不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接研究

聶全根

摘要：不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接廣泛應(yīng)用于化工設(shè)備及航空航天等領(lǐng)域。由于兩種材料性能存在差異，焊接過(guò)程中存在較多技術(shù)難點(diǎn)。本文針對(duì)不銹鋼與鈦合金異種金屬的焊接方法，未來(lái)發(fā)展方向與前景進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;鈦合金;異種金屬;焊接技術(shù)

前言

近年來(lái)，異種金屬焊接技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的地位，異種金屬焊接將多種材料性能集于一身被應(yīng)用到化工、航空和核工業(yè)等諸多領(lǐng)域。鈦合金具有強(qiáng)度高、腐蝕性能好、較低的密度，廣泛應(yīng)用于化工，航空航天方面，但由于成本較高、焊接性能和加工性能較差使用受到限制。不銹鋼材料成本較低，耐腐蝕性能好、加工性能和焊接性能優(yōu)異。因此加強(qiáng)不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的研究，利用不同金屬的特殊性能、物盡其用，減輕結(jié)構(gòu)重量和降低制造成本，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)勁的材料性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1、不銹鋼、鈦合金材料性能特點(diǎn)及焊接性

1.1不銹鋼材料性能特點(diǎn)

不銹鋼材料最大的性能特點(diǎn)是不容易生銹。不銹鋼材料在實(shí)際使用中具有防銹的特性，同時(shí)它對(duì)一些強(qiáng)酸，強(qiáng)堿也有一定的耐腐蝕性。不銹鋼之所以具備不銹性以及一定的耐腐蝕性，主要是因?yàn)樵诓讳P鋼材料的表面會(huì)形成一層鈍化膜，使得不銹鋼在強(qiáng)酸，強(qiáng)堿以及空氣中不容易被腐蝕和生銹。不銹鋼表面的這層鈍化膜主要是由于不銹鋼中含有大量的鉻元素，這種鉻元素含量越多，不銹鋼的防銹性就越好。不銹鋼材料外觀漂亮，閃爍著金屬光澤，在實(shí)際使用中不容易被損壞，而且價(jià)格相對(duì)便宜，所以被廣泛應(yīng)用于餐具、化工、食品、國(guó)防等領(lǐng)域。是我國(guó)工程領(lǐng)域發(fā)展必不可少的一種材料。

1.2鈦合金材料性能特點(diǎn)

鈦合金材料是由多種金屬元素組成的一種合金，在鈦合金內(nèi)的主要的元素就是鈦元素。由于鈦元素的熔點(diǎn)非常的高，并且在不同的溫度下具有不同的結(jié)構(gòu)，所以添加不同含量的鈦元素會(huì)得到不同品質(zhì)的鈦合金材料。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鈦合金的強(qiáng)度非常高，與不銹鋼材料一樣具有很好的耐腐蝕性，但與不銹鋼不同的是，鈦合金的耐熱性也十分的高，所以能廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。此外，鈦合金材料的結(jié)構(gòu)組織十分的穩(wěn)定，且具有非常強(qiáng)的抗氧化能力，在極高的溫度下仍然可以保持高強(qiáng)度的特性。因此廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域。

1.3不銹鋼與鈦合金焊接性分析

由于不銹鋼與鈦合金理化性能存在差異，目前而言不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接存在較多技術(shù)難點(diǎn)。首先，兩種材料在線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等性能上存在巨大差異。兩者在具體焊接過(guò)程中由于材料的變形能力不同，將造成焊接接頭形成較大的殘余應(yīng)力。由于鈦的化學(xué)活性強(qiáng)，在焊接過(guò)程中容易與氧、氮和氫元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生脆性化合物，降低材料性能。其次，鐵在鈦中的溶解度較小，焊接高溫使鐵與鈦之間發(fā)生強(qiáng)烈的擴(kuò)散作用，從而使焊縫形成大量脆硬金屬間化合物。此外，焊縫中的鈦元素還易與不銹鋼基體中的碳、鉻、鎳形成TiC、TiCr2、TiNi、TiNi2、TiNi3等多種金屬間化合物，造成焊縫脆性增加，使焊接接頭力學(xué)性能下降。因此，要獲得性能優(yōu)良的不銹鋼與鈦合金焊接接頭，必須采取合適的焊接方法與工藝，從而降低焊接接頭內(nèi)應(yīng)力和界面脆性相的形成。

