钢与钛合金焊接ppt课件.ppt
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1、钢与有色金属的焊接钢与有色金属的焊接3雷永平雷永平钢与钛及其合计的焊接钢与钛及其合计的焊接特点:特点: 钛及钛合金密度小,热膨胀系数小(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),道导热性差,摩擦系数大,弹性模量较低,不利于结构的刚度。工业纯钛有很高的化学活数大,弹性模量较低,不利于结构的刚度。工业纯钛有很高的化学活性,生成致密氧化膜,在不同条件下性,生成致密氧化膜,在不同条件下(酸、碱、温度酸、碱、温度)有很好的耐蚀性有很好的耐蚀性(500 )。)。 强度高,良好的塑性和韧性,足够的抗腐蚀性和高温强度,最为突出强度高,良好的塑性和韧性,足够的抗腐蚀性和高温强
2、度,最为突出的特点是比强度高。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,尤其是用,尤其是钢钢+铁铁的双金属焊接结构应用更为广泛。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。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1、钛合金特点、分类及性能、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接钛合金钛合金的分类的分类工业纯钛(工业纯钛( TA1,TA2,TA3)钛合金钛合金钛合金(钛合金(TA4,TA5,TA6.) 钛合金钛合金
3、(TB1,TB2 .) 钛合金钛合金(TC1,TC2,TC3.)1、钛合金特点、分类及性能、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接工业纯钛工业纯钛( TA1,TA2,TA3)Ti在在885以下为密排六方以下为密排六方钛合金钛合金Ti在在885以上为体心立方以上为体心立方钛合金钛合金TiTi在在885885发生同素异构转变发生同素异构转变纯钛中杂质:纯钛中杂质:H H、O O、FeFe、SiSi、C C、N N等等O O、N N、H H形成形成间隙固溶体间隙固溶体,FeFe、SiSi等形成等形成置换固溶体置换固溶体,固溶强化(强度、,固溶强化(强度、硬度提高,塑性、韧性下
4、降),但硬度提高,塑性、韧性下降),但H H使钛的冲击韧性急剧下降,使钛的冲击韧性急剧下降,氢脆。氢脆。1、钛合金特点、分类及性能、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接钛合金钛合金钛合金钛合金:加入:加入Al、稳定稳定相,中性元素相,中性元素Sn、Zr。加入加入Al 5,再结晶温度再结晶温度600 800 ,耐热性提高,减少,耐热性提高,减少H的敏感的敏感性,过多(性,过多(7),),Ti3Al相相脆性。脆性。 钛合金高温强度高、韧性好,抗氧化能力强,钛合金高温强度高、韧性好,抗氧化能力强,焊接性好焊接性好,组织稳定,组织稳定,但加工性比但加工性比钛合金和钛合金和钛合
5、金差,钛合金差,不同进行热处理强化不同进行热处理强化,只是,只是600 700 退火消除加工硬化,退火消除加工硬化, 500 600 不完全退火消除焊接不完全退火消除焊接残余应力。残余应力。钛合金钛合金:含有:含有稳定元素,含稳定元素,含Mo、V、Cr。通过时效热处理,单一相。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。构中很少用。1、钛合金特点、分类及性能、钛合金特点、分类及性能钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接钛合金钛合金 钛合金钛合金:两相,含有:两相,含有Al,稳定,
6、稳定相,中性元素相,中性元素Sn、Zr, 相稳定相稳定元素(元素(6)。)。 具有具有和和相的优点,相的优点,即高温变形能力和热加工性,又可热处理提高即高温变形能力和热加工性,又可热处理提高强度。强度。 TC4(Ti6Al4V)是广泛应用的是广泛应用的钛合金,钛合金,不同热处理下两相比例、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。性质、形态不同。具有良好的压力加工性和焊接性。1、钛合金特点、分类及性能、钛合金特点、分类及性能1、钛合金的特点、钛合金的特点钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接国外在国外在20 世纪世纪50年代就开始进行研究年代就开始进行研究. 美国在
7、美国在1956 年第一次对钛与钢直接进行点焊年第一次对钛与钢直接进行点焊,由于接头发脆没有成功由于接头发脆没有成功。一般认为铁在一般认为铁在-Ti 中溶解度极小中溶解度极小,这样在钛这样在钛-铁焊缝中除了有铁在铁焊缝中除了有铁在-Ti 中的固溶体外中的固溶体外,还形成了还形成了脆性的脆性的TiFe 型型-金属间化合物金属间化合物,这些相的硬度这些相的硬度达达Hv600 ,有的甚至到有的甚至到Hv8001050 ,致使致使焊缝发脆焊缝发脆,在冷却过程中形在冷却过程中形成裂纹成裂纹,TiFe 型及型及TiC 等脆性相是导致焊缝开裂的主要原因。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为
8、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必须在焊接过程中避免产生这些脆性相,解决这解决这个问题的途径可以归纳为以下几种个问题的途径可以归纳为以下几种: (1) 用一种与钛、铁两元素能形成连续的或宽范围固溶体的金属来用一种与钛、铁两元素能形成连续的或宽范围固溶体的金属来直接直接进行焊接进行焊接; (2) 用一种或两种与钛、铁两元素有好的可焊性的金属作为用一种或两种与钛、铁两元素有好的可焊性的金属作为中间填料中间填料,使钛与钢间接地焊接起来使钛与钢间接地焊接起来; (3) 采用低于钛、铁熔点的焊接方法。采用低于钛、铁熔点的焊接方法。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
9、金焊接特点、钛及钛合金焊接特点111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、钛及钛合金焊接特点 接头区脆化:接头区脆化:540以上,氧化膜疏松,与以上,氧化膜疏松,与O、N、H等反应快,接头塑性韧性降低。等反应快,接头塑性韧性降低。300 以上吸以上吸H,600 以上吸以上吸O,700 以上吸以上吸N,O、高温固溶,强度提高,塑性下降;、高温固溶,强度提高,塑性下降;N会形成脆性相会形成脆性相TiN。H是是相稳定元素,相稳定元素,325 发生共析反应:发生共析反应: (TiH2),片状或针状存在,裂纹源,降低塑性和韧性,),片状或针状存在,裂纹源,降低塑性和韧性,焊接中
