钢与钛合金焊接

中间填料一般需要具备以下条件:
(1) 与两种基体(钛及钢) 分别有好的焊接性, 这是基本条件; (2) 要有一定的强度; (3) 耐腐蚀性要好。 后两个条件可视产品要求而定。
钢与钛及其合金的焊接
2、钢与钛及其合金的焊接特性
铌铜组合作中间填料
用铌与铜组合做中间填料,使钛与钢间接地焊接起来,这样就形成钛－铌 －铜－钢接头。用的材料是TA5 钛板、纯铌板、1Cr18Ni9Ti 不锈钢板、 10 号低碳钢板及青铜板。钛－铌－铜－钢接头本身存在着3 组接头:即 铌钛、铜钢及铌铜。
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金特点、分类及性能
钛合金 钛合金：加入Al、稳定相，中性元素Sn、Zr。
加入Al 5％，再结晶温度600 ——800 ，耐热性提高，减少H的敏感性， 过多（7％），Ti3Al相——脆性。
钛合金高温强度高、韧性好，抗氧化能力强，焊接性好，组织稳定， 但加工性比钛合金和＋钛合金差，不同进行热处理强化，只是600 ℃——700 ℃退火消除加工硬化， 500 ℃——600 ℃不完全退火消除焊 接残余应力。
当钛与钢直接熔焊时,焊缝中的含铁量会超过在钛中的溶解度范 围,在焊缝中极易形成脆性的金属间化合物。除金属间化合物外, 焊缝中还有与金属间化合物形成的低熔点共晶体
钢与钛及其合金的焊接
2、钢与钛及其合金的焊接特性
钢与钛及其合金的焊接
2、钢与钛及其合金的焊接特性
高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸 收氧，从600℃开始吸收氮，使焊接区被这些气体污染而脆化，甚至 产生气孔。焊接时，加热到400℃以上的区域必须用惰性气体保护。 钛及钛合金的热导率大约只有钢的1/6，弹性模量只有钢的1/2。由于 热导率较小，焊接时容易引起变形。可以采用刚性夹具、冷却压块、 反变形及选用合适的焊接工艺等方法防止和减少变形。
2、钢与钛及其合金的焊接特性
图12所示为铁－钛合金状态图。铁在钛中的溶解度极低，焊接时焊缝 金属中容易形成金属间化合物FeTi、Fe2Ti，使接头金属塑性严重下 降，脆性增加。与不锈钢焊接时，钛还会与Fe、Cr、Ni形成更加复 杂的金属间化合物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹、气孔。因此， 最好避免采用熔焊方法，尽量采用压焊或钎等方法。
钛－铌接头从Ti－Nb 二元状态图看, 该两元素形成无限固溶体,有很好的互 溶特性,不产生脆性的金属间化合物。如果用高纯度合金及焊丝,在保 护气氛中进行焊接,将能得到高塑性、无裂纹的钛－铌接头。
钢与钛及其合金的焊接
2、钢与钛及其合金的焊接特性
铌铜组合作中间填料 钛－铌－铜－钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。
钛合金：含有稳定元素，含Mo、V、Cr。通过时效热处理，单一相加 工性能良好，但高温性能差，焊接性很差，易于形成冷裂纹，焊接结构 中很少用。
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金特点、分类及性能
钛合金 α＋β钛合金：两相，含有Al，稳定相，中性元素Sn、Zr， 相稳定
元素（<6％）。 具有和相的优点，即高温变形能力和热加工性，又可热处理提高强
度。 TC4（Ti6Al4V）是广泛应用的＋钛合金，不同热处理下两相比例、
性质、形态不同。具有良好的压力加工性和焊接性。
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金的特点
钢与钛及其合金的焊接
2、钛及钛合金焊接特点
国外在20 世纪50年代就开始进行研究. 美国在1956 年第一次对钛与钢直接进行点焊,由于接头发脆没有成功。 一般认为铁在α-Ti 中溶解度极小,这样在钛-铁焊缝中除了有铁在α-Ti
作用 除去氧化膜油污及杂质 除去氧化膜油污及杂质
钢与钛及其合金的焊接
3、钢与钛及其合金的焊接工艺
（3）钢与钛及钛合金的扩散焊 采用真空扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金，一般情况下，多采用
中间扩散层或复合填充材料。这些中间扩散层材料一般采用V、 Nb、Ta、Mo、Cu等，复合层有V+Cu、Cu+Ni、V+Cu+Ni以及 Ta和青铜等。最常用的中间扩散层金属是Cu。在高温下，Cu与 Ti之间产生扩散，而且铜在钛中具有一定的溶解度。此外，加 入铜还可以控制碳向钛中扩散，并且钢具有良好的塑性，有助 于形成良好的界面。
中的固溶体外,还形成了脆性的TiFe 型-金属间化合物,这些相的硬度 达Hv600 ,有的甚至到Hv800～1050 ,致使焊缝发脆,在冷却过程中形 成裂纹,TiFe 型及TiC 等脆性相是导致焊缝开裂的主要原因。
为使钛与铁能焊在一起,必须在焊接过程中避免产生这些脆性相,解决 这个问题的途径可以归纳为以下几种:
钛合金
钛合金（TB1，TB2 ….）
＋钛合金（TC1，TC2，TC3….）
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金特点、分类及性能
工业纯钛（ TA1，TA2，TA3）
Ti在885 以下为密排六方——钛合金
Ti在885℃以上为体心立方——钛合金
Ti在885℃发生同素异构转变
