1.前 言

編者在鈦帶熱軋生產(chǎn)中，遇到了鈦帶和鋼引帶不能焊接的問題，帶來了鈦帶的浪費(fèi)和生產(chǎn)效率的下降，一直未能解決。這次，與鋼廠同仁交流時(shí)，有同志提議用鈮帶做引帶，當(dāng)時(shí)，心里是存在一絲疑惑，回來后，抽空整理了一些鈦— 鋼異 種 金屬 焊接的資料，與大家一起分享，希望能夠有有所啟發(fā)。

2.鈦與 鋼異 種 金 屬焊 接 存 在 的 問題

異 種 金 屬 的焊接性 主 要 取 決 于 它 們 物 理 性 能 和結(jié) 晶 化學(xué) 性 能的 差 別。鈦與鋼中 基 體 鐵 的 結(jié) 晶 化 學(xué)性能 和 物理性能 見 表1,圖1 是 鈦一 鐵二元 相圖。

由 表1可 見,這 兩 種 金 屬 的 晶 格類 型 不同,原子半 徑 及 物理 性 能 的 差 別 也較大。從鈦一 鐵相 圖 可 以 看 出,鐵與 鈦的 互 溶 解 度 極小,常溫 下 Fe在a一Ti 中的 溶 解 度 只 有0.0 5 % ~0.1 % 左 右,合 金含 鐵 量 超過0.1 % 時(shí),就 會(huì)形成金 屬 間化 合 物  TiFe。TiFe相 硬 而 脆。例 如,含 鐵0.1 4 % 鈦 合 金 的 維 氏 硬度為 1 9 9,當(dāng) 含 鐵 量 增 加 到2.2 % 時(shí),維 氏 硬度 則 為 4 50,而 合 金 的 延 伸 率從1 8.% 下 降 至 2.5 %,因 此,鈦與鋼 直 接 熔焊時(shí),會(huì)產(chǎn)生 以 下兩 方 面 的 問 題:

( l )由 于二 者 線 膨脹系數(shù)、熱 導(dǎo) 率 相 差 較 大,在焊 接 加 熱 和 冷 卻 過 程 中 變 形 不 同,導(dǎo) 致 接 頭 中 形 成較大的內(nèi)應(yīng)力。

( 2 )鐵 在 焊縫 中的 含 量將大大超過 它 在 鈦中的溶解 度,在 焊縫中 形成 量 的 金屬 間化 合物  TiFe。

另 外，鈦是 強(qiáng) 碳 化 物 形 成 元 素，與 鋼 中 的碳極 易 形成脆 性 的 TIC,當(dāng) 鈦 與 含 鉻、鎳 的奧 氏 體鋼 焊 接 時(shí) 更為復(fù) 雜,焊縫 中 的鈦會(huì) 與 鐵、鉻、鎳 形 成復(fù) 雜 的 金屬間化 合 物,從 而 使焊縫變 得極 脆。

由 于 上 述原 因,必 然在焊 縫 中 形 成 裂紋。這 就是鈦與鋼焊接的 困 難 所在。關(guān) 于 鈦 與 鋼 的焊接,國 外 尤 其是前蘇聯(lián)進(jìn)行 了大 量 的研究,下面 就有關(guān) 內(nèi) 容 作 一 簡(jiǎn) 要 的 概 述。

3 熔 化 連接

有文 獻(xiàn)指 出,鈦與鋼 直 接 熔焊,要想得到堅(jiān)韌 不 脆斷 的 焊縫幾乎是 不 可能的,這 里 T IFe和 TI C等 脆 性 相是 導(dǎo)致 接 頭 脆斷 的 主 要原 因。獲 得 高 質(zhì)量 的接 頭,必 須 避 免 熔化 金 屬 的 相互 攪拌,從 目 前的研究 來 看 主 要是采 用 以 下兩 種方 法。

