不銹鋼和鈦合金異種金屬焊接研究進展

曹輝

摘 要：鈦合金與不銹鋼的焊接使用在我國許多行業的發展中都有相當廣泛的應用，由于兩種金屬在許多方面都有本質上的差異。本文就針對不銹鋼和鈦合金兩種異種金屬的焊接情況進行深入的探討研究，對鈦合金與不銹鋼的焊接現狀做了明確的闡述。關鍵詞：鈦合金；不銹鋼；異種金屬；焊接技術1 概述鈦合金作為一種較為常見的金屬具有很多優良的性能，比如它是一種無毒、無磁性、低密度、高強度、高硬度、導熱情況差、耐熱、耐蝕性的一種金屬，相對來說它的化學性質較為穩定。因此通常鈦合金被應用在航空、航天等相對重要的領域。舉例來說，我國在2012年發射成功的天宮一號載人航天飛船，“蛟龍”號深水探測器成功下潛到了深度超越七千米的位置，這科技項目讓我國科技一定程度上取得了前所未有的成功。看似毫無關系的兩個科技項目，實際上它們有一個共同點，那就是兩個項目的許多方面都應用到了鈦合金金屬，并且涉及到了焊接技術。鈦合金的使用對于我國各行各業的發展來說尤為重要。2 對鈦合金與不銹鋼焊接問題的探討分析很多情況下，我們需要將鈦合金與不銹鋼進行焊使用。在焊接的過程中，主要要根據鈦合金與不銹鋼之間的差異性和相容性進行分析，當前情況下，對于兩種異類金屬的焊接問題，有以下幾點必須多加注意，首先就是在對鈦合金和不銹鋼進行焊接的過程中，可能會形成較大的內應力，對焊接產生影響，鈦合金與不銹鋼的線膨脹系數存在較大差異，在焊接的過程中，由于冷熱交替的溫度變化，導致了不同程度的變形，從而引起此類問題。這類問題看似影響不大，可卻無法徹底清楚。然后就是鈦和鐵兩種金屬的本質問題。由于鈦與鐵的同為互熔度小的金屬，在實施焊接的過程中，會發生化學反應，產生一種質地較脆的化合物。這種化合物的主要成分是TiFe。在對鈦與鐵進行焊接時，兩種金屬相互擴散，一定時間鐵在鈦中會過度飽和，這時就會生成TiFe化合物。除此之外，鈦與不銹鋼中的碳元素在焊接時還會生成TiC，鈦還容易與鋼管中的鉻、鎳、鐵形成金屬間化合物，導致硬度降低，焊接處脆化性增強。因此，想要將鈦合金與不銹鋼兩種金屬實行焊接，并且要保證接頭處的硬度和牢固性，就應當依據不同的焊接情況來選擇相對合適的焊接方法。采用合適的焊接方法，一方面可以保證兩類金屬的焊接點更為牢固，另一方面也對材料因焊接而造成的脆性產生了限制。當前情況下，對于鈦合金與不銹鋼這兩類金屬的焊接，已經研究出諸多可行的方法。其中較為常見的有釬焊、爆炸焊、擴散焊、激光焊等多種方法。這些方法都經過了多方驗證，也具備其應用的長處，但是，任何一種方法在單獨應用時都難以達到期望的效果。本文就針對當前情況下，幾種常用的鈦合金與不銹鋼兩種金屬的焊接技術進行了對比分析，為兩種金屬的焊接起到了一定的參考作用。3 鈦合金與鋼管焊接技術的現狀所以在進行太合金和不銹鋼的焊接時，我們根據兩種金屬獨有的特點，采用埋弧焊配鹽基焊劑進行焊接，雖然能夠將兩種金屬聯合在一起，但綜合各方面因素來講，取得的成效并不完美。近年來，隨著科技的進步，對于不同金屬的焊接技術也取得了一定的進展，焊接設備的不斷更替，焊接方法的推陳出新，使得鈦合金和不銹鋼兩種金屬在焊接上取得了更多的進展。其中較為常見的方法大致有以下幾種：3.1 釬焊所謂釬焊，就是使用釬料對讓鈦合金和不銹鋼兩種金屬進行焊接。其原理主要是鈦與鐵會在1985℃時形成共晶。將鈦和鐵加熱到高于共晶溫度時，依靠鈦與鐵的相互擴散，就會在接觸界面上形成共晶體，共晶體自然而然地會將兩種金屬連接起來。這種方法雖然具有一定的優勢，但是我們通常在操作過程中無法控制產生共晶體的數量，相對來說工藝上較難掌握。除此之外，在對鈦合金和不銹鋼進行焊接時，對于釬料的選用也存在著諸多要求。