[發明專利]一種鈦合金與鋯合金的氣體保護摩擦焊方法

在審

• 申請號: 201510010432.5
• 申請日: 2015-01-08
• 公開（公告）號: CN104646821A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 李亞江;張永蘭;劉坤
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/24
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 崔苗苗

技術領域

本發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摩擦焊方法，屬于焊接技術領域。

背景技術

現代工程中單獨使用一種材料常常不能滿足實際應用中的各種要求。在不同的工作條件下使用不同性能的材料，可發揮不同材料的性能優勢，異種金屬焊接結構越來越受到人們的重視。鈦合金具有線脹系數和彈性模量小、耐蝕性優良等特性，已大量應用于重要承力構件。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點而成為核工業和化工工業中的重要結構材料，但鋯合金表面耐熱性和耐磨性差，并且價格較貴，限制了其潛能的充分發揮。

將鈦合金和鋯合金連接形成異種金屬結構可以發揮兩種材料的性能潛力，在能源、核電等領域有很好的應用前景。

實現鈦合金與鋯合金的焊接難度很大。1)鈦合金易氧化，鈦在600℃以上生成TiO₂，阻礙界面結合，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熱系數和線脹系數相差很大，在焊接加熱和應力的作用下易產生裂紋。3)鈦合金和鋯合金都屬硬脆和塑性差的材料，實現二者界面結合的焊接難度很大

采用擴散焊技術可以實現鈦與鋯合金的連接，但要求有性能良好的真空擴散焊設備，對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、冷卻需要較長的時間，焊接效率低，特別是難以實現管件和棒件現場焊接。因此，若能實現對鈦合金與鋯合金圓形工件的可靠焊接，對簡化推進鈦合金與鋯合金異種結構的應用將有重要的意義。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種鈦合金與鋯合金的氣體保護摩擦焊方法，采用這種方法可獲得界面結合良好、無裂紋、無脆性相的焊接接頭，能夠滿足鈦合金與鋯合金異型結構在生產中的使用要求。

本發明采取的技術方案為：

一種鈦合金與鋯合金的氣體保護摩擦焊方法，包括步驟如下：

(1)將鈦合金工件和鋯合金工件的接頭處進行打磨或清洗；

(2)將鈦合金工件和鋯合金工件裝卡在摩擦焊設備上，對接接頭置于惰性氣體保護箱內，保護箱通氬氣保護；

(3)旋轉工件，對鈦合金與鋯合金接頭在充氬保護箱中進行摩擦焊，焊接參數為：轉速1500～2500r/min，摩擦壓力15MPa～50MPa，摩擦時間10s～20s，頂端壓力100MPa～200MPa；

(4)焊接結束后，焊接接頭在惰性氣體保護下自然冷卻。

上述鈦合金與鋯合金的氣體保護摩擦焊方法中，鈦合金工件和鋯合金工件為管件或棒狀工件，優選直徑20mm～80mm。

步驟(1)中將鈦合金和鋯合金工件用堿洗法清洗，清洗后在2h內焊接。堿洗法清洗步驟是，以體積濃度為15％的NaOH溶液，在不低于15℃的室溫條件下清洗被焊接件10min～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℃～50℃條件下烘干。所述鈦合金工件優選為Ti-6Al-4V管材或棒材。所述鋯合金工件優選為R60702管材或棒材，供貨狀態為冷軋+去應力退火。

步驟(2)氬氣純度大于99.9％，氬氣流量20L/min～25L/min。

本發明采用惰性氣體保護的摩擦焊工藝，實現直徑20mm～80mm鈦合金與鋯合金管材或棒材的可靠連接。常規的摩擦焊工藝沒有惰性氣體保護，難以用于鈦合金和鋯合金的焊接，因為鈦合金和鋯合金都是硬脆和塑性差的材料，而且鈦合金極易氧化，用常規摩擦焊技術無法實現鈦合金與鋯合金的可靠連接。

采用本發明提出的鈦合金與鋯合金異種金屬的氣體保護摩擦焊方法，焊接效率高，操作方便靈活，成本低，可獲得無裂紋、無脆性化合物的焊接接頭。與常規摩擦焊方法相比，本發明提出的鈦合金與鋯合金氣體保護摩擦焊的焊接質量明顯提高，焊接接頭抗拉強度不低于鈦合金母材的抗拉強度，能夠滿足生產中對鈦合金與鋯合金異種金屬構件的使用要求。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步說明。

實施例1：

TC4鈦合金(Ti-6Al-4V)與鋯合金管材的氣體保護摩擦焊。TC4鈦合金管材和R60702鋯合金管材的尺寸規格均為直徑50mm、壁厚6mm、長度80mm。

具體的鈦合金與鋯合金管材氣體保護摩擦焊的工藝步驟如下：

(1)施焊前對鈦合金和鋯合金管材的接頭處進行砂紙打磨，直至打磨出金屬光澤。