2、不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接應(yīng)用

在焊接要求較高的領(lǐng)域，可以采用不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接。例如在航空航天領(lǐng)域，經(jīng)常使用不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接技術(shù)。此外，一些精密儀器的焊接，也使用不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的方式。由于異種金屬焊接有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以我們應(yīng)該加強(qiáng)異種金屬焊接技術(shù)的研究，加強(qiáng)異種金屬焊接的實(shí)際應(yīng)用。異種金屬焊接今后的研究重心將偏向新焊材的研制、接頭抗腐蝕性能的提高等，現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)檢測(cè)和模擬將成為未來(lái)主要的研究應(yīng)用方向。

3、不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接存在問(wèn)題及解決方法

3.1不銹鋼與鈦合金焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題

對(duì)于不銹鋼及鈦合金的異種金屬焊接過(guò)程中存在一些難以克服的問(wèn)題，在一定程度上阻礙了我國(guó)異種金屬焊接技術(shù)的發(fā)展。不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接過(guò)程中存在的主要問(wèn)題如下。首先，異種金屬焊接后，由于高溫環(huán)境的影響，容易在熔合線兩側(cè)形成滲碳層和脫碳層區(qū)域，導(dǎo)致焊接區(qū)域的金屬性能發(fā)生很大變化，大大降低了焊接區(qū)域的使用壽命。另外，鈦合金與不銹鋼的異種金屬焊接過(guò)程中，容易導(dǎo)致焊接部位兩側(cè)金屬成分的明顯差異，導(dǎo)致兩側(cè)化學(xué)成分不夠均勻，使兩側(cè)材料具有不同的性能，很大程度降低了材料在后期使用中的利用率。

3.2 不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接方法

目前，用于不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的方法主要包括激光焊、電子束焊、爆炸焊、釬焊和摩擦焊等，采用合適焊接方法與焊接工藝在一定程度上可以改善異種金屬焊縫性能。

3.2.1激光焊接

為了解決不銹鋼與鈦合金焊接技術(shù)存在的問(wèn)題，可以選擇合適的焊接方法。其中激光焊能較好的滿足此類材料的焊接。這種焊接方法與傳統(tǒng)的焊接方法相比?？梢赃M(jìn)一步提高焊縫連接處的質(zhì)量，并在一定程度上可提高焊接過(guò)程中的生產(chǎn)效率。此外，在進(jìn)行激光焊接的過(guò)程中，焊接方式具有良好的靈活性，可以克服焊接過(guò)程中存在的熔合不好等問(wèn)題，并且可以精確地控制各種金屬材料的熔合比，在實(shí)際的焊接過(guò)程中激光焊接經(jīng)常用于精密儀器的焊接。

3.2.2電子束焊接

為了進(jìn)一步提高不銹鋼與鈦合金的焊縫質(zhì)量，可以利用電子束焊的方法進(jìn)行焊接。將需要焊接的焊接件放在真空的環(huán)境中。然后利用高速運(yùn)動(dòng)的電子束產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接件的焊接。這種焊接方式能夠進(jìn)一步加快焊接件的冷卻速度，并且在實(shí)際的焊接過(guò)程中具有良好的可控性，能夠?qū)附拥某叽邕M(jìn)行相應(yīng)的控制，并且還能夠確定不同焊接材料的融合比例，所以電子束焊接是異種金屬焊接常見(jiàn)的一種焊接方法，具有廣泛的應(yīng)用意義。

