本發(fā)明涉及激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體是添加復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法。

　　背景技術(shù)：

　　鈦及其合金由于其具有高韌性、高比強度、良好的耐高溫性、低密度、抗疲勞性好等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，鈦及其合金已經(jīng)代替易腐蝕的鎳基合金以及銅合金等金屬材料成為必要的組成部分。然而，由于鈦合金本身的制造成本較高、焊接和機械加工性能較差、抗蠕變性能差使其應(yīng)用受到限制。不銹鋼是目前最常用的結(jié)構(gòu)材料，其自身具有一系列優(yōu)良的性能，如焊接性、耐磨性、力學(xué)性能，且成本相對較低。雖然不銹鋼在耐蝕性方面遠(yuǎn)不如鈦合金，而且比重較大。但如果將鈦合金與不銹鋼通過焊接的方法連接在一起，鈦合金與不銹鋼的焊接結(jié)構(gòu)將不銹鋼良好的焊接性與鈦合金優(yōu)異的耐蝕性相結(jié)合，這樣的組合將實現(xiàn)兩種材料在性能上的優(yōu)勢互補。然而，由于鈦合金與不銹鋼的焊接性很差，在焊后的接頭中易產(chǎn)生大量脆性較大的ti-fe金屬間化合物。此外，由于鈦合金和不銹鋼二者之間的物理、化學(xué)性能差異顯著，接頭中存在較大的殘余應(yīng)力，這會降低接頭力學(xué)性能。

　　目前，解決這一問題的一般方法是在鈦合金和不銹鋼之間添加中間層(銅、鎳、鈷、釩)，以降低鈦合金-不銹鋼熔化焊接頭中形成ti-fe金屬間化合物的含量，提高接頭的力學(xué)性，但是在接頭中會引入新的脆性化合物，例如ti-cu化合物。此外，無論添加何種中間層，只要中間層完全熔化，ti和fe元素就會在熔池中混合并反應(yīng)，在焊縫中生成ti-fe金屬間化合物。綜合以上兩個原因，目前采用添加中間層的方式對鈦合金-不銹鋼異種金屬進行熔化焊接時，焊接接頭性能提高幅度較小。

　　首先，在接頭中保留未完全熔化的復(fù)合中間層，可阻止ti、fe元素的混合及相互擴散，從而避免在焊接過程中形成脆性ti-fe金屬間化合物。選擇ta2和q235作為復(fù)合中間層的組成材料，來實現(xiàn)此種形式的鈦合金-不銹鋼的焊接。采用ta2/q235作為復(fù)合中間層時，焊接接頭中包含鈦合金-ta2焊縫與q235-不銹鋼焊縫及未熔化的復(fù)合中間層；未熔化的復(fù)合中間層作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。鈦合金-ta2焊縫抗拉強度可達(dá)716mpa，q235-不銹鋼焊縫抗拉強度可達(dá)650mpa。

　　技術(shù)實現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明的目的是提供一種添加復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法，針對接頭的脆性問題，采用激光作為焊接熱源，ta2/q235復(fù)合層作為中間層，采用雙道焊，獲得了包含鈦合金-ta2焊縫、未熔化的ta2、ta2-q235爆炸焊界面、未熔化的q235及q235-不銹鋼焊縫的焊接接頭。這樣，未熔化的ta2和q235阻止了ti、fe元素的混合及相互擴散，完全避免了ti-fe金屬間化合物在接頭中形成。同時，在鈦合金-ta2焊縫和q235-不銹鋼焊縫中也不存在其他的金屬間化合物，改善焊縫微觀組織，提高了接頭的力學(xué)性能。

　　本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

　　一種添加復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法，按以下工藝步驟進行：

　　a）接頭形式：接頭形式為i形坡口對接，復(fù)合中間層厚度4mm，組焊裝夾時保證鈦-復(fù)合中間層-鋼接觸面存在一定的預(yù)緊力。

　　b）焊接工藝：采用cw激光焊設(shè)備進行焊接，激光功率450～550w；離焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保護氣體流量20~30l/min；通過優(yōu)化焊參數(shù)，防止未熔合、咬邊等焊接缺陷，改善焊縫表面成形，提高焊接質(zhì)量。

　　c）第一道焊接時，激光光斑照射在鈦合金-ta2的接觸面上，使部分鈦合金和ta2熔化，形成鈦合金-ta2焊縫；第二道焊接時，激光光斑照射在q235-不銹鋼接觸面上，使部分q235和不銹鋼熔化，形成q235-不銹鋼焊縫。第一道焊接時，通過調(diào)整焊接參數(shù)避免ta2完全熔化。第二道焊接時，通過調(diào)整焊接參數(shù)避免q235完全熔化。