纯钛中杂质：H、O、Fe、Si、C、N等 O、N、H形成间隙固溶体，Fe、Si等形成置换固溶体，固溶强化（强度、 硬度提高，塑性、韧性下降），但H使钛的冲击韧性急剧下降，氢脆。
2、钛及钛合金焊接特点
焊接裂纹： 熔点高，热容量大，导热性差，形成的熔池大，焊缝和热影响区金属 高温停留时间长，晶粒长大，降低接头塑性和韧性，易于产生焊接裂 纹。 O、H、N多时，焊缝和HAZ变脆，易于产生冷裂纹，延迟裂纹
焊缝气孔： 氩气、母材、焊丝中O2、N2、H2、CO2、H2O都可以引起气孔 其中H是形成气孔的组要气体。 措施：加强清理（机械清理和化学清理），缩短焊接时间，良好的焊接
工艺等。
钢与钛及其合金的焊接
2、钛及钛合金焊接特点
钛及钛合金密度小，强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和 高温强度，最为突出的特点是比强度高。 因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛 应用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。
因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切。
钢与钛及其合金的焊接
钢与钛及其合金的焊接
2、钢与钛及其合金的焊接特性
铌铜组合作中间填料 钛－铌－铜－钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。
钢与钛及其合金的焊接
2、钢与钛及其合金的焊接特性
铌铜组合作中间填料 钛－铌－铜－钢接头本身存在着3 组接头:即铌钛、铜钢及铌铜。
钢与钛及其合金的焊接
3、钢与钛及其合金的焊接工艺
接头区脆化： 540 以上，氧化膜疏松，与O、N、H等反应快，接头塑性韧性降低。
300 塑性下降；N会形成脆性相TiN。
H是相稳定元素，325 发生共析反应：
α＋γ （TiH2），片状或针状存在，裂纹源，降低塑性和韧性，
焊接中严格控制H来源。
强度高，良好的塑性和韧性，足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出 的特点是比强度高。
因而，在石油、化工、航空航天以及原子能工业生产中得到了广泛应 用，尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。
因此，对钢与钛焊接的研究更为迫切。
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金特点、分类及性能
钛合金 的分类
工业纯钛（ TA1，TA2，TA3） 钛合金（TA4，TA5，TA6….）
（1）钢与钛及钛合金的氩弧焊
钢与钛的熔焊主要采用中间过渡层，以避免金属间化合物的产 生。过渡层可以采用两种方法：一是采用轧制钢－钛复合板， 二是加入中间层。厚1～1.5mm的钛与不锈钢氩弧焊时可采用 钽、青铜复合中间层，接头强度σb≥588MPa。也可以采用NiCu合金作为中间层。
钢与钛及其合金的焊接
钢与钛及其合金的焊接
2、钛及钛合金焊接特点
接头区脆化：
常温时，C 在钛中溶解度0.13％，间隙固溶，强度提高，塑性下降。
饱和析出TiC，网状分布，塑性降低，焊接裂纹。 所以，C<0.1％.
合金元素：Al、Ni、Si、Nb、Cr、Mn、Mo等。
焊接时采用高纯度惰性气体或无氧氟－氯化物焊剂
钢与钛及其合金的焊接
钢与钛及其合金的焊接
3、钢与钛及其合金的焊接工艺
（2）钢与钛及钛合金真空电子束焊
钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用Nb和青铜作 为填充材料，可以获得不出现金属间化合物的焊缝，接头 强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现裂纹和其缺陷。如 果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚至出现裂 纹。这些中间层的合金有V+Cu、Cu+Ni、Ag、V+Cu+Ni、 Nb和Ta等，采用中间层的焊接工艺比较复杂，一般应用的 较少。钢与钛及钛合金的真空电子束焊之前，必须对钛的 表面进行清理，即对端面用不锈钢丝刷或机械加工之后再 进行酸洗，用水冲洗干净，其酸洗液见表24。
3、钢与钛及其合金的焊接工艺
（1）钢与钛及钛合金的氩弧焊
碳钢、不锈钢与钛焊接时，还可以采用钒作为中间层。先在钢板上加工 出一定形状的凹槽，然后在凹槽中焊上钒的中间层，再用氩弧焊（不 加丝）把钛板焊在钒中间层上，采用这种工艺接头力学性能好，而且 还具有良好的塑性。
采用自动氩弧焊焊接Cr15Ni5AlTi不锈钢与钛合金TCl时，可以选用加钨 的钒合金作为中间金属层。中间金属层宽度为8～10mm，厚度为1～ 1.5mm，用直流正接电源，外加氩气保护。焊接电流为70～80A，焊接 速度为0.83cm/s。在焊接钒与钢时，钨极要偏向钒一侧1/2钨极直径的距 离。焊缝含钒量在6%～12%时，焊接接头的弯曲角可达140º，如果电 极偏向钒一侧时，增加钒的熔化量，焊缝中钒的含量可达40%～45%， 焊缝金属中形成稳定的β相，弯曲角可达150º～180º。
钢与有色金属的焊接－3
雷永平
➢钢与钛及其合计的焊接
钢与钛及其合金的焊接
1、钛合金特点、分类及性能
特点： 钛及钛合金密度小，热膨胀系数小（4.5 g/cm-3），道导热性差，摩擦系