3.2.3摩擦焊接

摩擦焊是一種固相連接方法，在異種金屬焊接中具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)不銹鋼與鈦合金的焊接也有較多的應(yīng)用。摩擦焊焊件通過(guò)焊后熱處理可減輕應(yīng)變硬化和殘余應(yīng)力對(duì)接頭的影響。在摩擦焊中，合適的轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度是焊縫性能良好的保障，相互接觸是形成接頭的必要條件。界面化合物層較薄，一些化合物呈碎片狀分布，不銹鋼被擠壓進(jìn)塑性的鈦合金中形成互鎖的結(jié)構(gòu)，均有利于接頭強(qiáng)度的提高。因此，采用摩擦焊接方法可以提高不銹鋼與鈦合金焊接接頭的綜合力學(xué)性能。

4、不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接現(xiàn)狀及發(fā)展

4.1不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接現(xiàn)狀

近幾十年來(lái)，世界各國(guó)都加強(qiáng)了對(duì)不銹鋼和鈦合金焊接技術(shù)及焊接工藝的研究。異種焊接方法得到飛快的發(fā)展。隨著焊接要求的提高，實(shí)現(xiàn)了激光焊接和一些電子束焊接。在一些特殊的生產(chǎn)區(qū)域，一些特殊用途鋼和合金異種焊接方法也得到了快速的發(fā)展。國(guó)外學(xué)者對(duì)異種金屬的焊接技術(shù)進(jìn)行了較為廣泛的研究，并將其應(yīng)用于電子、汽車等高科技領(lǐng)域。然而，我國(guó)在有色金屬及異種合金的焊接研究方面還存在一些不足，因此加強(qiáng)這方面的技術(shù)研究顯得十分有必要。

4.2不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接發(fā)展方向

隨著人類對(duì)焊接技術(shù)深入的研究，異種金屬焊接的未來(lái)發(fā)展已經(jīng)有了更加明確的方向。我們需將異種金屬焊接技術(shù)更加廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。所以在今后的研究過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：

（1）、新型焊接材料的開(kāi)發(fā)。為了解決異種金屬焊接過(guò)程中遇到的問(wèn)題，需要加強(qiáng)新型焊接材料的開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步克服焊接材料差異引起的焊接不穩(wěn)定。在一定程度上提高了焊件的穩(wěn)定性。減少焊接過(guò)程中碳元素的遷移，從而達(dá)到更理想的焊接效果。

（2）、在今后的焊接研究過(guò)程中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)焊接接頭耐蝕性的研究。對(duì)于一些化工和石油行業(yè)，焊接接頭的腐蝕性能要求相對(duì)較高。為了解決焊接接頭腐蝕問(wèn)題，需要進(jìn)一步提高焊接接頭的穩(wěn)定性，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，對(duì)焊接接頭的研究也是未來(lái)金屬焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

（3）、加強(qiáng)高新科技技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，加強(qiáng)在焊接的過(guò)程中對(duì)焊接相關(guān)性能指標(biāo)的測(cè)試，進(jìn)一步提升焊接部位的應(yīng)力模擬，形成大量的數(shù)據(jù)參考庫(kù)。為今后的焊接技術(shù)發(fā)展提供更加科學(xué)的參考依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，鈦合金已被越來(lái)越多的行業(yè)所使用，并滲透到社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。不銹鋼與鈦合金的焊接技術(shù)不斷發(fā)展和更新，焊接工藝和焊接方法也取得了重大進(jìn)展。雖然不銹鋼與鈦合金的焊接技術(shù)還存在著一些技術(shù)瓶頸，但隨著焊接技術(shù)的不斷提高和焊接方法的不斷更新，不銹鋼與鈦合金的焊接工藝也在不斷改進(jìn)。隨著人類對(duì)不銹鋼與鈦合金理化性能的進(jìn)一步了解，焊接工藝的不斷完善，焊接中出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越少。不銹鋼與鈦合金的焊接技術(shù)也在不斷發(fā)展與完善中。

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