真空熱軋連接技術及應用

東彥宏 王碩 于漢臣 趙普 李燕霞 吳仕壕 閆久春

摘要： 許多異種金屬焊接結構，由于材料本征屬性差異大，無法直接熔焊連接。利用真空熱軋制備異種金屬復合結構是工程適應性最佳方案。文中介紹了真空制坯和真空無制坯兩種熱軋方法的技術原理及其研究現狀，并分析了兩種方法的技術差異。文中為異種金屬結構連接提供了有效的途徑。

關鍵詞： 異種金屬復合板; 軋制連接; 真空； 工藝特點

中圖分類號： TG 456

0序言

在核動力裝置、宇航、石油化工、娛樂及醫療等行業，需要兼有異種金屬優良特性的材料連接件。例如隨著核反應堆的不斷更新換代，反應堆中涉及到越來越多的異種金屬焊接結構。直接熔化焊接異種金屬結構時，接頭容易產生大量脆性的金屬間化合物，冷卻過程中，在焊接應力的作用下產生裂紋。因此，異種金屬的焊接就成為了急需解決的問題。

目前，可用于異種金屬的非熔化焊接方法主要有釬焊、爆炸焊、擴散焊和軋制連接。

釬焊利用熔點比母材低的釬料作為填充材料，加熱到高于釬料熔點而低于母材熔點的溫度，依靠母材與熔化的釬料之間的冶金反應完成連接。由于母材與釬料之間本征屬性大，在界面處生成金屬間化合物，使接頭變脆，并且釬料合金元素多，腐蝕性能差，限制其應用；

爆炸焊接利用爆炸產生的高溫高壓，使得被焊金屬產生嚴重的塑性變形，界面緊密接觸而形成金屬鍵。但爆炸焊接的界面存在很多宏觀和微觀缺陷，這些缺陷將對后續加工和服役性能產生不利影響；

擴散連接是在靜態壓力下依靠連接金屬原子擴散來形成連接，固態下原子擴散速度極為緩慢，不僅生產效率低，而且對構件的尺寸也有較大的限制；

軋制連接是在軋制力的作用下使被焊金屬產生大變形，從而去除表面氧化膜及雜質而形成連接。焊后接頭的組織和性能均勻，焊接時間短，生產效率高，軋制連接的界面結合強度高。特別是在真空環境下的熱軋連接，軋制過程不受空氣氧化、氮化等影響，軋制連接接頭質量高。真空熱軋連接主要用于連接面積較大的大厚度異種材料，是極具應用前景的異種金屬連接技術[1-2]。

文中以鈦鋼復合板為例，介紹真空熱軋連接技術的原理和研究現狀，再比較兩種真空熱軋連接的技術差異，加深對真空熱軋連接技術的認識，為其應用奠定基礎。

1真空制坯熱軋連接技術

1.1技術原理

目前，真空制坯熱軋連接技術應用廣泛，發明于上世紀末，由日本鋼鐵工程控股公司發明。其原理在于先將鈦板與鋼板封存于一個真空環境內，為了防止軋制過程中因金屬延伸率不同導致翹曲變形，通常采用鋼板→鈦板→隔離劑→鈦板→鋼板的對稱方式順序組坯，組坯后再加熱進行軋制實現連接。

為獲得預軋坯料的真空環境，通常使用真空電子束將組坯封焊，如圖1所示，也有采用先將組坯進行封焊，然后再開口抽真空的方法，如圖2所示。真空制坯熱軋連接工藝相對成熟，多用于大板幅的復合板材的制造。

真空制坯熱軋連接本質上屬于累積疊軋焊接，即通過累積多次軋制工序（5次以上）實現鈦-鋼的大壓下率下（一般壓下率＞80%）的塑性變形連接。

1.2研究現狀

東北大學[5]研究在對稱組坯真空電子束焊接的方式下，軋制接頭金屬間化合物的生成原理，探究提高軋制結合強度的工藝，在850～950 ℃條件下開展了純鈦鋼純鈦三層復合板真空軋制試驗，通過5道軋制工序制備厚度為7 mm的鈦鋼復合板，總壓下率為90%。在900和950 ℃軋制溫度下， 界面層由連續的TiC薄層和β-Ti相組成， 且隨著軋制溫度的提高界面層厚度逐漸增加。真空熱軋復合鈦不銹鋼時[6]，所選軋制溫度為950 ℃，總壓下率為83%，每道次壓下率分別為 30%、30%、40%和40%。還開展了在800、850、900以及950 ℃條件下，通過真空軋制連接制備厚度為8 mm的鈦鋼復合板，其軋制過程的總壓下率為80%[7]。熱軋過程中隨著溫度的升高，金屬間化合物層的厚度增加，如圖3所示。界面剪切強度隨金屬間化合物厚度增加而減小，鈦鋼軋制復合后界面反應相直接影響接頭的力學性能。東北大學與國內鋼廠合作采用真空制坯軋制技術直接制備的鈦鋼復合板的板幅寬度達到 3.5 m，近復合界面Ti側界面生成連續的βTi層，鋼側組織主要為鐵素體＋珠光體，晶粒尺寸約為10～20 μm。經能譜檢測，復合界面形成連續的TiC層，連續的化合物層影響了接頭的力學性能[8]。

