專利名稱：一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金板與不銹鋼板的復(fù)合方法。
背景技術(shù)：
鈦合金比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕，但是，其應(yīng)用受到高成本的限制。不 銹鋼具有較好的綜合性能，是最為常用的結(jié)構(gòu)材料之一，而且具有成本上的優(yōu) 勢，但是比強(qiáng)度不高，不具有核能、化工等行業(yè)所需要的特殊性能。鈦合金與 不銹鋼的復(fù)合能夠取長補(bǔ)短，發(fā)揮二者優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、核能、 汽車、醫(yī)療和石油化工行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。但是鈦合金和不銹鋼熔點(diǎn)
均在150(TC以上，屬于難熔材料，二者的物理性能尤其是線膨脹系數(shù)存在較 大的差異，在焊接過程中會形成較大的焊接應(yīng)力，而且在高溫下二者容易反應(yīng) 形成硬度高、脆性大的金屬間化合物導(dǎo)致接頭脆化，使得接頭的連接強(qiáng)度急劇 下降，所以二者的連接很困難，這些都是急需解決的問題。
目前對鈦合金與不銹鋼的連接方法的研究主要有熔焊、釬焊、真空擴(kuò)散焊 和爆炸焊接，研究主要停留在實(shí)驗(yàn)階段，難以實(shí)際應(yīng)用，僅有爆炸焊在鈦和鋼 的薄板的連接中得到了應(yīng)用。但是這種復(fù)合板連接界面的組織和性能很不均 勻，難以在腐蝕性環(huán)境下應(yīng)用，而且板的厚度受到很大的限制。
(1) 熔焊，焊接時熔化的液態(tài)金屬在熔池中強(qiáng)烈混合，形成大量的脆性 的Fe-Ti和Fe-Cr-Ti金屬間化合物導(dǎo)致接頭脆化，焊接溫度高使得焊接應(yīng)力較 大，難以形成完整的焊接接頭或者形成的焊接接頭的連接強(qiáng)度很低。采用填充 金屬進(jìn)行鈦和鋼的熔化焊接時，為了避免熔化的母材金屬混合，導(dǎo)致焊接工藝 復(fù)雜，而且焊縫成型差，對焊縫成分的控制很困難，接頭連結(jié)強(qiáng)度不高，而且 對焊接操作者的熟練程度要求較高。
(2) 釬焊
釬焊時一般選用的釬料為金基或銀基釬料，釬焊接頭的連接強(qiáng)度因?yàn)槭艿?釬料自身強(qiáng)度的限制所以不高，而且釬料成本較高，限制了其應(yīng)用。 一般釬料 在不銹鋼上潤濕性差，對于異種材料連接，很難保證釬料在兩種母材的表面均能夠良好潤濕。釬縫中尤其是與母材不銹鋼相鄰處會形成硬度高的金屬間化合 物層，接頭脆化，整體連接強(qiáng)度不高。
(3) 擴(kuò)散焊
擴(kuò)散焊接是依靠連接材料的元素原子的擴(kuò)散來形成連接的，固態(tài)下原子擴(kuò) 散速度是極為緩慢的，因而對連接表面的平整度要求較高，所以擴(kuò)散焊接在焊 接連接面積較大的焊件時存在困難。由于鈦合金和不銹鋼在高溫下容易形成脆
性的Fe-Ti和Fe-Cr-Ti金屬間化合物，因此連接表面的元素的相互擴(kuò)散就需要 加以控制，但是為了保證連接界面的連接就要促進(jìn)連接界面處元素原子的擴(kuò) 散，這樣為了促進(jìn)連接而加強(qiáng)連接界面處元素的擴(kuò)散與金屬間化合物體積分?jǐn)?shù) 的控制之間就形成了難以調(diào)和的矛盾，導(dǎo)致焊接參數(shù)選擇范圍較小，接頭連接 質(zhì)量的提高受到了限制。
(4) 爆炸焊