　　d）接頭中，在鈦合金-ta2焊縫與q235-不銹鋼焊縫之間存在一定厚度的未熔化的ta2/q235復(fù)合中間層，其作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

　　e）通過精確控制焊接參數(shù)，控制ta2/q235復(fù)合中間層的熔化量，從而控制焊縫中的微觀組織分布，降低接頭的脆性。當(dāng)激光聚焦在鈦合金-ta2界面時，鈦合金-ta2焊縫組織為針狀α'馬氏體；當(dāng)激光聚焦在q235-不銹鋼界面時，q235-不銹鋼焊縫組織為γ-fe奧氏體和少量α-fe鐵素體，接頭的脆性大大降低。

　　作為優(yōu)選，所述步驟（1）中，采用cw激光焊設(shè)備進行焊接，激光功率450～550w；離焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保護氣體流量20~30l/min。

　　作為優(yōu)選，所述步驟（2）中，在第一道焊接時，激光光斑照射在在鈦合金-ta2的接觸面上，使接觸面附近的鈦合金和ta2部分熔化，形成鈦合金-ta2焊縫；第二道焊接時，激光光斑照射q235-不銹鋼接觸面上，使接觸面附近的q235和不銹鋼部分熔化，形成q235-不銹鋼焊縫。

　　作為優(yōu)選，所述步驟（3）中，在焊接接頭中包含鈦合金-ta2焊縫與q235-不銹鋼焊縫及未熔化的復(fù)合中間層；未熔化的復(fù)合中間層作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

　　作為優(yōu)選，所述步驟（4）中，通過精確控制焊接參數(shù)，避免在鈦合金-ta2焊縫和q235-不銹鋼焊縫中形成脆性的ti-fe金屬間化合物，從而降低接頭的脆性。

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

　?。?）激光焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，無裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工藝性能良好。

　　（2）鈦合金-復(fù)合中間層-不銹鋼經(jīng)過雙道激光焊接，最終獲得包含鈦合金-ta2焊縫、未熔化的ta2、ta2-q235爆炸焊界面、未熔化的q235及q235-不銹鋼焊縫的異種金屬材料的高質(zhì)量、高效率焊接接頭?？估瓘姸仍囼炛?，接頭斷裂于未熔化的復(fù)合中間層，抗拉強度達(dá)到548mpa。

　　附圖說明

　　圖1是ta2/q235復(fù)合中間結(jié)構(gòu)示意圖；

　　圖2是鈦合金-不銹鋼激光焊接方法及接頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖2中：（a）為焊接工藝示意圖，（b）為第一道焊接，（c）為第二道焊接；其中4中（a）為鈦合金-ta2焊縫低倍照片，（b）為鈦合金-ta2焊縫高倍照片，（c）為ta2-q235爆炸焊界面低倍照片，（d）為ta2-q235爆炸焊界面高倍照片，（e）為q235-不銹鋼焊縫低倍照片，（f）為q235-不銹鋼焊縫高倍照片；

　　圖3是鈦合金-不銹鋼接頭示意圖；

　　圖4是鈦合金-不銹鋼接頭微觀組織示意圖。

　　具體實施方式

　　下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

　　請結(jié)合圖1-4，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

　　一種添加復(fù)合中間層的鈦合金-不銹鋼異種金屬激光焊接方法，按以下工藝步驟進行：

　　a）接頭形式：接頭形式為i形坡口對接，復(fù)合中間層厚度4mm，組焊裝夾時保證鈦-復(fù)合中間層-鋼接觸面存在一定的預(yù)緊力。

　　b）焊接工藝：采用cw激光焊設(shè)備進行焊接，激光功率450～550w；離焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保護氣體流量20~30l/min；通過優(yōu)化焊參數(shù)，防止未熔合、咬邊等焊接缺陷，改善焊縫表面成形，提高焊接質(zhì)量。

　　c）第一道焊接時，激光光斑照射在鈦合金-ta2的接觸面上，使部分鈦合金和ta2熔化，形成鈦合金-ta2焊縫；第二道焊接時，激光光斑照射在q235-不銹鋼接觸面上，使部分q235和不銹鋼熔化，形成q235-不銹鋼焊縫。第一道焊接時，通過調(diào)整焊接參數(shù)避免ta2完全熔化。第二道焊接時，通過調(diào)整焊接參數(shù)避免q235完全熔化。

　　d）接頭中，在鈦合金-ta2焊縫與q235-不銹鋼焊縫之間存在一定厚度的未熔化的ta2/q235復(fù)合中間層，其作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

　　e）通過精確控制焊接參數(shù)，控制ta2/q235復(fù)合中間層的熔化量，從而控制焊縫中的微觀組織分布，降低接頭的脆性。當(dāng)激光聚焦在鈦合金-ta2界面時，鈦合金-ta2焊縫組織為針狀α'馬氏體；當(dāng)激光聚焦在q235-不銹鋼界面時，q235-不銹鋼焊縫組織為γ-fe奧氏體和少量α-fe鐵素體，接頭的脆性大大降低。