( 1 )采 用 熔焊一 釬 焊 的 方法 。這種焊 接 方 法 是使兩 種 金屬 中 熔點(diǎn)較低 的 金屬 熔 化,而 熔點(diǎn)較高的 金屬 處 于 固 體 狀態(tài),即 對(duì) 一 種 金屬是熔 焊,而 對(duì)另 一 種金 屬 是釬焊。但 用 熔 焊一 釬焊方法 焊 接 鈦與 鋼的效 果并 不理 想,因 為鈦 與 鋼的熔點(diǎn) 比 較接 近,，熔點(diǎn) 較低的鋼 熔化時(shí) 將 導(dǎo) 致熔 點(diǎn)較 高的 鈦表 面 層 的 燒傷甚至 熔化。

( 2 )采 用 一 種或 幾 種過 渡 金 屬,分 段焊 接。在焊接 時(shí) 中 間過 渡 金 屬 部分熔 化 形 成焊縫。有文 獻(xiàn)報(bào) 道 了 采 用 鉭 + 青 銅、鈮+ 青 銅、釩 及 釩合 金、蒙乃 爾 合 金、銀 作 過渡 金屬 的熔焊 方法,其中采 用鉭 +青 銅、鈮+ 青 銅復(fù) 合 過 渡金 屬 較為理 想,試驗(yàn)，結(jié) 果列于 表 2。

從表2中可 以 看 出,接 頭 的 強(qiáng) 度 取 決 于 銅 合 金的 強(qiáng) 度,采 用 鉭 + 淬火 青 銅 作 過渡 金屬 時(shí),接 頭 可與 母 材達(dá) 到 等 強(qiáng) 度。但這種方法 的 缺 點(diǎn) 是 工藝 復(fù) 雜,首先是 鉭或鈮與鈦焊,銅 與鋼焊然 后 再把 銅 與 鋼連接 起 來。采 用 釩 作 過 渡金 屬 時(shí),必 須 控制 焊縫 金屬 的 含釩量,否 則 V 與鋼中 的 合 金元 素 N i 和 C 形成脆 性的V N i 及 VC,而 導(dǎo)致 接 頭 的 脆 斷。

4 釬 焊

鈦與鋼 釬焊 的關(guān)鍵 問 題 是釬料的選擇,選擇釬焊時(shí) 必 須注意 以 下 幾 個(gè) 問 題:

( l )鈦是 同 素 異形 態(tài) 金 屬,在 8 82 ℃ 時(shí) 將 發(fā) 生 相變,相 變 時(shí) 體 積 變 化 率 為5.5 %,所 以 釬料 的熔點(diǎn) 應(yīng)避 免 超 過8 8 2 ℃。

( 2 )鈦與鋼 的熱 膨 脹 系 數(shù)相 差 較 大,所 以 應(yīng) 盡可能 選 擇 固 相線 與 液相 線 溫 差 較 大 的 釬 料。

( 3 )鈦在 高 溫 時(shí)能 和 許多 金屬 反 應(yīng)形成脆 性的金屬 間 化 合 物,從 而 降 低 接 頭 的性 能,所 以 應(yīng) 避 免 采用含 有 鈦化 合 能 力較 強(qiáng)元 素 的釬料。有文 獻(xiàn)報(bào)道 了 幾 種 釬料的釬焊方 法,釬料 和 釬 焊規(guī) 范 列 于 表3與鋼 釬 焊 雖 可 以 獲 得 一 定 使 用 性 能 的 接 頭,但接 頭 的 強(qiáng) 度較低,而 且 耐蝕 性 也 常常滿 足 不 了 要求。鈦與 鋼還可 以 用 接觸 反 應(yīng) 釬焊 進(jìn) 行焊接,其 原理是 鈦與鐵 在1 9 8 5 ℃ 形 成 共 晶,在 接觸 良 好 的 情 況下,加 熱 到 高 于 共 晶溫 度,依 靠鈦 與 鐵的 相互 擴(kuò)散,在 界面處形成 共 晶 體,從 而 把 鈦與鋼連 接 起來。鈦-鋼共 晶 接 頭.高 強(qiáng) 度 可 達(dá) 3 28 M P a ,但這種方 法的缺 點(diǎn) 是工藝 上 較難掌 握,因 為 在 保 溫 時(shí) 間內(nèi)液 態(tài)共 晶 的數(shù) 量不 斷 增加,只 有 在加 熱 溫 度 低 于 共 晶溫度 時(shí),這 種形成液 態(tài) 共 晶 體的 過 程 才 會(huì) 停 止,因 此形成液 相共 晶 體 的 數(shù) 量難 以 控 制。