爆炸復(fù)合板存在著一些宏觀的和微觀的缺陷，這些缺陷將對表面質(zhì)量、力 學(xué)性能、后續(xù)加工和使用產(chǎn)生不利的影響，爆炸焊接的應(yīng)用也因此受到一定的 限制。此外，爆炸焊接要求覆板厚度不能太大，基板厚度不能太小，對于厚度 接近的大厚度異種材料的焊接較為困難。硬而脆的材料在爆炸焊接時極易產(chǎn)生 脆裂，因此一般不能用爆炸焊接的方法來連接。爆炸焊接接頭由于連接界面發(fā) 生了嚴(yán)重的塑性變形，使得組織和成分極不均勻，在腐蝕環(huán)境下應(yīng)用容易引起 應(yīng)力腐蝕開裂。在高溫環(huán)境下應(yīng)用會由于元素之間的擴(kuò)散而在連接界面處形成 脆性的金屬間化合物導(dǎo)致接頭脆化，因此應(yīng)用環(huán)境的溫度不能過高。
綜上所述，目前常用的焊接方法在鈦合金與不銹鋼厚板的焊接中存在很大 的困難，需要一種新的方法來解決這一問題，這種新的焊接方法應(yīng)該既能夠保 證連接材料表面的緊密接觸，又能夠有效地控制連接材料之間的金屬間化合物 的體積分?jǐn)?shù)，而且焊后連接界面的組織和性能較為均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方法，以解 決鈦合金板與不銹鋼板采用熔化焊接時產(chǎn)生的液態(tài)金屬的強(qiáng)烈混合和較高的 焊接應(yīng)力；采用真空擴(kuò)散焊接時為了保證連接而促進(jìn)擴(kuò)散與控制連接界面的金 屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)之間的矛盾及采用爆炸焊接接頭難以在高溫和腐蝕環(huán) 境下應(yīng)用的問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的真空熱軋復(fù)合方 法是這樣完成的 一、取不銹鋼板和鈦合金板，此外還有銅箔或鋁箔待用，先 將不銹鋼板的上下表面及鈦合金板的上下表面銑平，然后將不銹鋼板和鈦合金 板疊放在一起，將銅箔或鋁箔夾在不銹鋼板和鈦合金板的中間構(gòu)成三層金屬 板，所述三層金屬板通過兩個鉚釘固定在一起構(gòu)成一個試件；二、將上述所述 試件放入真空加載室中，當(dāng)真空加熱爐內(nèi)的真空度達(dá)到(l 3)xl(^Pa時開始加 熱，加熱速度為300 500°C/h，當(dāng)真空加熱爐內(nèi)的溫度達(dá)到600 110(TC時，將 試件從真空加載室送入到真空加熱爐中加熱，待真空加熱爐內(nèi)的溫度穩(wěn)定在 600 1100°C，當(dāng)真空加熱爐內(nèi)的真空度為(l 3)xl(^Pa時開始保溫，保溫時間 為90 180min，然后把試件送入軋輥進(jìn)行焊接，軋制速度為0.03 0.2m/s，壓縮 率為15% 35%，軋后試件送入到真空卸載室中冷卻，當(dāng)試件的溫度冷卻到 200~300°C時從真空卸載室中取出。
本發(fā)明的有益效果是 一、本發(fā)明的整個焊接過程在真空中進(jìn)行，避免了 高溫加熱時鈦合金與空氣中的氣體發(fā)生反應(yīng)而被氧化；二、焊接材料不熔化， 加熱溫度不高，避免了連接材料熔化而在熔池中液態(tài)金屬強(qiáng)烈混合形成大量的 金屬間化合物導(dǎo)致接頭嚴(yán)重脆化的問題，焊接溫度不高，焊接應(yīng)力小。 三、連接強(qiáng)度高，可選的中間層材料種類多，成本低。四、對連接材料的表面 質(zhì)量要求不高，可以焊接具有一定面積的鈦合金板與不銹鋼板，連接材料的相 對厚度和相對位置可以是任意的組合，沒有嚴(yán)格的限制。五、焊接時間短，連 接材料之間的擴(kuò)散程度小，能夠有效地控制對連接不利的硬度高、脆性大的金 屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)，從而能夠極大地提高接頭連接質(zhì)量。六、經(jīng)過真空熱 軋之后，連接材料的組織和性能較為均勻，連接界面沒有明顯的缺陷，焊接接 頭能夠在高溫和腐蝕性環(huán)境下應(yīng)用。


