一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種異種有色金屬的焊接方法，尤其涉及一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工程中單獨(dú)使用一種材料常常不能滿足實(shí)際應(yīng)用中的各種要求。在不同的工作條件下使用不同性能的材料，可發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢(shì)，異種金屬焊接結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到人們的重視。鈦合金具有線脹系數(shù)和彈性模量小、耐蝕性優(yōu)良等特性，已大量應(yīng)用于重要承力構(gòu)件。鋯合金因具有較低的熱中子吸收截面、良好的耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)而成為核工業(yè)和化工工業(yè)中的重要結(jié)構(gòu)材料，但鋯合金表面耐熱性和耐磨性差，并且價(jià)格較貴，限制了其潛能的充分發(fā)揮。
[0003]將鈦合金和鋯合金連接形成異種金屬結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮兩種材料的性能潛力，在能源、核電等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
[0004]實(shí)現(xiàn)鈦合金與鋯合金的焊接難度很大。I)鈦合金易氧化，鈦在600°C以上生成T12，阻礙界面結(jié)合，在焊縫及界面形成脆性層，增加金屬的脆性。2)鈦合金與鋯合金的導(dǎo)熱系數(shù)和線脹系數(shù)相差很大，在焊接加熱和應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生裂紋。3)鈦合金和鋯合金都屬硬脆和塑性差的材料，實(shí)現(xiàn)二者界面結(jié)合的焊接難度很大
[0005]采用擴(kuò)散焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鈦與鋯合金的連接，但要求有性能良好的真空擴(kuò)散焊設(shè)備，對(duì)被連接件的表面加工和真空度有很高的要求，而且加熱、保溫、冷卻需要較長(zhǎng)的時(shí)間，焊接效率低，特別是難以實(shí)現(xiàn)管件和棒件現(xiàn)場(chǎng)焊接。因此，若能實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金與鋯合金圓形工件的可靠焊接，對(duì)簡(jiǎn)化推進(jìn)鈦合金與鋯合金異種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，采用這種方法可獲得界面結(jié)合良好、無(wú)裂紋、無(wú)脆性相的焊接接頭，能夠滿足鈦合金與鋯合金異型結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中的使用要求。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0008]一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，包括步驟如下:
[0009](I)將鈦合金工件和鋯合金工件的接頭處進(jìn)行打磨或清洗；
[0010](2)將鈦合金工件和鋯合金工件裝卡在摩擦焊設(shè)備上，對(duì)接接頭置于惰性氣體保護(hù)箱內(nèi)，保護(hù)箱通氬氣保護(hù)；
[0011](3)旋轉(zhuǎn)工件，對(duì)鈦合金與鋯合金接頭在充氬保護(hù)箱中進(jìn)行摩擦焊，焊接參數(shù)為:轉(zhuǎn)速1500?2500r/min，摩擦壓力15MPa?50MPa，摩擦?xí)r間1s?20s，頂端壓力10MPa?200MPa ；
[0012](4)焊接結(jié)束后，焊接接頭在惰性氣體保護(hù)下自然冷卻。
[0013]上述鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法中，鈦合金工件和鋯合金工件為管件或棒狀工件，優(yōu)選直徑20mm?80mm。
[0014]步驟(I)中將鈦合金和鋯合金工件用堿洗法清洗，清洗后在2h內(nèi)焊接。堿洗法清洗步驟是，以體積濃度為15%的NaOH溶液，在不低于15°C的室溫條件下清洗被焊接件1min?15min，之后用清水沖洗，然后在體積濃度為30%的硝酸水溶液中清洗，再用清水沖洗后，在40°C?50°C條件下烘干。所述鈦合金工件優(yōu)選為T1-6A1-4V管材或棒材。所述鋯合金工件優(yōu)選為R60702管材或棒材，供貨狀態(tài)為冷軋+去應(yīng)力退火。
[0015]步驟(2)氬氣純度大于99.9%，氬氣流量20L/min?25L/min。
[0016]本發(fā)明采用惰性氣體保護(hù)的摩擦焊工藝，實(shí)現(xiàn)直徑20mm?80mm鈦合金與錯(cuò)合金管材或棒材的可靠連接。常規(guī)的摩擦焊工藝沒(méi)有惰性氣體保護(hù)，難以用于鈦合金和鋯合金的焊接，因?yàn)殁伜辖鸷弯喓辖鸲际怯泊嗪退苄圆畹牟牧?，而且鈦合金極易氧化，用常規(guī)摩擦焊技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)鈦合金與錯(cuò)合金的可靠連接。
[0017]采用本發(fā)明提出的鈦合金與鋯合金異種金屬的氣體保護(hù)摩擦焊方法，焊接效率高，操作方便靈活，成本低，可獲得無(wú)裂紋、無(wú)脆性化合物的焊接接頭。與常規(guī)摩擦焊方法相比，本發(fā)明提出的鈦合金與鋯合金氣體保護(hù)摩擦焊的焊接質(zhì)量明顯提高，焊接接頭抗拉強(qiáng)度不低于鈦合金母材的抗拉強(qiáng)度，能夠滿足生產(chǎn)中對(duì)鈦合金與鋯合金異種金屬構(gòu)件的使用要求。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1:
[0020]TC4鈦合金(T1-6A1-4V)與鋯合金管材的氣體保護(hù)摩擦焊。TC4鈦合金管材和R60702錯(cuò)合金管材的尺寸規(guī)格均為直徑50mm、壁厚6mm、長(zhǎng)度80mm。
