1.前 言

编者在钛带热轧生产中，遇到了钛带和钢引带不能焊接的问题，带来了钛带的浪费和生产效率的下降，一直未能解决。这次，与钢厂同仁交流时，有同志提议用铌带做引带，当时，心里是存在一丝疑惑，回来后，抽空整理了一些钛— 钢异 种 金属 焊接的资料，与大家一起分享，希望能够有有所启发。

2.钛与 钢异 种 金 属焊 接 存 在 的 问题

异 种 金 属 的焊接性 主 要 取 决 于 它 们 物 理 性 能 和结 晶 化学 性 能的 差 别。钛与钢中 基 体 铁 的 结 晶 化 学性能 和 物理性能 见 表1,图1 是 钛一 铁二元 相图。

由 表1可 见,这 两 种 金 属 的 晶 格类 型 不同,原子半 径 及 物理 性 能 的 差 别 也较大。从钛一 铁相 图 可 以 看 出,铁与 钛的 互 溶 解 度 极小,常温 下 Fe在a一Ti 中的 溶 解 度 只 有0.0 5 % ~0.1 % 左 右,合 金含 铁 量 超过0.1 % 时,就 会形成金 属 间化 合 物  TiFe。TiFe相 硬 而 脆。例 如,含 铁0.1 4 % 钛 合 金 的 维 氏 硬度为 1 9 9,当 含 铁 量 增 加 到2.2 % 时,维 氏 硬度 则 为 4 50,而 合 金 的 延 伸 率从1 8.% 下 降 至 2.5 %,因 此,钛与钢 直 接 熔焊时,会产生 以 下两 方 面 的 问 题:

( l )由 于二 者 线 膨胀系数、热 导 率 相 差 较 大,在焊 接 加 热 和 冷 却 过 程 中 变 形 不 同,导 致 接 头 中 形 成较大的内应力。

( 2 )铁 在 焊缝 中的 含 量将大大超过 它 在 钛中的溶解 度,在 焊缝中 形成 量 的 金属 间化 合物  TiFe。

另 外，钛是 强 碳 化 物 形 成 元 素，与 钢 中 的碳极 易 形成脆 性 的 TIC,当 钛 与 含 铬、镍 的奥 氏 体钢 焊 接 时 更为复 杂,焊缝 中 的钛会 与 铁、铬、镍 形 成复 杂 的 金属间化 合 物,从 而 使焊缝变 得极 脆。

由 于 上 述原 因,必 然在焊 缝 中 形 成 裂纹。这 就是钛与钢焊接的 困 难 所在。关 于 钛 与 钢 的焊接,国 外 尤 其是前苏联进行 了大 量 的研究,下面 就有关 内 容 作 一 简 要 的 概 述。

3 熔 化 连接

有文 献指 出,钛与钢 直 接 熔焊,要想得到坚韧 不 脆断 的 焊缝几乎是 不 可能的,这 里 T IFe和 TI C等 脆 性 相是 导致 接 头 脆断 的 主 要原 因。获 得 高 质量 的接 头,必 须 避 免 熔化 金 属 的 相互 搅拌,从 目 前的研究 来 看 主 要是采 用 以 下两 种方 法。

( 1 )采 用 熔焊一 钎 焊 的 方法 。这种焊 接 方 法 是使两 种 金属 中 熔点较低 的 金属 熔 化,而 熔点较高的 金属 处 于 固 体 状态,即 对 一 种 金属是熔 焊,而 对另 一 种金 属 是钎焊。但 用 熔 焊一 钎焊方法 焊 接 钛与 钢的效 果并 不理 想,因 为钛 与 钢的熔点 比 较接 近,，熔点 较低的钢 熔化时 将 导 致熔 点较 高的 钛表 面 层 的 烧伤甚至 熔化。

