融领域

现代焊接年第期总第期J专题综述TopicSummary[摘要][关键词]本文综述了钛及钛合金与不锈钢连接技术研究现状及发展趋势分析了钛及钛合金与不锈钢连接的特点以及目前已研发的各种钎焊方法存在的问题同时对TIG钎焊及激光钎焊在异种金属连接方面的应用前景做了进一步展望。钛合金不锈钢钎焊钛及钛合金与不锈钢的钎焊技术研究现状作者简介:陈明洁()男汉族合肥工业大学在读硕士研究生现主要研究先进材料的焊接。合肥工业大学陈明洁徐道荣前言随着材料科学的发展新材料的不断涌现在生产应用中经常遇到异种金属的连接问题。焊接异种金属的方法有很多主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊钎焊及液相过渡焊等。钛及钛合金由于具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能优异、高温强度及低温韧性良好以及生物相容性好等优点已广泛应用于航空航天、船舶航运、武器装备、石油化工、汽车工业、电子产业、医疗器械及核动力等领域。但是由于钛的弹性模量低、抗蠕变性能差单一的钛材在许多情况下难以满足实际使用对材料综合性能的要求另外价格较为昂贵也使其应用受到一定限制。而不锈钢是最常用的结构材料具有一系列优良的性能如力学性能、焊接性、热稳定性等且成本相对较低。如果将钛与不锈钢材料结合起来使用其复合构件同时具有钛合金与不锈钢的优点就能充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势。因此研究钛及钛合金与不锈钢的焊接无论是从经济角度还是从使用性能角度都非常必要具有广阔的应用前景和深远的意义。钛及钛合金的化学活性大℃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℃时和钛会发生共析转变析出TiH钛及钛合金不锈钢的焊接性分析钛及钛合金的焊接性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ar(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℃脆化、~℃长时间加热下发生σ相脆性、夹杂物,不锈钢的焊接性,PresentsituationaboutbrazingtechnologystudyofTi,TialloyandstainlesssteelJ年第期总第期现代焊接专题综述TopicSummary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等,钛及钛合金与不锈钢的综合焊接性元素也能与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。钛及钛合金与钢的物理性能以及结晶化学性能均相差较大焊接时易在焊缝中形成多种脆性金属间化合物及碳化物因此焊缝很脆加上钛钢接头因热膨胀系数相差较大而存在较大的内应力导致接头极易开裂。即使在固态下焊接由于母材组元的相互扩散和迁移也会在结合面附近形成一个金属间化合物和碳化物的薄层,从而导致接头脆断。因此必须选择合适的焊接方法来进行钛及钛合金与不锈钢的连接。从目前国内外发展现状看用钎焊方法来焊接钛及钛合金钢比较理想。因为一方面钎料的存在可以起到降低应力的作用另一方面可通过改变钎料和钎焊温度、钎焊时间、钎焊间隙等工艺参数来减小接头界面脆性相(金属间化合物)的生成量及形态分布从而实现特殊构件及高精度、高可靠性的连接。杨愉平等采用银基钎料(HL,AgCuTi)在低真空度下进行钛和不锈钢异种金属的无钎剂、无镀层的辉光放电钎焊。结果表明不锈钢表面的氧化膜可以通过离子轰击减少也可以被液态钛及钛铜合金破坏大大改善了钎料对它的铺展性使钎焊更好地得以进行同时母材向钎料中的溶解会造成钎缝成分、组织和性能不均匀溶解量主要取决于钎料成分、钎焊温度和保温时间钎焊时只要选择合适的钎料、严格控制这两个工艺参数即可获得无溶蚀的钎焊接头。,,国内外钎焊研究现状及分析薛忠明等采用AgCuTi钎料对TC钛合金与CrNiTi不锈钢异种金属组合薄壁小直径管进行了真空高频感应钎焊工艺研究分析了不同接头型式、搭接间隙和搭接长度对钎焊接头承载能力的影响得出接头型式、装配间隙和搭接长度是影响接头质量与性能的主要因素。