首先我們必須選擇釬熔點在882℃以下的釬料，且釬料的固相線應當與液相線存在較大溫差。此外，不可以使用能與鈦有很強的化合能力的元素的釬料，以避免對焊接進行影響。3.2 爆炸焊爆炸焊最初出現時并不是為了實現鈦合金和不銹鋼的焊接，而是用于制作鈦鋼復合板。可以通過對爆炸焊的控制來調整鈦鋼復合板接頭出的強度。在進行爆炸焊操作的過程中，相鄰的兩個鄰板之間必須保持適當的距離，最好的情況可達350-380MPa。3.3 擴散焊接在我國，對于擴散焊的應用可以參考的方面比較少。進行擴散焊需要保證擴散溫度在500到1000℃之間，焊接的過程大概會耗費10到20分鐘。3.4 MlG焊接技術MlG焊接技術可以實現全方位焊接，還在一定程度上減少了焊接過程所需要的時間。其實MIG焊接技術的操作原理并不復雜。將工作中的焊絲與電弧配合使用作為共同發熱源，通過利用焊槍噴嘴噴出的高溫氣體兩種金屬實現焊接。MIG焊在低合金高強鋼、鋁合金等材料的焊接方面已經得到廣泛的應用，但在鈦合金與不銹鋼的焊接領域應用得相對較少。之所以將其廣泛應用，主要的原因就是鈦合金的電阻較大，不易導電。且鈦金屬具有相對較大的硬度，在實施焊接的過程中可能會對焊接噴嘴產生磨損。3.5 激光焊接激光焊接技術的操作原理，就是通過高強度的激光光束使金屬融化，待冷卻以后就會自然的連接在一起。對于不銹鋼和鈦合金的異種金屬焊接而言，激光焊較電子束焊有更高的加熱和冷卻速率，采用偏束可得到具有一定強度的直接焊合接頭，但強度偏低且質量波動大。采用Cu作為中間層可得與電子束焊接相似的焊接結果。激光焊在焊接過程中存在諸多優勢，舉例來說，激光焊產生的能量密度很高，在這樣強度下進行焊接，兩種金屬的焊接接點處更為穩定，形成的縫隙更窄小。在大厚度鈦合金結構的焊接中，激光焊具有更加明顯的優勢，但是激光焊接在焊接過程中極易形成氣孔，對焊接強度產生了一定的影響。因此在采用激光焊接時，應當注意焊縫接口形式、焊接參數等問題。除此之外，由于激光焊接會產生強光，因此，在焊接的過程中還應當充分考慮激光對周邊環境產生的影響。3.6 等離子弧焊技術近年來，等離子技術得到了越來越多的應用。等離子弧焊就是通過對離子槍陰陽二級之間形成的電弧的利用，使溫度逐漸升高，形成高能量的電弧，來實現對于金屬的焊接。等離子弧焊通常有兩種焊接方式，一種是小孔型等離子弧焊，另一種就是熔透型等離子弧焊，其中30A以下的熔透型等離子弧又稱為微束等離子弧焊。小孔型等離子弧焊可用于焊接厚板，熔透型等離子弧主要用在焊接薄板。等離子弧焊中，保護氣體一般是5%-7%氫氣和93%-95%的氬氣，目的就是為了提高電弧的收縮性。但是許多時候在某些鈦合金與鋼管的焊接中，有時也使用純的氬氣或氬與氦的混合氣，這樣做可以有效避免鈦和氫氣生成鈦氫化物。4 總論越隨著我國科技的不斷進步，鈦合金越來越成為各行各業中普遍應用的金屬類型。鈦合金與不銹鋼的焊接技術也隨著焊接設備的更新和焊接方法的改善取得了良性的進展。但是對于兩種物理性質和化學性質都存在諸多差異的金屬來說，鈦合金與不銹鋼的焊接還存在著許多需要完善的地方。這就需要我們在吸取經驗和總結教訓中不斷開辟新的途徑，以便實現不同情況下鈦合金和鋼管的焊接，減少焊接過程中出現的問題。參考文獻[1]周波.不銹鋼與鈦合金脈沖加載擴散焊接工藝研究[D].重慶大學，2004.[2]任偉，陳家慶.淺析海洋石油工業中鈦合金的焊接方法[J].北京石油化工學院學報，2006，（01）：33-37.[3]孫榮祿，張九海.鈦及鈦合金與鋼焊接的問題及研究現狀[J].宇航材料工藝，1997，（02）：7-11.[4]劉鵬飛.鈦及鈦合金結構焊接技術研究進展[J].金屬加工（熱加工），2012，（20：11-13）.