钛合金与不锈钢高频感应钎焊的工艺研究

李捷金志刚

（甘肃省特种设备检验检测研究院锅炉部甘肃兰州730050）

摘要：本文通过采用Ag-Cu-Zn钎料进行了钛合金与不锈钢异种金属薄板的高频感应钎焊工艺试验研究，论证了焊接过程中工艺参数的选择对焊接接头性能影响，并得到了最佳工艺参数。

关键词：钛合金；不锈钢；异种金属焊接；高频感应钎焊；焊接接头

中图分类号：TG44文献标志码：A文章编号：

前言

随着现代工业的发展和科学进步，现代工程中的许多零部件需要工作在高温或低温、腐蚀介质、电磁场及放射性环境中，其中有色金属材料的用量逐渐增加。单独使用一种材料常常不能满足实际应用中的各种需求。因此在现代工程结构中我们不仅需要对大量的同种材料进行焊接，同时也需要对相当数量的异种材料进行焊接。在某种情况下，异种材料结构的综合性能甚至超过单一金属结构。

1钛合金与不锈钢高频感应钎焊工艺参数的选择

1.1试验过程

本试验在惰性气体（Ar）保护中进行。焊前将钎剂均匀涂抹于工件连接面边缘，之后加装钎料。将试样处理好以后放入焊接试验台开始通入惰性气体，待通入惰性气体一定时间达到目标值时，按照设定好的焊接工艺参数进行加热和保温。为了防止试样焊后被氧化，待试样温度冷却至室温时方可停止惰性气体保护。

1.2试验方法

本文主要采用了高频感应钎焊的试验方法，关于其微观过程的研究，认为在迅速加热的情况下液相层的形成过程可以分为三个阶段：a)准备阶段，钎料随温度升高逐渐开始熔化；b)钎料液化，借助毛细作用在钎缝中流动，在与母材的界面上借助浓度梯度发生扩散；c)随着界面上冶金反应的进一步进行，母材向液相钎料产生溶解，并进入互扩散的平衡状态。以液压千斤顶为试样贴合面施加载荷的方式进行焊接。

1.3工艺参数的选择

采用B-Ag45CuZn钎料，在不同的温度、加热时间、保护气流量、钎料厚度等参数下，母材未经表面处理的高频感应钎焊工艺；TC4钛合金表面镀镍的高频感应钎焊试验采用B-Ag45CuZn钎料，不同的温度、加热时间、保护气流量、钎料厚度等参数下，SS304不锈钢表面镀镍的高频感应钎焊试验

2工艺参数对焊接接头质量的影响

根据高频感应钎焊的工艺影响因素可以知道，试验过程中只需一定的压力使得结合面紧密接触即可，本试验在油压千斤顶的紧固压力下，主要考虑钎焊温度、保护气体以及母材表面不同的处理方法对接头产生的影响。对钎焊试样接头的显微组织观察主要部位为母材与钎缝的界面扩散区、钎缝界面区、钎缝中心区，重点分析钎缝的完整性、钎料的润湿性、组织均匀性以及相关缺陷的存在及原因，分析钎焊工艺参数对金相显微组织所产生的影响。

2.1金属间化合物分析

在高倍的显微镜下可以明显的看到钎料与母材能够较好的结合在一起，钎缝中可以明显的看到有块状的亮白色相、深灰色相和浅灰色相，同时还可以在钎缝区看到一些零散分布的细小颗粒相。在高倍电镜下，可以看出，接头的焊缝还是比较平整的，可以看出明显的钎缝与母材的界限，说明钎料与母材润湿良好，能产生一定的冶金反应并形成稳定接头。在靠近母材一侧的组织依附在界面上向钎缝中生长，表明在该侧没有能够与母材发生较好的冶金反应，同时在扩散区中出现了部分亮白色相，推测其可能会氧化物或者金属间化合物。

2.2断面分析

在高倍的显微镜下可以明显的看到接头处发生了脆性断裂。焊接时的加热和冷却会使焊接接头区冶金组织发生变化,在焊后冷却过程中有淬硬倾向的材料所形成的高碳马氏体和粗大晶粒等金相组织将使焊接接头区韧性降低。另外,焊接接头区微量有害元素的偏聚以及氢含量的增加也会使韧性降低。在焊接热循环过程中发生塑性应变会引起热应变脆化。

2.3线扫描元素分析

Ti元素在钎缝中的分布比较均匀而且达到了一定的量，说明钎料对TC4母材有了非常明显的溶解，Ti元素大量的溶解并在钎缝中扩散开来，一方面体现出钎料对母材的润湿性比较好，另一方面说明在该温度下，钎料的流动性也是非常好，为钎缝中元素的扩散提供了更好的载体。Cu元素在钎缝中的分布也是比较均匀的，与Ti元素的比例在某种程度上看达到了平衡。由于Ti元素的大量溶解和扩散，在钎缝中形成了以Ti、Cu、Ag为主元素的共晶组织以及由这三种元素构成的二元和三元的金属间化合物。Fe元素在钎缝中没有发生比较明显的扩散，溶解的量很小，在两侧都具有较高的浓度分布，而此处有接近等值浓度的Ti元素扩散区以及少量的Cu元素存在，根据其原子浓度比值估计此处形成的物相可能为TiFe、Fe3Cu等化合物，在界面上以小块状存在。

2.4工艺参数对力学性能的影响及分析

焊接温度在850℃时焊接接头的抗剪切强度达到最大，950℃时接头的抗剪切强度相比800℃，850℃，900℃有明显的下降。加热时间从60～80S的区间中焊接接头的抗剪切强度呈上升趋势，并且在850℃，加热80S时达到最大值55.6Mpa，加热时间继续增加，焊接接头的抗剪切强度明显下降。试验中的钎焊峰值温度过高，在钎焊过程中可能会产生共晶组织相，同时在界面扩散区还有可能出现其他相关的金属间化合物，对接头性能产生影响。由此可以推断钎焊试样接头中有部分金属间化合物，从而使其接头强度与有所下降。

3结论

1采用银基作为钎料钎焊TC4／SS304钢，在适当钎焊方法及的工艺参数条件下均可以实现接头界面区的有效冶金结合。钎焊温度和保温时间是影响钎焊效果及接头区微观缺陷及组织结构的主要因素。

2拉伸测试的结果表明：以银基钎料钎焊TC4和SS304时，焊接接头的断裂方式为脆性断裂，并且在钛合金表面镀镍，在850℃，加热90S，保护气流量20L/min时的强度达到最大值55.6Mpa，钎焊温度和保温时间对钎缝区的硬度有较明显的影响。

参考文献：

[1]程挺宇,郑锋,薛为林.钛-不锈钢异种金属焊接技术[J].稀有金属与硬质合金第37期2009年6月,卷第2.

[2]曲文卿庄鸿寿.钛合金与不锈钢高频感应钎焊工艺试验研究[J]航天制造技术2004年12月第6期.

[3]杨静，赖旭平等.几种钎料对钛合金／不锈钢钎焊接头的钎缝强度与界面的影响[J],核动力工程第29卷2008年2期.