[发明专利]一种钛-钢板材对接双热源低热输入钎焊方法

说明书

本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种钛‑钢板材对接双热源低热输入钎焊方法。采用双热源低热输入焊接实现钛‑钢的钎焊连接，可以针对钛与钢的不同热膨胀系数，通过控制正反面两热源能量参数，位置参数，改善焊接过程两金属间的热量分布，降低钛与钢金属间的热失配，不仅有效抑制了Ti‑Fe脆性化合物的生成，同时有效降低接头残余应力，实现接头的高效可靠连接。此外，反面热源对接头背面的直接加热以及气保护，促进填充金属在接头背面的润湿与铺展，极大地改善焊缝成形。本发明在焊接过程中，可通过改变沿焊接方向，正面热源与反面热源的相对位置，提供相当于焊前预热或焊后热处理等工艺。本发明方法操作容易，可适用于钎焊，熔化焊和熔钎焊等焊接形式。

技术领域

本发明涉及材料加工工程领域，具体涉及一种钛-钢板材对接双热源低热输入钎焊方法。

背景技术

钛及钛合金，有着良好的低温韧性和高温强度，尤其是较高的比强度，广泛应用于航空领域的结构制造。然而，钛的成本较高，限制了其在工程领域中的推广应用。不锈钢作为应用广泛的工程材料，价格低廉，有着良好的热导性能和机械性能。将钛和钢两种金属采用焊接方法连接使用，不仅能够充分利用和发挥各自材料的优势特性，还能降低成本，提高经济效益，具有广泛的应用前景。

尽管钛-钢异种金属的连接兼有性能和经济性的双重优势，钛-钢的焊接一直是异种金属连接领域中的难点问题。其原因在于：钛与钢在焊接过程中，会生成Ti-Fe金属间化合物，相较于钛-铝与钢-铝异种金属焊接时形成的Ti-Al、Fe-Al金属间化合物，Ti-Fe化合物极脆，一旦连续生成，直接导致接头开裂。更严重的是，钛合金与不锈钢之间热膨胀系数差异较大，在焊接冷却过程中，两种材料之间的热应力失配更加恶化了接头的开裂趋势。正因如此，当前仍无解决钛-钢高效可靠连接的有效方法。

为了保证钛-钢的焊接，必须采用第三种金属作为填充材料，抑制Ti-Fe金属间化合物的生成。铜因为与钛、钢金属间良好的化学相容性以及其优异的力学性能，成为当前钛-钢连接研究最常用的填充金属。更重要的是，铜的熔点约为1080℃，较钛(1680℃)与钢(1530℃) 都低，可以通过熔化铜金属对固态钛、钢进行润湿，实现钛-钢的纯钎焊连接，以抑制脆性金属间化合物的生成。然而，采用传统的炉中钎焊方法，需对工件进行整体加热，炉腔的大小限制了工件尺寸以及工件结构，同时焊接效率低下，难以应用于钛-钢板材的工程连接。而采用熔化焊焊接方法实现钛-钢钎焊连接，不仅能够抑制接头Ti-Fe脆性化合物的生成，提高接头质量，相较于传统钎焊方法，焊接效率显著提升。然而，当前尚无资料公开关于采用熔化焊焊接方法实现钛-钢的钎焊连接。其主要原因在于，当前熔化焊接主要为单一热源加热为主，热源对接头局部加热，接头热量分布极不均匀，在板材厚度方向会形成较大温度梯度—靠近热源侧温度较高，远离热源尤其是接头背面热量较低。为保证接头背面成形，必须提高焊接热输入，往往造成热源加热区域过热。而母材一旦发生熔化，母材铜与钢迅速熔解并于液态填充金属铜中快速扩散反应，形成Ti-Fe金属间化合物。同时，接头的受热不均更加恶化了接头中残余应力的分布，恶化接头性能。哈工大闫久春采用TIG熔焊焊接方法，以Cu为填充材料对钛合金-不锈钢进行焊接，结果表明，采用TIG焊接方法难以有效抑制Ti-Fe脆性化合物的生成，难以获得可靠性能的钛-钢接头。接头母材一旦发生熔化，界面以液/液界面连接，原子扩散速度快，难以抑制Ti-Fe金属间化合物的生成，接头性能难以满足要求。

发明内容

为实现钛-钢的纯钎焊连接，抑制Ti-Fe脆性化合物的生成，本发明提供一种钛-钢板材对接双热源低热输入钎焊方法，所述方法在焊接钛-钢板材时，采用双热源在接头正反面同时进行加热，利用双热源作用于同一熔池的协同作用，降低焊接热输入，并通过控制两热源的能量参数、位置参数，改善接头能量分布，实现钛-钢的纯钎焊连接，抑制Ti-Fe脆性化合物生成并降低接头残余应力，获得高质量的钛-钢接头。