不銹鋼與鈦合金電子束熔覆增材焊接工藝分析

徐曉龍 劉斌 巴伊爾·達姆皮隆 孫偉 朱琳

（遼寧新鋒精密光電科技有限公司，沈陽 110000）

為了適應不同的工作環境和條件，機械設備的材料性能需要不斷升級，如制造機械設備所用材料的導電性、強度、硬度、耐腐蝕性、質量等均需要根據使用場景進行詳細設計。在實際應用中，單一的金屬材料往往難以滿足不同使用條件的要求，即便有些金屬材料性能較為理想，但這樣的金屬材料或十分稀缺或價格昂貴，難以得到大面積的應用。因此，將不同類型金屬進行焊接以滿足實際使用需求是主要應對方法之一[1-2]。不銹鋼和鈦合金的焊接能夠發揮不銹鋼耐磨損、低成本、焊接性強等優勢，將其與鈦合金材料密度低、耐腐蝕性能相結合，可實現它們在性能與經濟上的優勢互補?；诖耍榻B異種金屬焊接的特點，分析不銹鋼與鈦合金電子束熔覆增材焊接主要技術內容和工藝。

1 異種金屬焊接的難點

1.1 熔點的差異

如果兩種金屬的熔點差異很大，當加熱溫度稍高于低熔點金屬的熔點時，熔點高的金屬仍呈低活動性的固體狀態。當加熱到高熔點金屬的原子活性較大的固態（接近于熔點）時，已被熔化的低熔點金屬首先滲入高熔點金屬的晶界，由于晶界的擴散系數比晶內的擴散系數大得多，過熱區組織變化會導致金屬性能出現一定降低。當熔點較高的金屬熔化時，會造成熔點低金屬的蒸發、散失以及合金元素的燒毀[3]。

1.2 膨脹系數的差異

不同的金屬具有不同的膨脹系數，在焊接膨脹系數大的金屬與膨脹系數小的金屬時，容易在焊縫和熱影響區域出現裂紋，嚴重時還會出現焊縫與母材金屬分離的現象。常用的方法主要是在焊接之前對膨脹系數相對較大的金屬進行預熱，也可以在兩種金屬之間加入膨脹系數介于二者的金屬作為過渡緩沖，避免焊縫或熱影響區產生裂紋[4]。

1.3 熱導率和比熱容的差異

焊接過程中，金屬的熱導率和比熱容對材料的熔化過程、溫度場及焊縫的凝固有著顯著的影響。如果兩種金屬的熱導率和比熱容存在較大差異，兩種金屬熔化過程快慢不一，熔池的形成過程也會出現問題，如焊縫結晶條件不佳，進而在焊縫性能上出現問題，焊接過程中熱源更偏向于向導熱性能好的材料。

1.4 焊接接頭的性能低于母材金屬

在焊接不同類型的金屬時，容易形成腐蝕電偶，其在耐腐蝕性方面會比單一金屬稍差，成為焊接領域的一大難題。為確保異種金屬的焊接特性，避免出現開裂現象，在實際焊接過程中，可以選用塑性較好的材料，但是這種材料容易降低焊接部位的強度，因此強度成為焊接過程中需要考慮的核心指標[5-6]。

2 電子束熔覆增材焊接工藝及特點

2.1 工藝流程

采用電子束焊接工藝之前，需要仔細全面地清理焊件表面，否則易產生焊縫缺陷，進而影響其力學性能，以及焊接過程的抽氣時間。焊件表面一般采用丙酮清洗，清洗完畢后禁止用手或者工具觸碰，避免造成二次污染。

在真空焊接室中安裝好待焊工件后，閉合真空室門，通入冷卻水，開啟電焊機的總電源。啟動機械泵和擴散泵，待焊接室真空度達到預定值時，接通電子束槍電源開關，逐步調節電壓升高到焊接所需的數值，在這個過程中需要同步調節燈絲電流和轟擊電壓，產生合適的小電子束射出，能在工件上看到電子束焦點即可。然后調節電子束焦點，使其達到最佳狀態。上述預備工作完成后可以啟動焊接按鈕，待焊接工件按照設定的速度移動，進入正式焊接狀態。焊接工件完成焊接后，需要逐步減少偏轉電壓，使電子束焦點離開焊縫，將加速電壓、等絲電源及傳動裝置的電源降到0 后，切斷高壓電源、聚焦偏轉電源和傳動裝置的電源。真空電子束焊機的組成如圖1 所示。電子束焊機的分類見表1。無論焊接環境壓強高低，電子束均在高真空度條件下獲得。

表1 電子束焊接機分類

圖1 真空電子束焊機的組成

2.2 技術特點

第一，穿透能力較強。電子束焊接機產生的電子束具有很強的穿透能力，可以穿透0.1～300.0 mm厚的不銹鋼板，焊縫深寬比能達到60 ∶1。采用電子束進行不銹鋼板焊接時，無須開坡口和填充焊絲，能夠節約經濟成本和能源消耗。