圖1是鈦合金板2與不銹鋼板1的真空熱軋過程示意圖，圖2是本發(fā)明所 使用的焊接設(shè)備組合示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖l和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的真空熱 軋復(fù)合方法是這樣完成的 一、取不銹鋼板1和鈦合金板2，此外還有銅箔 或鋁箔3待用，先將不銹鋼板1的上下表面及鈦合金板2的上下表面銑平，然后將不銹鋼板1和鈦合金板2疊放在一起，將銅箔或鋁箔3夾在不銹鋼板1
和鈦合金板2的中間構(gòu)成三層金屬板，所述三層金屬板通過兩個鉚釘4固定在 一起構(gòu)成一個試件；二、將上述所述試件放入真空加載室5中，當(dāng)真空真空加 熱爐6內(nèi)的真空度達(dá)到(l 3)xl(^Pa時開始加熱，加熱速度為300 500°C/h， 當(dāng)真空加熱爐6內(nèi)的溫度達(dá)到600 110(TC時，將試件從真空加載室5送入到 真空加熱爐6中加熱，待真空加熱爐6內(nèi)的溫度穩(wěn)定在600~1100°C，當(dāng)真空 加熱爐6內(nèi)的真空度為(l 3)xl(^Pa時開始保溫，保溫時間為90 180min，然 后把試件送入軋輥7進(jìn)行焊接，軋制速度為0.03 0.2m/s，壓縮率為15% 35%， 軋后試件送入到真空卸載室8中冷卻，當(dāng)試件的溫度冷卻到200 30(TC時從真 空卸載室8中取出。
所制得的焊接試件的總厚度為2 40mm、寬度為60 500mm、長度為 100 1000mm;連接界面的金屬間化合物層的總厚度控制在3pm以下；焊接接 頭的拉伸強(qiáng)度280% (不銹鋼板l的拉伸強(qiáng)度)。
在軋制過程中，在軋制力矩的作用下連接板材和中間層材料均發(fā)生塑性變 形，這能夠有效地實(shí)現(xiàn)連接材料表面的緊密接觸，因此這種方法對連接材料表 面的要求不高，能夠焊接面積較大的板材。由于加載方式是以軋制力矩的形式 隨著軋制過程的進(jìn)行順序加載到金屬板材上的，而不是直接的徑向靜態(tài)加載， 降低了對動力裝置的要求，可以用于大厚度、大面積的連接材料的焊接。連接 材料表面由于塑性變形性能的差異而產(chǎn)生連接材料表面的相對滑移，連接材料 表面在軋制方向上產(chǎn)生接觸摩擦力，在這種接觸摩擦力的作用下破除連接材料 表面的氧化膜和其它影響連接的雜質(zhì)，新鮮的連接材料表面露出并相互接觸形 成連接，由于軋制過程時間很短，因此在保證連接的同時限制了連接材料之間 的擴(kuò)散，能夠有效地控制對連接不利的金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)。經(jīng)過軋制， 連接材料的組織和性能更為均勻，有利于焊接接頭的應(yīng)用。
本實(shí)施方式中所用的鈦合金板2與不銹鋼板1用電火花線切割的方法切割 成所需要的尺寸。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式在步驟一中所用 的銅箔或鋁箔3的厚度為0.1 0.5mm?？杀ＷC鈦合金板2與不銹鋼板1連接的 可靠性。其它真空熱軋復(fù)合方法與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖l說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式在步驟一中，在三層金屬板前端的上表面上鉆兩個通孔，使用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)將兩個鉚釘4 分別壓入兩個通孔內(nèi)，防止軋制過程中軋制板材的分離，鉚釘4的兩端與三層
金屬板的上下表面平齊，鉚釘4被壓縮后截面積膨脹從而固定軋制焊接的板 材，避免不銹鋼板1和鈦合金板2在軋制過程中在力的作用下分開。其它真空 熱軋復(fù)合方法與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖l說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式在步驟一中，在
