鈦板與不銹鋼網(wǎng)片滾焊工藝優(yōu)化研究

于康　孫亞非　謝屹

摘要：介紹鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片滾焊工藝優(yōu)化研究，主要研究滾焊過程網(wǎng)片斷裂機(jī)制、滾焊壓力及能量輸入對(duì)不銹鋼網(wǎng)片的影響。結(jié)果表明：滾焊焊縫中存在“2次”滾焊過程，鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片在一次滾焊過程中產(chǎn)生了脆性金屬間化合物，二次滾焊時(shí)，在大壓力和大能量輸入作用下導(dǎo)致網(wǎng)片斷裂;采用較小的滾焊壓力和較小的熱輸入量時(shí)，在保證焊縫撕裂試驗(yàn)合格的前提下，可以有效地降低網(wǎng)片斷裂概率。經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)選比較，最終優(yōu)選出小壓力滾焊參數(shù)為：滾焊電極壓力0.08 MPa、焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min;優(yōu)選的滾焊參數(shù)進(jìn)行直線焊縫和圓形焊縫試驗(yàn)件泡破點(diǎn)試驗(yàn)，合格率分別達(dá)到為85%與90%。

關(guān)鍵詞：鈦合金板;不銹鋼網(wǎng)片;滾焊;壓力

中圖分類號(hào)：TG453+.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0092-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.17

0 前言

某鈦合金貯箱為全金屬焊接結(jié)構(gòu)，主要由外部殼體和內(nèi)部管理裝置兩部分組成。其中，內(nèi)部管理裝置負(fù)責(zé)在微重力環(huán)境下收集和管理液體，以保證向液口排出不帶氣體的推進(jìn)劑，供給發(fā)動(dòng)機(jī)使用，是貯箱的核心部件。內(nèi)部管理裝置主要由各種收集器、過濾器和通道等組件組成，收集器、過濾器的性能可靠性將直接影響到整個(gè)貯箱的可靠性。各種收集器、過濾器形狀很多，但基本結(jié)構(gòu)相同，均為骨架、支壓板與網(wǎng)片組成，骨架與支壓板的材料為TC4，網(wǎng)片材料為00Cr18Ni13不銹鋼。解決支壓板與網(wǎng)片的連接問題，實(shí)際就是解決鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片異種金屬之間的焊接問題。

鈦合金與不銹鋼屬于性能差別特別大的兩種材料，焊接難度極大[1-2]，極易產(chǎn)生脆性金屬間化合物[3-4]。國(guó)內(nèi)外采用的焊接方法主要有爆炸焊、摩擦焊、釬焊、擴(kuò)散焊、電子束焊和滾焊[5]。針對(duì)不銹鋼網(wǎng)片的特殊性，鈦合金板和不銹鋼網(wǎng)片一般采用滾焊方法進(jìn)行連接，但滾焊后不銹鋼網(wǎng)片斷絲率偏高，泡破點(diǎn)合格率都較低。本文主要研究一種小壓力、小輸入量的滾焊焊接方法進(jìn)行鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片的連接，降低不銹鋼網(wǎng)片斷絲率，提高泡破點(diǎn)合格率。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)選用HANSON型號(hào)滾焊設(shè)備，如圖1所示;滾焊所用電極為紫銅電極，如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)覆臑門C4支壓板與不銹鋼網(wǎng)片，兩種材料的物理性能如表1所示。滾焊后的焊縫要求進(jìn)行撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)，撕裂長(zhǎng)度應(yīng)大于50 mm，焊縫撕裂強(qiáng)度應(yīng)大于網(wǎng)片強(qiáng)度，撕裂后焊接處的網(wǎng)片殘余結(jié)合寬度應(yīng)大于焊縫寬度的60%。

2 鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片滾焊網(wǎng)片斷裂原因分析

表面張力貯箱中滾焊焊縫主要包括直線焊縫與圓形焊縫，如圖3、圖4所示。由圖可知，直線焊縫有4點(diǎn)處于焊縫接縫處，圓形焊縫的起弧收弧位置處于焊縫接縫處，焊縫接縫處至少經(jīng)過了“2次”滾焊過程。

