不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接研究

聶全根

摘要：不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接廣泛應用于化工設備及航空航天等領域。由于兩種材料性能存在差異，焊接過程中存在較多技術難點。本文針對不銹鋼與鈦合金異種金屬的焊接方法，未來發(fā)展方向與前景進行分析和探討。

關鍵詞：不銹鋼;鈦合金;異種金屬;焊接技術

前言

近年來，異種金屬焊接技術在工業(yè)領域占據(jù)著十分重要的地位，異種金屬焊接將多種材料性能集于一身被應用到化工、航空和核工業(yè)等諸多領域。鈦合金具有強度高、腐蝕性能好、較低的密度，廣泛應用于化工，航空航天方面，但由于成本較高、焊接性能和加工性能較差使用受到限制。不銹鋼材料成本較低，耐腐蝕性能好、加工性能和焊接性能優(yōu)異。因此加強不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的研究，利用不同金屬的特殊性能、物盡其用，減輕結構重量和降低制造成本，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)更加強勁的材料性能。在實際工程應用中具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。

1、不銹鋼、鈦合金材料性能特點及焊接性

1.1不銹鋼材料性能特點

不銹鋼材料最大的性能特點是不容易生銹。不銹鋼材料在實際使用中具有防銹的特性，同時它對一些強酸，強堿也有一定的耐腐蝕性。不銹鋼之所以具備不銹性以及一定的耐腐蝕性，主要是因為在不銹鋼材料的表面會形成一層鈍化膜，使得不銹鋼在強酸，強堿以及空氣中不容易被腐蝕和生銹。不銹鋼表面的這層鈍化膜主要是由于不銹鋼中含有大量的鉻元素，這種鉻元素含量越多，不銹鋼的防銹性就越好。不銹鋼材料外觀漂亮，閃爍著金屬光澤，在實際使用中不容易被損壞，而且價格相對便宜，所以被廣泛應用于餐具、化工、食品、國防等領域。是我國工程領域發(fā)展必不可少的一種材料。

1.2鈦合金材料性能特點

鈦合金材料是由多種金屬元素組成的一種合金，在鈦合金內的主要的元素就是鈦元素。由于鈦元素的熔點非常的高，并且在不同的溫度下具有不同的結構，所以添加不同含量的鈦元素會得到不同品質的鈦合金材料。在實際應用過程中，鈦合金的強度非常高，與不銹鋼材料一樣具有很好的耐腐蝕性，但與不銹鋼不同的是，鈦合金的耐熱性也十分的高，所以能廣泛應用于各種工程領域。此外，鈦合金材料的結構組織十分的穩(wěn)定，且具有非常強的抗氧化能力，在極高的溫度下仍然可以保持高強度的特性。因此廣泛應用于工程建設領域。

1.3不銹鋼與鈦合金焊接性分析

由于不銹鋼與鈦合金理化性能存在差異，目前而言不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接存在較多技術難點。首先，兩種材料在線膨脹系數(shù)、熱導率等性能上存在巨大差異。兩者在具體焊接過程中由于材料的變形能力不同，將造成焊接接頭形成較大的殘余應力。由于鈦的化學活性強，在焊接過程中容易與氧、氮和氫元素發(fā)生反應，產生脆性化合物，降低材料性能。其次，鐵在鈦中的溶解度較小，焊接高溫使鐵與鈦之間發(fā)生強烈的擴散作用，從而使焊縫形成大量脆硬金屬間化合物。此外，焊縫中的鈦元素還易與不銹鋼基體中的碳、鉻、鎳形成TiC、TiCr2、TiNi、TiNi2、TiNi3等多種金屬間化合物，造成焊縫脆性增加，使焊接接頭力學性能下降。因此，要獲得性能優(yōu)良的不銹鋼與鈦合金焊接接頭，必須采取合適的焊接方法與工藝，從而降低焊接接頭內應力和界面脆性相的形成。

2、不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接應用

在焊接要求較高的領域，可以采用不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接。例如在航空航天領域，經常使用不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接技術。此外，一些精密儀器的焊接，也使用不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的方式。由于異種金屬焊接有著其獨特的優(yōu)勢，所以我們應該加強異種金屬焊接技術的研究，加強異種金屬焊接的實際應用。異種金屬焊接今后的研究重心將偏向新焊材的研制、接頭抗腐蝕性能的提高等，現(xiàn)代先進的計算機檢測和模擬將成為未來主要的研究應用方向。

3、不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接存在問題及解決方法

3.1不銹鋼與鈦合金焊接過程中存在的問題

對于不銹鋼及鈦合金的異種金屬焊接過程中存在一些難以克服的問題，在一定程度上阻礙了我國異種金屬焊接技術的發(fā)展。不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接過程中存在的主要問題如下。首先，異種金屬焊接后，由于高溫環(huán)境的影響，容易在熔合線兩側形成滲碳層和脫碳層區(qū)域，導致焊接區(qū)域的金屬性能發(fā)生很大變化，大大降低了焊接區(qū)域的使用壽命。另外，鈦合金與不銹鋼的異種金屬焊接過程中，容易導致焊接部位兩側金屬成分的明顯差異，導致兩側化學成分不夠均勻，使兩側材料具有不同的性能，很大程度降低了材料在后期使用中的利用率。