10、严格控制焊接中严格控制H来源。来源。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、钛及钛合金焊接特点 接头区脆化:接头区脆化: 常温时,常温时,C 在在钛中溶解度钛中溶解度0.13,间隙固溶,强度提高,塑性下降。,间隙固溶,强度提高,塑性下降。饱和析出饱和析出TiC,网状分布,塑性降低,焊接裂纹。,网状分布,塑性降低,焊接裂纹。 所以,所以,C0.1. 合金元素:合金元素:Al、Ni、Si、Nb、Cr、Mn、Mo等。等。焊接时采用高纯度惰性气体或无氧氟氯化物焊剂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2、钛及钛合金焊接特点、钛及钛合金
11、焊接特点 焊接裂纹: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。纹。O、H、N多时,焊缝和多时,焊缝和HAZ变脆,易于产生冷裂纹,延迟裂纹变脆,易于产生冷裂纹,延迟裂纹焊缝气孔:焊缝气孔:氩气、母材、焊丝中氩气、母材、焊丝中O2、N2、H2、CO2、H2O都可以引起气孔都可以引起气孔其中其中H是形成气孔的组要气体。是形成气孔的组要气体。措施措施:加强清理(机械清理和化学清理),缩短焊接
12、时间,良好的焊接: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。工艺等。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、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。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,尤其是钢应用,尤其是钢+铁的双金属焊接结构应用更为广泛。铁的双金属焊接结构应用更为广泛。 因此,对钢与钛焊接的
13、研究更为迫切。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、钛及钛合金焊接特点、钛及钛合金焊接特点 图图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,使接头金属塑性严重下降,脆性增加。与不锈钢焊接时,钛还会与降,脆性增加。与不锈钢焊接时,钛还会与Fe、Cr、Ni形成更加形成更加复复杂的金属间化合物,使焊缝严重脆化,甚至产生裂纹、气孔杂的金属间化合物,使焊缝严重脆化,甚至产生裂纹、气孔。因此,。因此,最
14、好避免采用熔焊方法,尽量采用最好避免采用熔焊方法,尽量采用压焊或钎等压焊或钎等方法。方法。 2、钢与钛及其合金的焊接特性、钢与钛及其合金的焊接特性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、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接铁的比重与线膨胀系数分别为钛的铁的比重与线膨胀系数分别为钛的1. 7 倍与倍与1. 6倍倍,而导热系数更为钛的而导热系数更为钛的5. 5 倍倍2、钢与钛及其合金的焊接特性、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接 TiFe 相是硬脆的金属间化合物相是硬脆的金属间化合物, 在在Ti 与与Fe 组成
15、的合金中组成的合金中, 它剧烈地它剧烈地提高合金的强度提高合金的强度, 但显著地降低塑性。含有但显著地降低塑性。含有0. 14 %Fe 的钛的钛,它的它的硬度为硬度为Hv199 ,而当含而当含Fe量为量为2. 2 %时时,硬度则提高到硬度则提高到Hv450 ,则相则相应地从应地从18. 5 %降低到降低到2. 5 %。 当钛与钢直接熔焊时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焊缝中的含铁量会超过在钛中的溶解度范围围,在焊缝中极易形成在焊缝中极易形成脆性的金属间化合物脆性的金属间化合物。除金属间化合物外。除金属间化合物外,焊缝中还有与金属间化合物形成的焊缝中还有与金属间化合物形
16、成的低熔点共晶体低熔点共晶体2、钢与钛及其合金的焊接特性、钢与钛及其合金的焊接特性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、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从高温下钛易于吸收氢、氧、氮。从250开始吸收氢,从开始吸收氢,从400开始吸开始吸收氧,从收氧,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。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钛及钛合金的热
17、导率大约只有钢的1/6,弹性模量只有钢的,弹性模量只有钢的1/2。由于。由于热导率较小,焊接时容易引起热导率较小,焊接时容易引起变形变形。可以采用刚性夹具、冷却压块、。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。反变形及选用合适的焊接工艺等方法防止和减少变形。焊后应进行退火消除内应力。退火工艺应根据合金牌号、结构形式和焊后应进行退火消除内应力。退火工艺应根据合金牌号、结构形式和应力大小及分布状态诸因素来决定,一般在应力大小及分布状态诸因素来决定,一般在550650下保温下保温14h。退火处理最好在真空或氩握中进行,在空气中热处理的零件要进行退火处理最好在真空或氩
18、握中进行,在空气中热处理的零件要进行酸洗,以清除氧化膜。酸洗,以清除氧化膜。 2、钢与钛及其合金的焊接特性、钢与钛及其合金的焊接特性钢与钛及其合金的焊接钢与钛及其合金的焊接 从从钛钢钛钢直接熔焊试样的微观分析及有关文献报道看直接熔焊试样的微观分析及有关文献报道看,要取得塑性要取得塑性的钛钢直接熔焊接头是的钛钢直接熔焊接头是不可能的不可能的, 加中间填料加中间填料,使它们间接地焊使它们间接地焊接起来是目前的可行方案。接起来是目前的可行方案。中间填料一般需要具备以下条件中间填料一般需要具备以下条件: (1) 与两种基体与两种基体(钛及钢钛及钢) 分别有好的焊接性分别有好的焊接性, 这是基本条件这是
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