收集60件泡破點(diǎn)不合格的直線焊縫滾焊產(chǎn)品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中46件產(chǎn)品在焊縫接縫處發(fā)生斷絲泄漏，9件產(chǎn)品在焊縫中間位置發(fā)生斷絲泄漏，3件產(chǎn)品在焊縫中間位置發(fā)生未焊合泄漏，2件產(chǎn)品在隨機(jī)位置發(fā)生局部過燒而網(wǎng)片破裂。收集80件泡破點(diǎn)不合格的圓形焊縫滾焊產(chǎn)品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中63件產(chǎn)品在焊縫起弧收弧位置（接縫處）發(fā)生斷絲泄漏，10件產(chǎn)品在非收弧起弧位置發(fā)生斷絲泄漏，1件產(chǎn)品發(fā)生未焊合泄漏，6件產(chǎn)品發(fā)生局部過燒而網(wǎng)片破裂。具體分析情況如表2所示。

對(duì)于滾焊直線焊縫和圓形焊縫，都不可避免的存在著局部位置二次滾焊現(xiàn)象。鈦合金和不銹鋼滾焊屬于異種材料的連接，Ti-Fe二元相圖如圖5所示，可以看出，Ti和Fe在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，極易形成金屬間化合物TiFe、TiFe2和Fe（TiO3），而TC4鈦合金與304L不銹鋼焊接時(shí)情況更復(fù)雜，Ti易與Fe、Cr、Ni等元素形成復(fù)雜的脆性金屬間化合物。

因此，鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片經(jīng)一次滾焊時(shí)，其接頭處必然存在著脆性的金屬間化合物，接頭脆性相在“二次”滾焊時(shí)，若壓力過大或者電極接觸表面過窄時(shí)，極易發(fā)生脆性相的斷裂而發(fā)生泄漏。若能降低滾焊壓力，則可能降低滾焊接縫處脆性相的斷裂概率。

3 滾焊壓力的優(yōu)選

滾焊是采用一對(duì)滾輪電極壓緊工件，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滾輪向工件饋送連續(xù)或斷續(xù)的焊接電流，從而產(chǎn)生一個(gè)個(gè)熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法。不銹鋼網(wǎng)片較薄，為防止過熱，通常采用斷續(xù)電流。

滾焊壓力的主要作用為壓緊鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片，若電極壓力過高，會(huì)使壓痕過深，并加速滾輪的變形和損耗;若電極壓力過小，易產(chǎn)生縮孔，且易因接觸不良導(dǎo)致接觸電阻過大，接觸面電流突升突降而局部過熱。本次試驗(yàn)的目的即是選擇能使鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片緊密接觸，不出現(xiàn)局部接觸不良現(xiàn)象的最小電極壓力。在固定電極速度為2 r/min、保證滾焊焊縫撕裂強(qiáng)度的前提下，研究不同電極壓力的壓緊效果，具體參數(shù)及情況如表3所示，不同壓力下典型的滾焊焊縫形貌如圖6所示。

滾焊過程產(chǎn)生的熱量為[6]：

當(dāng)滾焊壓力較小時(shí)（0.01 MPa），不銹鋼網(wǎng)片無法與鈦合金板緊密接觸，在滾焊過程中局部鼓起或者起褶，導(dǎo)致焊點(diǎn)局部區(qū)域無法接觸，接觸電阻過大，滾焊輸入能量加大，焊點(diǎn)大而疏，局部區(qū)域發(fā)生過燒現(xiàn)象。隨著滾焊壓力的增大，試件接觸逐漸緊密，當(dāng)滾焊壓力達(dá)到0.08 MPa時(shí)，焊縫焊點(diǎn)均勻，成形平整規(guī)則。繼續(xù)增大電流至0.4 MPa，由于壓力過大導(dǎo)致局部區(qū)域壓痕過深。試驗(yàn)可知，0.08 MPa的滾焊壓力即能保證產(chǎn)品的緊密接觸，因此最終優(yōu)選滾焊電極壓力為0.08 MPa。

4 與小壓力匹配的小能量滾焊參數(shù)優(yōu)選

鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片滾焊斷絲問題主要與兩方面因素有關(guān)，一為滾焊電極壓力，二為滾焊能量輸入。滾焊電極壓力小，可以保證經(jīng)一次滾焊產(chǎn)生的脆性相受到較小壓力的碾壓而不脆斷，而滾焊能量輸入小，則能保證經(jīng)一次滾焊產(chǎn)生的脆性相在接縫滾焊時(shí)受到較小的熱壓力而不脆斷。因此，有效控制滾焊能量輸入也至關(guān)重要。本次試驗(yàn)的原則即是在小電極壓力條件下，采用盡可能小的焊接熱輸入來使?jié)L焊焊縫達(dá)到設(shè)計(jì)撕裂試驗(yàn)要求。本次試驗(yàn)主要研究焊接電流、焊接速度兩個(gè)關(guān)鍵滾焊參數(shù)。由式（1）可知，焊接電流對(duì)焊接能量輸入的影響大于焊接速度，因此，優(yōu)選考慮小電流滾焊技術(shù)。