第二，具有較快的焊接速度和較小的熱影響區。電子束焊接速度快，且焊縫的質量好。由于電子束能量集中在較小面積上，焊接速度能超過傳統焊接技術的幾十倍，焊接過程熔化和冷卻速度也較快，有效限制了晶粒生長速度，焊接接頭性能得到了明顯改善。焊接過程產生的焊縫熱影響區較小，焊縫變形也較小。

第三，焊縫具有較高的純潔度。電子束焊接通常在真空條件下進行，隔絕空氣可以防止焊接過程受到空氣中雜質的污染，便于焊縫金屬的除氣和凈化，所以常用于性質較為活潑的金屬的焊接。此外，電子束焊接技術的自動化程度高，重復性好，焊接后的焊縫質量穩定可靠[7]。

第四，焊接成本低、適用范圍廣。采用電子束焊接能夠在大型零部件之間完成焊接，特別是一些難以整體加工的大型零件，采用電子束焊接能夠簡化加工工藝流程，節約材料。

3 不銹鋼-鈦合金電子束焊接關鍵工藝分析

3.1 過渡層的設置

不銹鋼和鈦合金之間過渡金屬層的選取是電子束焊接工藝的重要環節之一。不銹鋼-鈦合金厚度通常為1.5～3.0 mm，基層厚度為8～20 mm。如果不在鈦合金和不銹鋼中間置入過渡金屬層，容易在加熱過程中出現脆層，一定程度上降低不銹鋼-鈦合金的結合強度。因此，通常會在不銹鋼和鈦合金之間加入釩、鈮、銅等金屬層。前人焊接試驗表明，不銹鋼和鈦合金之間加入釩金屬層的焊接效果最為理想，而加入釩銅合金或鈮銅合金的效果并不好。因為金屬銅具有較低的熔點，容易形成低熔點共晶體，使不銹鋼和鈦合金的焊接過程變得極為復雜。

3.2 焊接的強度與耐腐蝕性

在保證焊接強度方面，不銹鋼-鈦合金的焊接工藝常采取2 種措施。一是焊接之前在焊縫上添加一個蓋板。鋼焊縫的強度是保證對接接頭強度性能的基礎，蓋板的作用主要是避免焊接接頭受到侵蝕性介質的腐蝕。蓋板和焊縫之間添加的材料主要是金屬銀，也可以是熔點更低的材料。在實際應用中，也可使用環氧樹脂型聚合物進行填充，以提升焊接接頭的耐蝕性質[8-9]。二是在鈦合金的坡口內放置熔點比較高的金屬襯片。常用的金屬襯片以鈮箔或鉬箔等材料為主，厚度一般為0.1 mm。不銹鋼和鈦合金在焊接過程中，以鈦焊絲為主要焊料，并根據鈦合金厚度和坡口情況選擇合適的鈦絲直徑。焊接過程中，鈦絲和鎢極之間發生鎢極電弧燃燒。焊槍順著鈦絲的方向緩慢移動，鈦絲不斷熔化結晶會形成焊縫。此種焊接工藝可以加蓋板，也可以不加蓋板，因為鈮具有較高的熔點，鈮箔上不會受到鎢極電弧的影響，只有少量鈮被熔化，有效防止了不銹鋼和鈦合金的互熔，防止焊接界面范圍內出現脆性相。

3.3 焊接過程的氣體環境保護

不銹鋼與鈦合金焊接時，焊縫中易形成金屬間化合物TiFe、TiFe2等，導致焊接接頭塑性急劇下降而脆性大大提高。同時，隨著溫度的升高，鈦合金的吸氣（如氧、氫、氮）能力明顯提高[10]。

鈦合金從250 ℃開始吸收氫，從400 ℃開始吸收氧，從600 ℃開始吸收氮。當焊接區含有大量的空氣時，給鈦合金吸氣提供了方便。在熔池凝固時，吸收的氣體來不及全部逸出，殘留在焊縫內部的氣體就會形成氣孔。所以，在焊接環境中要使熔池和焊縫金屬始終處于惰性氣體保護中，避免形成氣孔。

4 結語

鈦合金和不銹鋼是機械和零部件常用金屬材料，將2 種金屬材料進行焊接，可以發揮2 種金屬各自優點。不銹鋼和鈦合金之間的焊接需要考慮2 種金屬的熔點、膨脹系數、熱導率、比熱容等。采用電子束熔覆增材焊接技術對不銹鋼和鈦合金進行焊接時，需要考慮過渡層的設置、焊接的強度與耐腐蝕性、氣體環境保護等重要的環節。