[发明专利]一种钛合金和不锈钢的填粉等离子焊接方法

说明书

本发明涉及一种钛合金和不锈钢板的填粉等离子弧焊接方法，属于焊接技术领域。在TC4钛合金和304不锈钢板中间填充粉末状的Ni‑Cu‑Nb‑Y₂O₃复合粉末作为中间层材料，采用等离子电弧作为热源。利用Ni和Cu形成在焊缝中形成固溶体相抑制Ti和Fe之间直接反应生成的脆性金属间化合物，加入铜元素降低熔点，加入Nb元素和Y₂O₃稀土氧化物改善焊缝流动性和对母材的润湿性。通过控制等离子弧焊接工艺使不锈钢母材部分熔化，钛合金微熔，实现钛合金与不锈钢的可靠焊接。该方法具有工艺简单、焊缝成分可调、成形良好等优点，获得的焊缝无裂纹、气孔缺陷，连接可靠。

技术领域

本发明涉及一种钛合金和不锈钢异种材料的焊接技术领域，具体涉及一种钛合金和不锈钢的填粉等离子焊接方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性好、高温性能优异等优点，是重要的结构材料之一，目前广泛应用于航空航天、石油化工、食品、医疗等行业。与普通钢材相比钛合金具有优异的耐蚀性，在海洋工程、石油化工等材料容易发生腐蚀的工况条件下，钛合金可以作为首选的结构材料，但较高的材料成本限制了其在工业中的大规模应用。与钛合金相比，304奥氏体不锈钢也具有较好的耐蚀性，且材料成本低、机械加工性能和焊接性均良好。因此将钛合金与不锈钢相结合可以兼顾二者的性能优势和使用成本。钛合金与不锈钢异种材料连接在海洋工程、化工容器、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

钛合金和不锈钢异种材料焊接性较差，这是由于二者具有显著不同的物理和化学性能。钛合金熔点比不锈钢高约300℃，采用常规熔焊方法时二者不能同步熔化。不锈钢的热导率和线膨胀系数约为钛合金的2～3倍，因此在焊接的快速加热和冷却过程中焊接接头两侧散热不均匀，膨胀和收缩差异较大，焊缝内部往往产生非常大的内应力，导致裂纹萌生和扩展。从化学性能上分析，钛合金化学性质较为活泼，焊接加工过程中极易吸收空气中的氧、氮和氢，使钛合金变脆；在焊接熔池中Ti与Fe元素结合容易生成脆性的金属间化合物如TiFe，TiFe₂等，导致焊缝塑性降低，极易开裂。为了解决上述难题，技术人员开发了各种焊接方法连接钛合金与不锈钢异种接头。如专利CN105855705提出了一种采用激光焊接钛和不锈钢的方法。该技术使用Nb做为中间层材料，配合专用的工装夹具实现了钛合金和不锈钢的焊接，但实际应用中该工艺较为复杂。为避免Ti与Fe在熔池中的直接反应，在钛钢异种接头中添加中间层金属焊接成为一种较为可行的技术方案。Nb、V、Ni、Cu、Ag等金属作为中间层材料用与钛合金和不锈钢焊接也有相关研究，但中间层金属一般为片状或丝材，此时焊缝冶金成分较难调控。因此，在钛合金与不锈钢异种材料焊接时，如何对中间层金属合金成分优化以抑制焊缝中脆性金属间化合物的生成，以及如何选择简单高效的焊接方法和工艺实现二者的可靠连接仍然是亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述暴露的问题，本发明提供了一种钛合金和不锈钢的填粉等离子焊接方法，通过焊缝中间层材料的合金设计和等离子弧焊接工艺优化实现钛合金和不锈钢接头的可靠连接。

本发明提供了一种钛合金和不锈钢的填粉等离子焊接方法，所述焊接方法具体步骤如下：

(1)取厚度为2mm的TC4钛合金板材和厚度为2mm的304不锈钢板材；所述不锈钢板材一侧开单V型坡口，所述单V型坡口的坡口角为45°，钝边1mm，接头采用对接或搭接方式焊接；

(2)将TC4钛合金和不锈钢板材用砂纸打磨干净，去除氧化层，然后用酒精清洗、吹干；采用钨极氩弧焊点焊固定TC4钛合金和不锈钢板材；