不锈钢作为外套管型式的钎焊接头性能要远远优于钛合金作为外套管型式的接头性能随着装配间隙的增大接头承载能力大大降低在该试验条件下搭接长度为mm时能够获得性能最佳的钎焊接头钎焊接头的内外部质量未发现任何缺陷密封性能良好接头单点漏率优于×Pa(m·s)钛合金与不锈钢母材均与AgCuTi钎料发生了良好的化学反应并且钎料层与钛合金、不锈钢母材之间没有形成金属间化合物层。杨静等根据核动力装置的使用要求采用AgCuNiLi钎料对TA钛合金与CrNiTi不锈钢进行真空钎焊实验并对组织特征进行了分析。结果表明:钎缝中不锈钢钎料一侧,形成了三层金属间化合物钎缝组织在钛合金钎料一侧形成两个组织区域在不锈钢一侧为金属间化合物组织钎缝中Ti已经进入不锈钢一侧的扩散层钎料中的Cu在钛合金钎料与不锈钢钎料扩散层积聚同时银沿钛合金晶间扩散在凝固钎焊接头的钎缝中靠近不锈钢一侧出现了Ti、Cu的富集靠近钛合金一侧Cu原子的含量明显升高钎缝中心区基本上是纯银钎缝中除不锈钢钎料扩散层外,其他各微区的显微硬度并没有增加从钎缝断口分析也证明钎缝中靠近不锈钢一侧是接头最薄弱的位置。高莹等用四种银基钎料对TB不锈钢进行真空钎焊实验研究并评价了各自的钎焊工艺性能。对比四种钎料的DTA分析结果如图所示及四种钎料不同温度下的润湿面积(见表),得出AgCu钎料在℃时对钛和钢具有良好的润湿性。对比保温时间对钎缝剪切强度的影响如图所示及TB合金在种状态下的拉伸性能(见表)得出min为最佳保温时间采用固溶钎焊时效工艺拉伸性能最好。最终得出的最佳钎焊工艺是:采用搭接方式钎缝间隙在~mm钎焊温度℃保温时间min钎焊完后快速降温钎焊与TB合金热处理的匹配是:采用固溶钎焊时效工艺这样既可以获得较高的钎缝剪切强度又对TB合金母材的性能影响不大。XYue等用AgCuTi钎料对TC钛合金与CrNiTi不锈钢进行了真空钎焊实验并对微观结构和界面反应做了分析。结果表明在℃时保温min得到的钎焊接头剪切性能最好达到了MPa接头组织为CrNiTiCuTiAgrichCuTiCuTiβTiTC而到保温时间提高到min时直接导致了接头处脆性的CuTi化合物的长大从而降低了接头的剪切强度。当温度提高到℃保温min时接头组织为CrNiTiAgrichCuTiTiCurichβTiTC过高的温度导致了钎缝中Ag元素的流失接头的剪切强度降低到MPa。TIG钎焊及激光钎焊在该方向上的应用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。宋建岭等选用CuSi焊丝对Inconel镍基合金CrNiTi不锈钢进行钨极惰性气体(TIG)钎焊实验并通过拉伸试验和硬度试验评定接头的力学性能。结果表明TIG钎焊接头具有熔焊和钎焊的双重性质CuSi接头剪切强度达到MPa接头断裂在焊缝与不锈钢界面处断口为微孔聚合机制引起的塑性断裂。林三宝等采用铝硅共晶焊丝对A铝合金CrNiTi不锈钢异种金属进行了TIG熔钎焊接实验并对接头微观组织进行分析。结果表明不锈钢表面镀锌层能够增强液态钎料在钢表面的润湿铺展及防止金属间化合物生成的作用但在多道焊过程中镀Zn层过热挥发失去了对钢表面的保护在界面生成脆性的金属间化合物并且Zn的挥发在接头中形成气孔缺陷不锈钢界面层现代焊接年第期总第期J专题综述TopicSummary℃℃℃℃AgCuSnTB不锈钢AgCuTB未熔化不锈钢未熔化AgCuLiTB未熔化不锈钢未熔化AgCuTiTB未熔化未熔化不锈钢未熔化未熔化表四种钎料不同温度下的润湿面积(mm)试样状态σ(MPa)bσ(MPa)δ()()固溶钎焊时效()固溶时效钎焊()钎焊固溶时效()固溶时效表TB合金在四种状态下的拉伸性能比较上部镀Zn层熔化严重液态钎料对不锈钢产生溶蚀作用Fe元素通过镀Zn层向液态AlSi熔池中扩散形成了枝晶状的AlFe金属间化合物在界面层也生成了金属间化合物层不锈钢界面层下部镀Zn层完整起到了良好的保护作用拉伸试件断裂于不锈钢与焊缝的界面处接头为整体脆性断裂,抗拉强度达到MPa。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。李明高等用银基钎料对TiNi形状记忆合金与CrNiTi不锈钢进行激光钎焊,并对接头界面反应层的组织结构特征进行分析。