北京科技大學[9]采用對稱組坯抽真空然后密封的方式，在840～930 ℃，總壓下率為80%，通過6次軋制工序，將30 mm厚鈦鋼坯料軋至6 mm鈦鋼復合板。研究表明，在870℃軋制復合板性能較優；900 ℃和930 ℃軋制時，鈦合金發生相變，同時界面產生了許多金屬間化合物，鈦和鋼的抗變形能力相差過大和變形不協調導致界面附近內應力變大，這些因素都會導致接頭強度降低。還研究了壓下率對鈦鋼復合板界面結構的影響以及壓下率與接頭拉剪強度的關系如圖4所示，在軋制溫度為950 ℃下，一道次軋制壓下率為18%的鈦鋼接頭界面無反應物；三道次軋制壓下率升至70%時，界面生成了TiFe化合物[10]。

2真空無制坯熱軋連接技術

2.1技術原理

真空無制坯熱軋連接起源于上世紀末的烏克蘭，該方法將被連接的材料放置到真空倉中，加熱到達設定溫度后，利用軋輥的軋制力使材料界面發生大變形，去除表面的氧化物及雜質，暴露出新鮮的表面，在軋輥的壓力作用下新鮮的表面相互擠壓而形成連接。

真空無制坯熱軋連接的主要特點是在于整個過程中，試件的加熱、軋制、軋后的冷卻都是在真空室中進行，無需對稱組坯，軋輥的軋制力直接作用在上下兩個板坯上，通過少數道次（1～2次）軋制，實現高強連接。

2.2研究現狀

哈爾濱工業大學[11]采用無制坯真空軋制連接的方法成功實現了TC4鈦合金與不銹鋼的高強度的連接，分別研究了無中間層、Cu、Ni、Nb中間層對界面結構和接頭力學性能的影響。在利用純鈮作為中間層時，在軋制溫度800 ℃、壓下率為25%時，復合板的結合強度達到了430 MPa，采用純鎳作為中間層時，軋制溫度760 ℃，壓下率為20%時，復合板的結合強度達到440 MPa。利用軋制復合板加工成鈦-鋼過渡接頭進行焊接后，軋制界面未受到焊接熱影響，不明顯變化，過渡接頭的拉伸強度高于400 MPa。

哈爾濱工業大學[12]為了避免鋁合金與鐵熔焊過程中產生脆性的金屬間化合物，采用無制坯真空軋制連接的方法，提高界面的連接強度。采用實際測試以及理論計算的方式，分析無制坯真空軋制連接的影響因素，優化鋁合金與鐵板的軋制工藝，兩次軋制有利于界面結合強度的提高而第三次軋制中，軋制接頭會產生大量的金屬間化合物，接頭強度下降。

3技術差異

3.1技術特點

兩種方法均能實現被軋制金屬的高強度連接。由于加熱時金屬不會被氧化，可用于活性金屬的軋制連接，是進行鋁-鋼、鈦-鋼、鈮-鋼和鉬-鋼等異種金屬板材復合連接的理想手段，主要用于制備兩層金屬或多層金屬復合板[11-12]。熱軋連接過程中，還可以通過加入不同中間層，改變界面冶金反應，提高被軋制金屬的界面結合性能[13-15]。

真空制坯熱軋連接技術一般是多道次軋制（通常為7次以上），總的壓下率比較大，增加了軋制的工藝難度。

真空無制坯熱軋連接通過少數道次軋制，總體下壓率小，對原來基體組織影響小。真空熱軋連接技術的特點使其可以實現大面積和大厚度的構件的連接。焊接時間短，生產效率高，焊后接頭的組織均勻，焊接質量高[11]。

3.2應用方向

真空熱軋連接技術制備異種金屬復合板，可用于跨海大橋的鋼樁、火力發電廠的煙囪、制鹽廠的制鹽裝置[16]和耐熱殼體、熱交換器、冷凝器[17]等船上設備，以及大型儲備容器[18]設備的制造。

由于真空無制坯熱軋連接壓下率較小，還能實現異種金屬厚板的軋制連接，在復合板上加工復合過渡管接頭，用于異種金屬管的過渡連接。

4結束語

文中報道了真空熱軋連接技術制備異種金屬復合板的原理及研究現狀，在軋制前預制真空環境，通過改變軋制溫度和壓下率等參數、填加或不填加中間層，可以實現異種金屬的高強度連接，為異種金屬復合板制備提供了可選的技術途徑。

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收稿日期： 2023-11-01東彥宏簡介： 主要從事異種金屬電弧焊、釬焊及軋制連接技術研發工作。