3.2 不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接方法

目前，用于不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接的方法主要包括激光焊、電子束焊、爆炸焊、釬焊和摩擦焊等，采用合適焊接方法與焊接工藝在一定程度上可以改善異種金屬焊縫性能。

3.2.1激光焊接

為了解決不銹鋼與鈦合金焊接技術存在的問題，可以選擇合適的焊接方法。其中激光焊能較好的滿足此類材料的焊接。這種焊接方法與傳統(tǒng)的焊接方法相比。可以進一步提高焊縫連接處的質量，并在一定程度上可提高焊接過程中的生產效率。此外，在進行激光焊接的過程中，焊接方式具有良好的靈活性，可以克服焊接過程中存在的熔合不好等問題，并且可以精確地控制各種金屬材料的熔合比，在實際的焊接過程中激光焊接經常用于精密儀器的焊接。

3.2.2電子束焊接

為了進一步提高不銹鋼與鈦合金的焊縫質量，可以利用電子束焊的方法進行焊接。將需要焊接的焊接件放在真空的環(huán)境中。然后利用高速運動的電子束產生的熱量進行焊接件的焊接。這種焊接方式能夠進一步加快焊接件的冷卻速度，并且在實際的焊接過程中具有良好的可控性，能夠對焊接的尺寸進行相應的控制，并且還能夠確定不同焊接材料的融合比例，所以電子束焊接是異種金屬焊接常見的一種焊接方法，具有廣泛的應用意義。

3.2.3摩擦焊接

摩擦焊是一種固相連接方法，在異種金屬焊接中具有廣泛的應用，對不銹鋼與鈦合金的焊接也有較多的應用。摩擦焊焊件通過焊后熱處理可減輕應變硬化和殘余應力對接頭的影響。在摩擦焊中，合適的轉速和推進速度是焊縫性能良好的保障，相互接觸是形成接頭的必要條件。界面化合物層較薄，一些化合物呈碎片狀分布，不銹鋼被擠壓進塑性的鈦合金中形成互鎖的結構，均有利于接頭強度的提高。因此，采用摩擦焊接方法可以提高不銹鋼與鈦合金焊接接頭的綜合力學性能。

4、不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接現(xiàn)狀及發(fā)展

4.1不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接現(xiàn)狀

近幾十年來，世界各國都加強了對不銹鋼和鈦合金焊接技術及焊接工藝的研究。異種焊接方法得到飛快的發(fā)展。隨著焊接要求的提高，實現(xiàn)了激光焊接和一些電子束焊接。在一些特殊的生產區(qū)域，一些特殊用途鋼和合金異種焊接方法也得到了快速的發(fā)展。國外學者對異種金屬的焊接技術進行了較為廣泛的研究，并將其應用于電子、汽車等高科技領域。然而，我國在有色金屬及異種合金的焊接研究方面還存在一些不足，因此加強這方面的技術研究顯得十分有必要。

4.2不銹鋼與鈦合金異種金屬焊接發(fā)展方向

隨著人類對焊接技術深入的研究，異種金屬焊接的未來發(fā)展已經有了更加明確的方向。我們需將異種金屬焊接技術更加廣泛應用于各領域。所以在今后的研究過程中，應加強以下幾個方面的研究：

（1）、新型焊接材料的開發(fā)。為了解決異種金屬焊接過程中遇到的問題，需要加強新型焊接材料的開發(fā)，進一步克服焊接材料差異引起的焊接不穩(wěn)定。在一定程度上提高了焊件的穩(wěn)定性。減少焊接過程中碳元素的遷移，從而達到更理想的焊接效果。

（2）、在今后的焊接研究過程中，需要進一步加強對焊接接頭耐蝕性的研究。對于一些化工和石油行業(yè)，焊接接頭的腐蝕性能要求相對較高。為了解決焊接接頭腐蝕問題，需要進一步提高焊接接頭的穩(wěn)定性，加強結構的穩(wěn)定性。因此，對焊接接頭的研究也是未來金屬焊接技術的主要發(fā)展方向之一。

（3）、加強高新科技技術以及計算機技術在焊接領域的應用，加強在焊接的過程中對焊接相關性能指標的測試，進一步提升焊接部位的應力模擬，形成大量的數(shù)據(jù)參考庫。為今后的焊接技術發(fā)展提供更加科學的參考依據(jù)。

結束語

隨著我國科學技術的快速發(fā)展，鈦合金已被越來越多的行業(yè)所使用，并滲透到社會生產生活的各個方面。不銹鋼與鈦合金的焊接技術不斷發(fā)展和更新，焊接工藝和焊接方法也取得了重大進展。雖然不銹鋼與鈦合金的焊接技術還存在著一些技術瓶頸，但隨著焊接技術的不斷提高和焊接方法的不斷更新，不銹鋼與鈦合金的焊接工藝也在不斷改進。隨著人類對不銹鋼與鈦合金理化性能的進一步了解，焊接工藝的不斷完善，焊接中出現(xiàn)的問題也越來越少。不銹鋼與鈦合金的焊接技術也在不斷發(fā)展與完善中。

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