结果表明TiNi形状记忆合金与不锈钢激光钎焊接头钎缝主要由αAg固溶体、α'Cu固溶体和AgCu共晶相组成不锈钢银基钎料界面反应区由层连续的反应层构成分别为:奥氏体(A)马氏体(M)A和MαAgα'CuMTiNi形状记忆合金银基钎料界面反应层主要由Ti(Ni,Cu)+(Ni,Cu)Ti化合物组成。陈树海等以铝硅共晶合金为填充材料采用激光熔钎焊的方法对铝钛异种合金进行焊接获得了同时具有熔焊和钎焊双重特征的焊接接头。界面金属间化合物的主要成分为TiAl以Ti(SiAl)结构的置换固溶体形式存在。底部界面容易成为裂纹产生的源头裂纹多沿界面附近焊缝中的共晶组织扩展接头的平均抗拉强度为铝母材激光钎焊的应用xx的%左右。钛及钛合金与不锈钢等异种金属连接结构具有两种金属的综合优势但是由于异种金属之间物理、化学和力学性能差异巨大采用常规焊接方法容易出现冶金不相容性在界面易于形成脆性化合物相以及由于热物理性能不匹配产生残余应力等严重影响焊接质量的性能问题。总的来说钎焊连接钛及钛合金不锈钢在保证加工精度和提高焊接生产效率方面显示出了一定的优势和较好的应用前景。随着现代化工业的发展应用抗腐蚀镀层板材的领域越来越广。在众多的钢铁防腐方法中镀锌是一种非常有效且便宜的方法而焊接镀锌板材最好是减少热输入量TIG焊的优点正好满足这一条件而且将其应用在薄壁件的连接及表面修复上在减小工件变形和熔透保证焊接质量和焊缝美观等方面有着极具前途的应用前景。目前TIG钎焊的研究也日趋成熟,从原理分析、焊接研制到焊丝配制、钎料润湿铺展实验等方面都进行了较为系统的研究。激光钎焊的发展将激光焊与电弧焊有机地结合起来从而获得了优良的综合性能在改善焊接质量和生产工艺性的同时提高了效率成本比。激光MIG复合焊成为当前最热的发展趋势MIG焊焊缝搭桥能力好对接头装配要求低激光焊热输入量集中、熔深大、速度快而激光MIG复合焊则兼容两者优点尤其是在镀锌材料的焊接上表现出一定的优越性。激光MIG复合焊技术为汽车工业提供了一种全新的焊接技术它结论与展望具有宽广的应用范围和高效的特性同时减少投资成本、缩短了生产时间、节约了生产成本和提高了生产率具有更强的竞争力。张喜燕等编著钛合金及其应用化学工业出版社,李梁,孙建科,孟祥军钛合金的应用现状及发展前景钛工业进展,():~彭瑾,徐兴柱,蓝仁恩巡航导弹中金属结构材料的应用飞航导弹,():~苏鸿英编译钛的工业应用前景中国有色金属,():周振丰主编焊接冶金学(金属焊接性)北京:机械工业出版社,JohnCLippold,DamianJKotecki著,陈剑虹译不锈钢焊接冶金学及焊接性北京:机械工业出版社,曾正明机械工程材料手册北京:机械工业出版社,HarwingDD,FountainC,IttiwattanaW,etalOxygenequivalenteffectsonthemechanicalpropertiesoftitaniumweldsWeldingResearch,():~杨愉平,赵彭生,古凤英钛奥氏体不锈钢的辉光放电钎焊太原工业大学学报,():~薛忠明,王奇娟,曲文卿等钛合金与不锈钢高频感应钎焊工艺试验研究航天制造技术,():~杨静,朱常桂,王飞等钛合金不锈钢钎焊接头的组织特征核动力工程,,():~高莹,李德富,胡捷等TB钛合金不锈钢钎焊钎料及真空钎焊工艺的试验研究热加工工艺,Vol():~XYue,PHe,JCFeng,JHZhang,FQZhuMicrostructureandinterfacialreactionofvacuumbrazingtitaniumalloytostainlesssteelusinganAgCuTifillermetalMATERIALSCHARACTERIZATION():~宋建岭,林三宝,杨春利,范成磊镍基合金不锈钢钨极惰性气体钎焊接头的特性中国有色金属学报,():~林三宝,宋建岭,杨春利,马广超铝合金与不锈钢异种金属管TIG熔钎焊接研究航空制造技术,():~李明高,孙大千,邱小明TiNi形状记忆合金与不锈钢激光钎焊接头界面组织特征中国有色金属学报,():~陈树海,李俐群,陈彦宾铝钛异种合金激光熔钎焊接头界面特性中国有色金属学报,():~参考文献J年第期总第期现代焊接专题综述TopicSummary

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