[0021]具體的鈦合金與鋯合金管材氣體保護(hù)摩擦焊的工藝步驟如下:
[0022](I)施焊前對(duì)鈦合金和錯(cuò)合金管材的接頭處進(jìn)行砂紙打磨，直至打磨出金屬光澤。
[0023](2)將鈦合金與鋯合金管材工件裝卡在摩擦焊設(shè)備上，管材對(duì)接接頭置于惰性氣體保護(hù)箱內(nèi)，通氬氣保護(hù)，氬氣純度大于99.9 %，氬氣流量20L/min。
[0024](3)旋轉(zhuǎn)工件，對(duì)鈦合金與鋯合金管件接頭在充氬保護(hù)箱中進(jìn)行摩擦焊，焊接參數(shù)為:轉(zhuǎn)速1800r/min，摩擦壓力16MPa，摩擦?xí)r間12s，頂端壓力120MPa。
[0025](4)焊接結(jié)束后，鈦合金與鋯合金接頭在保護(hù)箱中惰性氣體保護(hù)下自然冷卻。
[0026]獲得的TC4鈦合金與R60702鋯合金摩擦焊接頭成形良好。經(jīng)過(guò)低倍放大鏡和金相顯微鏡觀察沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等微觀缺陷，滿足被連接件的使用要求。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]TA15鈦合金與R60702鋯合金棒材的氣體保護(hù)摩擦焊。TA15鈦合金棒材和R60702錯(cuò)合金棒材的尺寸規(guī)格均為直徑40_、長(zhǎng)度120_。
[0029]具體的鈦合金與錯(cuò)合金棒材氣體保護(hù)摩擦焊的工藝步驟如下:
[0030](I)施焊前對(duì)圓棒狀鈦合金和鋯合金的接頭處用堿洗法清洗，清洗步驟是:以體積百分比為15% NaOH溶液的水溶液，在15°C的室溫條件下清洗鈦合金和鋯合金件12min，之后用清水沖洗，然后在體積百分比為30%的硝酸水溶液中清洗，再用清水沖洗后，在40°C條件下烘干。
[0031](2)將鈦合金與鋯合金棒狀工件裝卡在摩擦焊設(shè)備上，對(duì)接接頭置于惰性氣體保護(hù)箱內(nèi)。保護(hù)箱通氬氣(Ar)保護(hù)，氬氣純度大于99.9%，氬氣流量25L/min。
[0032](3)旋轉(zhuǎn)工件，對(duì)鈦合金與鋯合金棒狀接頭在充氬保護(hù)箱中進(jìn)行摩擦焊，焊接參數(shù)為:轉(zhuǎn)速2200r/min，摩擦壓力26MPa，摩擦?xí)r間18s，頂端壓力190MPa。
[0033](4)焊接結(jié)束后，焊接接頭在保護(hù)箱中氬氣保護(hù)下自然冷卻。
[0034]通過(guò)上述工藝獲得的TA15鈦合金與R60702鋯合金棒材接頭成形良好。經(jīng)過(guò)低倍放大鏡和金相顯微鏡觀察沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區(qū)結(jié)合良好，滿足被連接件使用技術(shù)要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，其特征是，包括步驟如下: (1)將鈦合金工件和鋯合金工件的接頭處進(jìn)行打磨或清洗； (2)將鈦合金工件和鋯合金工件裝卡在摩擦焊設(shè)備上，對(duì)接接頭置于惰性氣體保護(hù)箱內(nèi)，保護(hù)箱通氬氣保護(hù)； (3)旋轉(zhuǎn)工件，對(duì)鈦合金與鋯合金接頭在充氬保護(hù)箱中進(jìn)行摩擦焊，焊接參數(shù)為:轉(zhuǎn)速1500?2500r/min，摩擦壓力15MPa?50MPa，摩擦?xí)r間1s?20s，頂端壓力10MPa?200MPa ； (4)焊接結(jié)束后，焊接接頭在惰性氣體保護(hù)下自然冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，其特征是，鈦合金工件和鋯合金工件為管件或棒狀工件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，其特征是，鈦合金工件和錯(cuò)合金工件直徑20mm?80mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，其特征是，所述鈦合金工件為T1-6A1-4V管材或棒材；所述鋯合金工件為R60702管材或棒材。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，其特征是，步驟(I)中將鈦合金和鋯合金工件用堿洗法清洗，清洗后在2h內(nèi)焊接，堿洗法清洗步驟是:以體積濃度為15%的NaOH溶液，在不低于15°C的室溫條件下清洗被焊接件1min?15min，之后用清水沖洗，然后在體積濃度為30%的硝酸水溶液中清洗，再用清水沖洗后，在40°C?50°C條件下烘干。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，其特征是，步驟(2)氬氣純度大于99.9%，氬氣流量20L/min?25L/min。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈦合金與鋯合金的氣體保護(hù)摩擦焊方法，將鈦合金工件和鋯合金工件的接頭處進(jìn)行打磨或清洗；將鈦合金工件和鋯合金工件裝卡在摩擦焊設(shè)備上，對(duì)接接頭置于惰性氣體保護(hù)箱內(nèi)，保護(hù)箱通氬氣保護(hù)；旋轉(zhuǎn)工件，對(duì)鈦合金與鋯合金接頭在充氬保護(hù)箱中進(jìn)行摩擦焊，焊接結(jié)束后，焊接接頭在惰性氣體保護(hù)下自然冷卻。采用本發(fā)明提出的鈦合金與鋯合金異種金屬的氣體保護(hù)摩擦焊方法，焊接效率高，操作方便靈活，成本低，可獲得無(wú)裂紋、無(wú)脆性化合物的焊接接頭。
【IPC分類】B23K20-24, B23K20-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104646821
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510010432
【發(fā)明人】李亞江, 張永蘭, 劉坤
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日