( 2 )采 用 一 种或 几 种过 渡 金 属,分 段焊 接。在焊接 时 中 间过 渡 金 属 部分熔 化 形 成焊缝。有文 献报 道 了 采 用 钽 + 青 铜、铌+ 青 铜、钒 及 钒合 金、蒙乃 尔 合 金、银 作 过渡 金属 的熔焊 方法,其中采 用钽 +青 铜、铌+ 青 铜复 合 过 渡金 属 较为理 想,试验，结 果列于 表 2。

从表2中可 以 看 出,接 头 的 强 度 取 决 于 铜 合 金的 强 度,采 用 钽 + 淬火 青 铜 作 过渡 金属 时,接 头 可与 母 材达 到 等 强 度。但这种方法 的 缺 点 是 工艺 复 杂,首先是 钽或铌与钛焊,铜 与钢焊然 后 再把 铜 与 钢连接 起 来。采 用 钒 作 过 渡金 属 时,必 须 控制 焊缝 金属 的 含钒量,否 则 V 与钢中 的 合 金元 素 N i 和 C 形成脆 性的V N i 及 VC,而 导致 接 头 的 脆 断。

4 钎 焊

钛与钢 钎焊 的关键 问 题 是钎料的选择,选择钎焊时 必 须注意 以 下 几 个 问 题:

( l )钛是 同 素 异形 态 金 属,在 8 82 ℃ 时 将 发 生 相变,相 变 时 体 积 变 化 率 为5.5 %,所 以 钎料 的熔点 应避 免 超 过8 8 2 ℃。

( 2 )钛与钢 的热 膨 胀 系 数相 差 较 大,所 以 应 尽可能 选 择 固 相线 与 液相 线 温 差 较 大 的 钎 料。

( 3 )钛在 高 温 时能 和 许多 金属 反 应形成脆 性的金属 间 化 合 物,从 而 降 低 接 头 的性 能,所 以 应 避 免 采用含 有 钛化 合 能 力较 强元 素 的钎料。有文 献报道 了 几 种 钎料的钎焊方 法,钎料 和 钎 焊规 范 列 于 表3与钢 钎 焊 虽 可 以 获 得 一 定 使 用 性 能 的 接 头,但接 头 的 强 度较低,而 且 耐蚀 性 也 常常满 足 不 了 要求。钛与 钢还可 以 用 接触 反 应 钎焊 进 行焊接,其 原理是 钛与铁 在1 9 8 5 ℃ 形 成 共 晶,在 接触 良 好 的 情 况下,加 热 到 高 于 共 晶温 度,依 靠钛 与 铁的 相互 扩散,在 界面处形成 共 晶 体,从 而 把 钛与钢连 接 起来。钛-钢共 晶 接 头.高 强 度 可 达 3 28 M P a ,但这种方 法的缺 点 是工艺 上 较难掌 握,因 为 在 保 温 时 间内液 态共 晶 的数 量不 断 增加,只 有 在加 热 温 度 低 于 共 晶温度 时,这 种形成液 态 共 晶 体的 过 程 才 会 停 止,因 此形成液 相共 晶 体 的 数 量难 以 控 制。

5 固 态 焊接

5 .1爆炸焊

爆 炸 焊 比 较 适 合 于 钛与钢 的 焊接,制造 钛一 钢复合 板 是 目 前 爆炸焊的 一 个重 要 应 用，许 多 国 家 都 致力 于 其机 理、工 艺 及 应 用 的 研 究。用 爆 炸焊制造 的 钦一 钢复合板接头 的 强 度完 全取决 于 爆炸焊的 工艺 参 数,炸药质 量 大小 与 悬置板质 量 大 小的 比 值,爆炸 速度 和 两 相 邻板间 的 起始 距离。.好的情 况 可达3 5 0 一 3 80 M p ,破断通 常 发生在 钛一 钢界面上。其原 因 是 爆 炸 复合 时,炸 药的爆炸 热界面 上 的 摩 擦 热、压 缩 空 气 热、塑 性 变 形 热 等的 产生,可 能 导 致 界面上 的 局 部熔 化,并伴 随着 扩散、再结 晶 等过 程的 发 生。