5 固 態(tài) 焊接

5 .1爆炸焊

爆 炸 焊 比 較 適 合 于 鈦與鋼 的 焊接,制造 鈦一 鋼復(fù)合 板 是 目 前 爆炸焊的 一 個(gè)重 要 應(yīng) 用，許 多 國 家 都 致力 于 其機(jī) 理、工 藝 及 應(yīng) 用 的 研 究。用 爆 炸焊制造 的 欽一 鋼復(fù)合板接頭 的 強(qiáng) 度完 全取決 于 爆炸焊的 工藝 參 數(shù),炸藥質(zhì) 量 大小 與 懸置板質(zhì) 量 大 小的 比 值,爆炸 速度 和 兩 相 鄰板間 的 起始 距離。.好的情 況 可達(dá)3 5 0 一 3 80 M p ,破斷通 常 發(fā)生在 鈦一 鋼界面上。其原 因 是 爆 炸 復(fù)合 時(shí),炸 藥的爆炸 熱界面 上 的 摩 擦 熱、壓 縮 空 氣 熱、塑 性 變 形 熱 等的 產(chǎn)生,可 能 導(dǎo) 致 界面上 的 局 部熔 化,并伴 隨著 擴(kuò)散、再結(jié) 晶 等過 程的 發(fā) 生。

以 上 現(xiàn) 象 均 可從 鈦一 鋼夾有熔塊 或帶 有 塑 性 流 動(dòng) 的 波狀 混 合 界面 而 得到 證明。鈦一 鋼復(fù)合 板 的抗 剪 強(qiáng) 度大 于 抗 斷 強(qiáng) 度,但 在 焊后 加熱 到5 0 0~ 6 00 ℃ 時(shí),接 頭 明 顯 脆 化,當(dāng)加熱 溫度 達(dá)1 0 0 0 ℃ 時(shí),其 斷 裂 強(qiáng) 度 不 超 過4 o M Pa ,復(fù)合金 屬 板 接 頭強(qiáng) 度的 降 低 與 擴(kuò)散過 程 進(jìn)行的 強(qiáng) 弱 和 在接 觸 面 形成新的脆 性 相有 關(guān)。

因 此,這 種 接 頭 只允 許在低 于5 0 0 ℃ 時(shí)使用。對(duì) 于 在5 0 0 ℃ 以 上使 用 的 接頭,爆炸焊時(shí) 可采 用 鈮、鐵、銅等 中 間 墊 片,為 減 少在界面 上 形 成脆 性 化 合物的可能性, 好采 用含碳量小 于0.0 0 2 % 的鐵  。

5.2摩擦 焊

有文 獻(xiàn)  研 究 了純 鈦與 碳 鋼 S 2 5 C 和sSUS3 0 4不 銹鋼的摩擦焊,焊 接接 頭 的 室 溫 拉 伸 強(qiáng)度 和 疲 勞 強(qiáng) 度可高 于 鈦母材,但 接 頭 的彎 曲 塑 性 和沖 擊韌 性 卻 比 母材 低得多。巴 頓 電 焊 研究 所 用 工 業(yè)純 鋁 A DI作中 間 過 渡金屬 研 究了 鈦與鋼 的 摩 擦焊  ,拉 伸試 驗(yàn)時(shí),斷裂沿 中 間 過渡金屬 鋁 發(fā) 生,但 強(qiáng) 度高 于 鋁材的 5 0 % 左右,金 相 分 析表 明:鈦、鋁、鋼 之 間沒 有擴(kuò)散,接 頭 在3 00 ℃ 保 溫 1 5 0h 沒 有 形 成 金 屬 間 化 合 物。