4.1 滾焊電流的優(yōu)選

結(jié)合以往的滾焊經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備的性能，試驗(yàn)固定焊接速度為1 r/min，滾焊壓力0.08 MPa，研究滾焊電流分別為800 A、850 A、900 A、950 A、1 000 A時(shí)對(duì)滾焊性能的影響，具體情況如表4所示。

由表4可知，當(dāng)焊接電流過小時(shí)，熱輸入量過小，不銹鋼和鈦合金異種材料之間無法實(shí)現(xiàn)有效焊合，焊縫連接強(qiáng)度低。隨著焊接電流的增加，板網(wǎng)之間的反應(yīng)加劇，當(dāng)達(dá)到850 A時(shí)，撕裂長(zhǎng)度已滿足50 mm的設(shè)計(jì)要求，但殘留在鈦合金板上的焊縫寬度較窄，此時(shí)，焊接熱輸入量已使兩種材料之間發(fā)生了冶金反應(yīng)，但是反應(yīng)層較薄，焊接強(qiáng)度較低。當(dāng)焊接電流達(dá)到900 A時(shí)，滾焊焊縫性能滿足撕裂試驗(yàn)要求。繼續(xù)增大焊接電流，當(dāng)焊接電流達(dá)到1 000 A時(shí)，由于焊接熱量過大，滾焊焊縫局部出現(xiàn)網(wǎng)片氧化現(xiàn)象，網(wǎng)片氧化導(dǎo)致塑性下降。綜上所述，滾焊焊接電流優(yōu)選900 A。

4.2 滾焊速度的優(yōu)選

根據(jù)前期試驗(yàn)情況，本次試驗(yàn)固定焊接電流為900 A，滾焊壓力為0.08 MPa，研究滾焊速度分別為1 r/min、2 r/min、3 r/min、4 r/min對(duì)滾焊性能的影響，具體情況如表5所示。

由表5可知，當(dāng)焊接速度較快時(shí)，滾焊熱輸入量減小，與此同時(shí)，焊接熱量的散失速度加快，材料之間還未來得及完全反應(yīng)，能量已經(jīng)散失，因此出現(xiàn)了滾焊未焊合現(xiàn)象。隨著焊接速度的降低，當(dāng)焊接速度達(dá)到2 r/min時(shí)，熱輸入量與能量散失速度基本達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)了合格的滾焊焊縫。繼續(xù)降低焊接速度至1 r/min時(shí)，盡管也能實(shí)現(xiàn)合格的滾焊焊縫，但是熱輸入量增大對(duì)于脆性反應(yīng)層是不利的。綜上所述，優(yōu)選焊接速度為2 r/min。

因此，本次試驗(yàn)優(yōu)選的與小壓力匹配的小能量滾焊參數(shù)為焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min。

5 優(yōu)選滾焊參數(shù)驗(yàn)證

經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)選比較，確定的小壓力滾焊技術(shù)優(yōu)選參數(shù)為：電極壓力0.08 MPa、焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min。

采用優(yōu)選的滾焊參數(shù)進(jìn)行了20件撕裂試驗(yàn)的驗(yàn)證，撕裂試驗(yàn)合格率為100%;進(jìn)行了20件直線焊縫的試驗(yàn)件泡破點(diǎn)試驗(yàn)，合格率為85%;進(jìn)行了20件圓形焊縫的試驗(yàn)件泡破點(diǎn)試驗(yàn)中，合格率為90%。

6 結(jié)論

（1）滾焊焊縫中存在“2次”滾焊過程，鈦合金板與不銹鋼網(wǎng)片在一次滾焊過程中產(chǎn)生了脆性金屬間化合物，在二次滾焊時(shí)，在大壓力和大能量輸入作用下導(dǎo)致網(wǎng)片斷裂。

（2）采用較小的滾焊壓力和較小的熱輸入量時(shí)，在保證焊縫撕裂試驗(yàn)合格的前提下，可以有效地降低網(wǎng)片斷裂概率。

（3）經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)選比較，優(yōu)選出小壓力滾焊參數(shù)為：滾焊電極壓力0.08 MPa、焊接電流900 A、滾焊速度2 r/min。

（4）采用優(yōu)選的滾焊參數(shù)進(jìn)行直線焊縫和圓形焊縫試驗(yàn)件泡破點(diǎn)試驗(yàn)，合格率分別達(dá)到85%與90%。

參考文獻(xiàn)：

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