以 上 现 象 均 可从 钛一 钢夹有熔块 或带 有 塑 性 流 动 的 波状 混 合 界面 而 得到 证明。钛一 钢复合 板 的抗 剪 强 度大 于 抗 断 强 度,但 在 焊后 加热 到5 0 0~ 6 00 ℃ 时,接 头 明 显 脆 化,当加热 温度 达1 0 0 0 ℃ 时,其 断 裂 强 度 不 超 过4 o M Pa ,复合金 属 板 接 头强 度的 降 低 与 扩散过 程 进行的 强 弱 和 在接 触 面 形成新的脆 性 相有 关。

因 此,这 种 接 头 只允 许在低 于5 0 0 ℃ 时使用。对 于 在5 0 0 ℃ 以 上使 用 的 接头,爆炸焊时 可采 用 铌、铁、铜等 中 间 垫 片,为 减 少在界面 上 形 成脆 性 化 合物的可能性, 好采 用含碳量小 于0.0 0 2 % 的铁  。

5.2摩擦 焊

有文 献  研 究 了纯 钛与 碳 钢 S 2 5 C 和sSUS3 0 4不 锈钢的摩擦焊,焊 接接 头 的 室 温 拉 伸 强度 和 疲 劳 强 度可高 于 钛母材,但 接 头 的弯 曲 塑 性 和冲 击韧 性 却 比 母材 低得多。巴 顿 电 焊 研究 所 用 工 业纯 铝 A DI作中 间 过 渡金属 研 究了 钛与钢 的 摩 擦焊  ,拉 伸试 验时,断裂沿 中 间 过渡金属 铝 发 生,但 强 度高 于 铝材的 5 0 % 左右,金 相 分 析表 明:钛、铝、钢 之 间没 有扩散,接 头 在3 00 ℃ 保 温 1 5 0h 没 有 形 成 金 属 间 化 合 物。

5.3扩 散焊

有文 献 报 道 了 钛 合 金B T 5一1与X 2 5 H 15耐蚀 钢 的 扩散焊方 法,焊 接 温 度为5 0 0 ~ 1 0 0 0 ℃、焊 接压力 为6.9 ~ 1 7.6 M P a,焊 接 时间为1 0 ~ 20 m i n。大多数焊 接 试 件 在机 床 上 机 械 加工时沿 两金 属 接触 面发生 破 裂。这 是 因 为 在 扩 散 焊 过程 中母材组元相互扩 散,在 接触 面形成 了 金 属 间化 合 物 层,在 焊接 过 程中未 能 .. 金 属 间化 合 物 层 小 于 极 限厚 度 ( l~3 微米 ),而使 焊 接 接 头 变 脆。有文 献 报道 了 采 用 中 间 层 的扩散焊 方法,试验 结 果 列 于 表4。

采 用 钽作中 间 层 焊接钛合 金 与 耐 蚀 钢 的 接 头,经 轻微 冲 击 后,在钽与钢 的 接 触 面 发 生 破 坏。在钽与钢 之 间 形 成 了 高硬度的 过渡 区,这是 由 于 在 钽与钢之间形 成 了Fe 2 T a和N i Ta。

采 用 钒 作中 间夹 层 时,接 头 的 强 度与钢中的 含碳 量有 关,随 钢 中 含 碳 量的 增 加,接 头 的 强 度 下 降,甚至 产 生 脆 断,造成这种 现象 的原因 是,在扩 散 焊过程 中,钢中 的碳 向钒 剧 烈 地扩 散,在界面 处 形 成V C层。

采 用N b + N i 复合 夹 时 层,虽然 保 证 了 铌与钛及 镍与钢 之 间 的 良 好连 接,但在 铌 和 镍 之 间 却 形成了N bN i、N b2Ni 等 金 属 间化 合 物,在 镍 和 铌 之 间 再加 入 夹 层 铜,在 接 头 中 避免 了 金属 间化 合 物的 产 生,接 头 强 度 有所提 高,接 头 断裂沿 钛 层铜发 生。