5.3擴(kuò) 散焊

有文 獻(xiàn) 報(bào) 道 了 鈦 合 金B(yǎng) T 5一1與X 2 5 H 15耐蝕 鋼 的 擴(kuò)散焊方 法,焊 接 溫 度為5 0 0 ~ 1 0 0 0 ℃、焊 接壓力 為6.9 ~ 1 7.6 M P a,焊 接 時(shí)間為1 0 ~ 20 m i n。大多數(shù)焊 接 試 件 在機(jī) 床 上 機(jī) 械 加工時(shí)沿 兩金 屬 接觸 面發(fā)生 破 裂。這 是 因 為 在 擴(kuò) 散 焊 過程 中母材組元相互擴(kuò) 散,在 接觸 面形成 了 金 屬 間化 合 物 層,在 焊接 過 程中未 能 .. 金 屬 間化 合 物 層 小 于 極 限厚 度 ( l~3 微米 ),而使 焊 接 接 頭 變 脆。有文 獻(xiàn) 報(bào)道 了 采 用 中 間 層 的擴(kuò)散焊 方法,試驗(yàn) 結(jié) 果 列 于 表4。

采 用 鉭作中 間 層 焊接鈦合 金 與 耐 蝕 鋼 的 接 頭,經(jīng) 輕微 沖 擊 后,在鉭與鋼 的 接 觸 面 發(fā) 生 破 壞。在鉭與鋼 之 間 形 成 了 高硬度的 過渡 區(qū),這是 由 于 在 鉭與鋼之間形 成 了Fe 2 T a和N i Ta。

采 用 釩 作中 間夾 層 時(shí),接 頭 的 強(qiáng) 度與鋼中的 含碳 量有 關(guān),隨 鋼 中 含 碳 量的 增 加,接 頭 的 強(qiáng) 度 下 降,甚至 產(chǎn) 生 脆 斷,造成這種 現(xiàn)象 的原因 是,在擴(kuò) 散 焊過程 中,鋼中 的碳 向釩 劇 烈 地?cái)U(kuò) 散,在界面 處 形 成V C層。

采 用N b + N i 復(fù)合 夾 時(shí) 層,雖然 保 證 了 鈮與鈦及 鎳與鋼 之 間 的 良 好連 接,但在 鈮 和 鎳 之 間 卻 形成了N bN i、N b2Ni 等 金 屬 間化 合 物,在 鎳 和 鈮 之 間 再加 入 夾 層 銅,在 接 頭 中 避免 了 金屬 間化 合 物的 產(chǎn) 生,接 頭 強(qiáng) 度 有所提 高,接 頭 斷裂沿 鈦 層銅發(fā) 生。

此 外,還 有 人 研 究 了 鈦與 鋼 的 冷 壓焊 ,楔焊 等等 ,但 冷壓 焊 的 接 頭 在焊 后 加 熱過程 中將 導(dǎo)致 接 頭 的 強(qiáng) 度 尤 其是 塑 性 明顯 下 降。楔 焊時(shí)由 于 鈦與鋼的 強(qiáng) 度 和 硬度均 較 高,而且 比 較接近,需 采 用鋁或銅 作 軟 質(zhì)過渡 層。

綜 上 所 述,不論 是 熔 化 焊接 還是 固態(tài) 焊 接,在 鈦一 鋼 接頭 中都 極 易形成脆 性 的 金 屬 間 化 合物 和 碳 化物。因 此,鈦與鋼 焊 接 的首 要 任 務(wù) 在 于 防 止 接 頭 中形成脆 性 金 屬 間化合物 和 碳 化物。解決 間 題的途徑有以 下 幾 點(diǎn)：