三層金屬板前端的上表面上鉆兩個OBmm的通孔，所述兩個(D13mm的通孔 的中心距為35mm，將兩個0>12.9><45mm的鉚釘4分別壓入兩個①13mm的通 孔內(nèi)。可避免不銹鋼板1和鈦合金板2在軋制過程中在力的作用下分開。其它 真空熱軋復(fù)合方法與具體實(shí)施方式
三相同。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式在步驟二中，當(dāng) 真空加熱爐6內(nèi)的真空度達(dá)到2xl(^Pa時開始加熱，加熱速度為400°C/h，當(dāng) 真空加熱爐6內(nèi)的溫度達(dá)到IOO(TC時，將試件從真空加載室5送入到真空加 熱爐6中加熱，待真空加熱爐6內(nèi)的溫度穩(wěn)定在IOO(TC，當(dāng)真空加熱爐6內(nèi) 的真空度為2xlO—3Pa時開始保溫，保溫時間為130min，然后把試件送入軋輥 7進(jìn)行焊接，軋制速度為0.1m/s，壓縮率為25%，軋后試件送入真空卸載室8 中冷卻，當(dāng)試件的溫度冷卻到25(TC時從真空卸載室8中取出?？纱_保不銹鋼 板1和鈦合金板2的焊接應(yīng)力小，焊接接頭能夠在高溫和腐蝕性環(huán)境下應(yīng)用。 其它真空熱軋復(fù)合方法與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是本發(fā)明
的一個具體實(shí)施例本實(shí)施例的真空熱軋復(fù)合方法是這樣完成的選取尺寸為
200xl00x20mm的鈦合金板2、尺寸為200xl00x20mm的不銹鋼板1、厚度為 0.5mm的銅箔或鋁箔3作為中間層材料，焊前分別將鈦合金板2和不銹鋼板1 的上下表面銑平，鈦合金板2的前端和不銹鋼板1的前端的對應(yīng)位置處各鉆兩 個013mm的通孔，兩通孔中心距為35mm，銅苑或鋁箔3在相同位置上也鉆 兩個013mm的通孔，之后，再將鈦合金板2和不銹鋼板1，另外還有銅箔或 鋁箔3分別進(jìn)行酸洗，并按照圖1所示的位置疊放在一起構(gòu)成三層金屬板，采 用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)將兩個(D12.9x45mm的鉚釘4壓入到三層金屬板的通孔 內(nèi)構(gòu)成一個試件，試件首先放入真空加載室5中，當(dāng)真空加熱爐6內(nèi)的真空度 達(dá)到(l 3)xl(^Pa時開始用電阻式加熱器加熱，加熱速度為400°C/h，當(dāng)真空加熱爐6的溫度達(dá)到焊接溫度600 110(TC時，用機(jī)械手將試件從真空加載室5 送入到真空加熱爐6中加熱，待真空加熱爐6內(nèi)的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的焊接溫度 600 U0(TC，且真空加熱爐6內(nèi)的真空度為(l 3)xl(^Pa時開始保溫，保溫時 間為90 180min，然后用機(jī)械手把試件送入到軋輥7進(jìn)行焊接，軋制速度 0.03 0.2m/s，壓縮率25%~35%，軋后試件送入到真空卸載室8中冷卻，銅箔 或鋁箔3的厚度在0.1~0.5mm范圍內(nèi)選擇，可確保不銹鋼板1和鈦合金板2 的焊接應(yīng)力小，焊接接頭能夠在高溫和腐蝕性環(huán)境下應(yīng)用。
權(quán)利要求