此 外,还 有 人 研 究 了 钛与 钢 的 冷 压焊 ,楔焊 等等 ,但 冷压 焊 的 接 头 在焊 后 加 热过程 中将 导致 接 头 的 强 度 尤 其是 塑 性 明显 下 降。楔 焊时由 于 钛与钢的 强 度 和 硬度均 较 高,而且 比 较接近,需 采 用铝或铜 作 软 质过渡 层。

综 上 所 述,不论 是 熔 化 焊接 还是 固态 焊 接,在 钛一 钢 接头 中都 极 易形成脆 性 的 金 属 间 化 合物 和 碳 化物。因 此,钛与钢 焊 接 的首 要 任 务 在 于 防 止 接 头 中形成脆 性 金 属 间化合物 和 碳 化物。解决 间 题的途径有以 下 几 点：

( l )选择适 当 的焊 接 方法

在 焊 接条件 下,金属 间 化合 物的形 成具 有 一 定的速度,存 在 一 个 孕 育 期，因 此,为 了防止 在焊 接接头 中产 生 金 属 间 化 合 物,采 用 爆 炸 焊 较 为 合适。由 于焊接的瞬时性,使 金属 间化 合 物 在 接 头 中来 不及 形成,即 使 形成 了,尺 寸 也 比 较小,对 接 头 的性能 影 响较小。

目 前 生产 中 主 要是采 用 爆 炸焊 生产 钛一 钢 复合板。但 这 种接 头 在高 温 下使 用会导 致金 属 间 化合 物的 形 成 和长 大,从 而 降 低 接 头 的 性 能。

( 2 )采 用 一 种或 两 种与 钛 和 钢均 具 有较好可 焊性的过渡 金属,将 钛 与 钢 间 接 地 焊 接 起 来。过 渡金属的选择 必 须考 虑 以 下 几个 问 题:

a.夹层 金属 与 钛 和 钢 是 否形 成 金属 间 化 合 物 及所形 成 金属 间 化 合 物 的性质;

b.夹 层 金 属 与 碳 的亲 和 能 及 所 形 成 碳 化 物 的性 质;

c.夹 层 金属 的 力学 性质,如 硬 度、强 度、塑 性 及线 膨胀 系数 等。由 于 钛 只 能 与 很少 的 几 种 金 属,即钒、铌、钽、锆、铪5种 金属 具 有满 意 的 焊 接性 能 而 这5种属 中 钒 是 唯 一 与钛和 铁 均能形成 固 溶 体,而 不 生成 金属间化 合物 的元 素,但钒 与 钢 中 的 合 金 元 素 碳及 镍却 形 成脆性的 V C 和 V  Ni,因 此,给 过渡金属 的选 择 带来 了 困 难。

为避免 接 头 中的 脆 性 化 合物的 出现,可采 用两 种 或 两 种 以 上的 金属 逐渐过 渡,例 如采用 铌十 铜、钽+ 铜、铌+ 铜 + 镍等。但 这 种 接 头 的 性能 与 钛质过 渡 金属 铜的 性 能 有关,此 外,如 果 接 头 在腐 蚀 性 介质中 工 作,必 须 考虑 接 头 的耐 蚀 性 ( 其 中 包括中间过渡金属）。

从 以 上 分 析可 以 看 出,目 前的焊接 方法 都 是 避免在 接 头 中 形 成金 属间 化 合 物,而 对焊缝 中 金 属 间化 合 物的 形 成 规律,以 及 改善 它 们 性 能的 途径 尚 未进行研究，有待 于 进 一 步 深 入。

6结束语

( l )钛 与钢 焊 接 的 主 要 困 难是 在 接 头 中 易 于 形成脆 性的 金 属 间化 合 物 和 碳 化物。

( 2 )从 目 前 的 研 究现 状 来 看,主 要 是采 用 过渡金属 作 隔 离 层

,实 现 钛与钢 的间 接 焊 接,这 给 实 际生产带来 了很 大 困 难。

( 3 ),研究 焊 缝 中 金 属间 化 合物 的形 成 规 律,以 及 提 高 它 们 性 能的途 径，意义更为重大。

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