( l )選擇適 當(dāng) 的焊 接 方法

在 焊 接條件 下,金屬 間 化合 物的形 成具 有 一 定的速度,存 在 一 個(gè) 孕 育 期，因 此,為 了防止 在焊 接接頭 中產(chǎn) 生 金 屬 間 化 合 物,采 用 爆 炸 焊 較 為 合適。由 于焊接的瞬時(shí)性,使 金屬 間化 合 物 在 接 頭 中來 不及 形成,即 使 形成 了,尺 寸 也 比 較小,對(duì) 接 頭 的性能 影 響較小。

目 前 生產(chǎn) 中 主 要是采 用 爆 炸焊 生產(chǎn) 鈦一 鋼 復(fù)合板。但 這 種接 頭 在高 溫 下使 用會(huì)導(dǎo) 致金 屬 間 化合 物的 形 成 和長 大,從 而 降 低 接 頭 的 性 能。

( 2 )采 用 一 種或 兩 種與 鈦 和 鋼均 具 有較好可 焊性的過渡 金屬,將 鈦 與 鋼 間 接 地 焊 接 起 來。過 渡金屬的選擇 必 須考 慮 以 下 幾個(gè) 問 題:

a.夾層 金屬 與 鈦 和 鋼 是 否形 成 金屬 間 化 合 物 及所形 成 金屬 間 化 合 物 的性質(zhì);

b.夾 層 金 屬 與 碳 的親 和 能 及 所 形 成 碳 化 物 的性 質(zhì);

c.夾 層 金屬 的 力學(xué) 性質(zhì),如 硬 度、強(qiáng) 度、塑 性 及線 膨脹 系數(shù) 等。由 于 鈦 只 能 與 很少 的 幾 種 金 屬,即釩、鈮、鉭、鋯、鉿5種 金屬 具 有滿 意 的 焊 接性 能 而 這5種屬 中 釩 是 唯 一 與鈦和 鐵 均能形成 固 溶 體,而 不 生成 金屬間化 合物 的元 素,但釩 與 鋼 中 的 合 金 元 素 碳及 鎳卻 形 成脆性的 V C 和 V  Ni,因 此,給 過渡金屬 的選 擇 帶來 了 困 難。

為避免 接 頭 中的 脆 性 化 合物的 出現(xiàn),可采 用兩 種 或 兩 種 以 上的 金屬 逐漸過 渡,例 如采用 鈮十 銅、鉭+ 銅、鈮+ 銅 + 鎳等。但 這 種 接 頭 的 性能 與 鈦質(zhì)過 渡 金屬 銅的 性 能 有關(guān),此 外,如 果 接 頭 在腐 蝕 性 介質(zhì)中 工 作,必 須 考慮 接 頭 的耐 蝕 性 ( 其 中 包括中間過渡金屬）。

從 以 上 分 析可 以 看 出,目 前的焊接 方法 都 是 避免在 接 頭 中 形 成金 屬間 化 合 物,而 對(duì)焊縫 中 金 屬 間化 合 物的 形 成 規(guī)律,以 及 改善 它 們 性 能的 途徑 尚 未進(jìn)行研究，有待 于 進(jìn) 一 步 深 入。

6結(jié)束語

( l )鈦 與鋼 焊 接 的 主 要 困 難是 在 接 頭 中 易 于 形成脆 性的 金 屬 間化 合 物 和 碳 化物。

( 2 )從 目 前 的 研 究現(xiàn) 狀 來 看,主 要 是采 用 過渡金屬 作 隔 離 層

,實(shí) 現(xiàn) 鈦與鋼 的間 接 焊 接,這 給 實(shí) 際生產(chǎn)帶來 了很 大 困 難。

( 3 ),研究 焊 縫 中 金 屬間 化 合物 的形 成 規(guī) 律,以 及 提 高 它 們 性 能的途 徑，意義更為重大。

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