1、一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方法，其特征在于所述真空熱軋復(fù)合方法是這樣完成的一、取不銹鋼板(1)和鈦合金板(2)，此外還有銅箔或鋁箔(3)待用，先將不銹鋼板(1)的上下表面及鈦合金板(2)的上下表面銑平，然后將不銹鋼板(1)和鈦合金板(2)疊放在一起，將銅箔或鋁箔(3)夾在不銹鋼板(1)和鈦合金板(2)的中間構(gòu)成三層金屬板，所述三層金屬板通過兩個鉚釘(4)固定在一起構(gòu)成一個試件；二、將上述所述試件放入真空加載室(5)中，當(dāng)真空加熱爐(6)內(nèi)的真空度達(dá)到(1～3)×10-3Pa時開始加熱，加熱速度為300～500℃/h，當(dāng)真空加熱爐(6)內(nèi)的溫度達(dá)到600～1100℃時，將試件從真空加載室(5)送入到真空加熱爐(6)中加熱，待真空加熱爐(6)內(nèi)的溫度穩(wěn)定在600～1100℃，當(dāng)真空加熱爐6內(nèi)的真空度為(1～3)×10-3Pa時開始保溫，保溫時間為90～180min，然后把試件送入軋輥(7)進(jìn)行焊接，軋制速度為0.03～0.2m/s，壓縮率為15％～35％，軋后試件送入到真空卸載室(8)中冷卻，當(dāng)試件的溫度冷卻到200～300℃時從真空加載室(8)中取出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方 法，其特征在于歩驟一中所用的銅箔或鋁箔(3)的厚度為0.1 0.5mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合 方法，其特征在于步驟一中，在三層金屬板前端的上表面上鉆兩個通孔，將 兩個鉚釘(4)分別壓入兩個通孔內(nèi)，鉚釘(4)的兩端與三層金屬板的上下 表面平齊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方 法，其特征在于在三層金屬板前端的上表面上鉆兩個013mm的通孔，所述 兩個013mm的通孔的中心距為35mm，將兩個①12.9x45mm的鉚釘(4)分 別壓入兩個①13mm的通孔內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方 法，其特征在于步驟二中，當(dāng)真空加熱爐(6)內(nèi)的真空度達(dá)到2xlO—3Pa時 開始加熱，加熱速度為400°C/h，當(dāng)真空加熱爐(6)內(nèi)的溫度達(dá)到IOO(TC時， 將試件從真空加載室(5)送入到真空加熱爐(6)中加熱，待真空加熱爐(6) 內(nèi)的溫度穩(wěn)定在IOO(TC，當(dāng)真空加熱爐(6)內(nèi)的真空度為2xl0-卞a時開始 保溫，保溫時間為130min，然后把試件送入軋輥(7)進(jìn)行焊接，軋制速度 為0.1m/s，壓縮率為25%，軋后試件送入真空卸載室(8)中冷卻，當(dāng)試件 的溫度冷卻到250'C時從真空加載室(8)中取出試件。
全文摘要
一種鈦合金板與不銹鋼板的真空熱軋復(fù)合方法，它涉及一種鈦合金板與不銹鋼板的復(fù)合方法。針對鈦合金板與不銹鋼板熔化焊接時產(chǎn)生液態(tài)金屬強(qiáng)烈混合和較高焊接應(yīng)力；真空擴(kuò)散焊接時為保證連接而促進(jìn)擴(kuò)散與控制連接界面金屬間化合物體積分?jǐn)?shù)之間的矛盾及爆炸焊接接頭難以在高溫和腐蝕環(huán)境下應(yīng)用問題。方法是取不銹鋼板(1)和鈦合金板(2)，此外還有銅箔或鋁箔(3)，將兩塊板的表面銑平并將銅箔或鋁箔(3)夾在其中間固定構(gòu)成試件，將試件放入真空加載室(5)中，當(dāng)真空加熱爐(6)內(nèi)的真空度為(1～3)×10^-3Pa，溫度為600～1100℃時，將試件送入其中加熱、保溫，用軋輥(7)焊接，冷卻。本發(fā)明焊接應(yīng)力小，能控制硬度高、脆性大的金屬間化合物體積分?jǐn)?shù)，焊接接頭能在高溫和腐蝕性環(huán)境下應(yīng)用。
文檔編號B21B1/00GK101288877SQ200810064689
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日
發(fā)明者楊士勤, 趙東升, 閆久春, 陳端良 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)