　　進一步的，所述步驟（1）中，采用cw激光焊設(shè)備進行焊接，激光功率450～550w；離焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保護氣體流量20~30l/min。

　　進一步的，所述步驟（2）中，在第一道焊接時，激光光斑照射在在鈦合金-ta2的接觸面上，使接觸面附近的鈦合金和ta2部分熔化，形成鈦合金-ta2焊縫；第二道焊接時，激光光斑照射q235-不銹鋼接觸面上，使接觸面附近的q235和不銹鋼部分熔化，形成q235-不銹鋼焊縫。

　　進一步的，所述步驟（3）中，在焊接接頭中包含鈦合金-ta2焊縫與q235-不銹鋼焊縫及未熔化的復(fù)合中間層；未熔化的復(fù)合中間層作用是阻止ti、fe元素的混合及相互擴散，從而避免形成脆性ti-fe金屬間化合物。

　　進一步的，所述步驟（4）中，通過精確控制焊接參數(shù)，避免在鈦合金-ta2焊縫和q235-不銹鋼焊縫中形成脆性的ti-fe金屬間化合物，從而降低接頭的脆性。

　　具體的，采用本發(fā)明的方法進行不銹鋼-鈦合金異種金屬的焊接，首先用壓板將鈦合金板和不銹鋼板夾緊在焊接定位夾具上；鈦合金板和不銹鋼板之間放置厚度為4mm厚的ta2/q235復(fù)合中間層，并通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力使得鈦合金-復(fù)合中間層-不銹鋼之間保持一定的壓力。

　　采用雙道焊，通過精確控制焊接工藝參數(shù)，獲得包含鈦合金-釩焊縫、未熔化的復(fù)合中間層及釩-不銹鋼焊縫的鈦合金-不銹鋼焊接接頭。在這種情況下，在焊接過程中沒有ti-fe金屬間化合物形成。同時，通過精確控制激光入射點，第一道焊接時，激光光斑照射在在鈦合金-ta2界面上，使鈦合金、ta2部分金屬熔化形成鈦合金-ta2熔化焊焊縫；第二道焊接時，激光光斑照射在q235-不銹鋼上,使部分q235和不銹鋼熔化，形成q235-不銹鋼焊縫。從而可抑制焊接過程中ti-fe金屬間化合物的形成，解決了由于添加中間層而引入的新的脆性問題，提高了接頭的力學(xué)性能。

　　以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)本了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選例，并不用來限制本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。

　　技術(shù)特征：

　　技術(shù)總結(jié)

　　本發(fā)明涉及激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體是添加復(fù)合中間層的鈦合金?不銹鋼異種金屬激光焊接方法，該技術(shù)針對鈦合金?不銹鋼異種金屬接頭的脆性問題，采用激光作為焊接熱源，以TA2/Q235爆炸焊復(fù)合板作為中間層，通過精確控制焊接工藝參數(shù)，避免在焊接過程中產(chǎn)生Ti?Fe金屬間化合物，降低接頭脆性，采用激光雙道焊，獲得包含鈦合金?TA2焊縫、未熔化的TA2、TA2?Q235爆炸焊界面、未熔化的Q235及Q235?不銹鋼焊縫的異種金屬材料的高質(zhì)量、高效率焊接接頭，本發(fā)明工藝步驟為：板材組對及夾緊、鈦合金?TA2/Q235復(fù)合中間層?不銹鋼接觸面預(yù)緊力調(diào)節(jié)、激光分別在鈦合金?TA2接觸面和Q235?不銹鋼接觸面施焊，實現(xiàn)鈦合金?不銹鋼異種金屬的連接。

　　技術(shù)研發(fā)人員：張巖;許燕;高一迪;陳言坤;畢元波

　　受保護的技術(shù)使用者：新疆大學(xué)

　　技術(shù)研發(fā)日：2019.08.21

　　技術(shù)公布日：2019.11.08