基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法技术

本发明专利技术涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，包括以下步骤：(1)基板加工和清理：接头形式为对接或角接；(2)预热：采用激光预热钛合金基材的沉积位置的截面；(3)粉末准备：不锈钢和钛合金称重后分别和镍基合金混合；(4)激光沉积及同步预热：激光沉积一定时间后对沉积层进行预热，然后继续沉积，交替进行；(5)后热：激光继续运行对沉积层进行后热处理；(6)焊接：获取钛/镍/钢梯度沉积层并进行焊接。本发明专利技术解决了目前钛合金与不锈钢采用传统熔化焊、高能束焊及固相连接过程中，由于界面处极易形成连续且高脆性的金属间化合物，从而导致焊接接头强度低、韧性差的问题。

Gradient joining method based on laser synchronous preheating deposition of steel / titanium dissimilar metals

【技术实现步骤摘要】
基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法
本专利技术涉及激光加工
，具体涉及一种基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法。
技术介绍
异种材料的焊接在节约成本、减轻重量、产品设计灵活性以及增强产品功能性等方面具有潜在的优势，不断受到业界的关注。然而，异种金属材料连接仍存在一些未解决的问题，特别是焊缝中脆性金属间相的形成导致的力学性能弱化问题。钛合金与不锈钢异种连接在化工、能源、航空航天和核应用领域具有广泛的应用前景。然而，钛合金和不锈钢直接焊接过程FeTi和Fe2Ti等脆性金属间化合物很难避免，从而引起接头开裂，焊接接头的力学性能严重下降。传统的熔化焊常用于连接相同或相似的金属，当用于焊接异种金属时，无论是引入中间层或采用激光焊接等高能束焊接，焊缝仍会出现开裂或脆化等问题。这是由于合金元素溶解度不足、原子结构失配、热膨胀变化以及脆性金属间相引起的。为了尽量减少异种金属焊接过程金属间相的形成，克服焊接材料之间物理、化学和热性能的差异，目前异种材料连接多采用固相连接如摩擦焊接或扩散焊接，但是仍会形成脆性的金属间化合物，导致接头脆弱或开裂，无法获得高强度的焊接接头。即使采用固相连接技术可以焊接钛合金和不锈钢，焊接工艺也需要高温，工艺要求严格，很难获得高质量的焊接接头，且焊接材料规格及结构形式也限制了这些工艺的应用。为了在减少或消除Fe-Ti金属间化合物形成的同时，较为有效的方法是在Ti合金和不锈钢之间引入中间元素或合金。在熔焊过程中通常加入Cu、Mg、Ni、Co等夹层，可以在一定程度上阻止Ti与Fe的相互作用，然而，如果夹层完全熔化，焊缝中钛-铁金属间化合物是不可避免的。增材制造(AM)非常适合于功能梯度材料的制造方法。其中，直接定向沉积法是利用移动激光将粉末送入熔池，通过改变层与层之间的粉末成分来实现梯度过渡，这很容易通过配置两个或多个粉末送粉筒来实现，这种梯度材料的组成可以随着成分的增加而变化。钛合金与不锈钢之间的物理化学性能差异特别大，获得良好的连接接头有很大的难度。因此，针对Ti和不锈钢激光焊接容易产生金属间相和裂等问题，我们提出了一种基于激光增材制造的梯度连接方法，也就是通过在焊缝位置通过激光沉积对过渡金属实现梯度过渡，然后再进行激光焊接。尽管国内外已经出现很多采用过渡层的办法连接钛-钢异种金属的事例，但未曾有人明确提出采用增材制造技术和激光同步预热制造钛-钢异种金属连接中间梯度过渡层的设计原理和方法。目前，研究者针对钛和钢连接也尝试了多种连接方法，然而均很难得到高强度的接头。如公开号为CN102632324A、CN101722356A、CN101284336A的专利分别采用了电弧焊、电子束焊和钎焊对不锈钢和钛合金进行了焊接，得到的接头的拉伸强度均仅为母材钛强度的50％左右，无法应用于需要高强度的场合。公开号为CN107127454A的专利技术专利公开了一种采用复合中间层的钛合金-不锈钢异种金属激光焊接方法，Ta/V/Fe复合层作为中间层材料，虽然降低接头脆性，提高了接头的强度，但其所采用的工艺复杂，对焊接过程控制要求高，且对厚板焊接没有优势。公开号为CN105436707A的专利技术专利公开了一种电磁感应同步预热辅助的基于激光增材制造的连接方法，此种连接方法焊缝直接沉积成形，没有考虑梯度过渡，因此连接异种材料较为困难。综述所述，如何解决异种材料连接过程金属间相的产生和大的内应力产生是获得高质量异种材料接头的关键，而通过增材制造技术进行异种材料的梯度过渡连接具有较大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术目的是为了弥补已有技术缺陷，提供了一种基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，解决了目前钛合金与不锈钢采用传统熔化焊、高能束焊及固相连接过程中，由于界面处极易形成连续且高脆性的金属间化合物，从而导致焊接接头强度低、韧性差的问题。为实现上述目的，本专利技术通过以下方案予以实现：本专利技术提供了一种基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，包括以下步骤：(1)沉积及焊接用基板的加工和清理：接头形式为对接或搭接，沉积及焊接用基板截面加工完成后采用丙酮或酒精进行清理；(2)沉积前预热：采用激光预热钛合金基材的沉积位置的截面；(3)粉末准备：不锈钢和钛合金称重后分别和Inconel625合金采用机械搅拌方式进行混合均匀，并在烘箱中100℃保温1h烘干备用；(4)激光沉积及同步预热：采用双筒送粉机自动送粉方式进行激光沉积，一种成分配比的合金粉末沉积完成，另一送粉筒开始工作，同时更换沉积完成后的合金粉末，依据焊接件尺寸和形式可选择同轴送粉或旁轴送粉，在换粉过程进行激光同步预热沉积区；(5)后热：激光沉积完成后，送粉停止，激光继续运行对沉积层进行后热处理，防止沉积层冷速过快，造成较大的内应力；(6)焊接：对镍基合金的沉积层上部表面进行机加工，满足焊接面要求，焊接采用高功率光纤激光进行单面焊双面成形，得到激光焊接接头。优选地，步骤(2)中基材采用激光进行同步预热，预热时间为5min，激光功率650W，扫描速度0.008m/s，偏移0.62mm，负离焦量5mm。优选地，步骤(4)中不同合金成分含量的间隔梯度变化为30％，不锈钢和钛合金作为基材，分别在其截面上沉积混合粉末，沉积区包含4个成分变化区间，每一成分区沉积8层，沉积件分为钛合金基体、钛合金/镍基合金梯度成分区和镍基合金/不锈钢成分梯度区三个区域，沉积区最上层为单一不锈钢沉积层。优选地，步骤(4)中沉积过程采用激光进行同步预热，预热时间为2min，激光功率850W，扫描速度0.008m/s，偏移0.62mm，负离焦量5mm。优选地，步骤(5)中选用的激光后热工艺如下：激光功率850W，扫描速率0.008m/s，送粉量16.0g/min，偏移量0.62mm，抬升量0.3mm，负离焦量5mm，后热时间5min。优选地，步骤(6)中，激光焊焊接速度为0.8～1.2m/min，通过一次施焊，实现镍基合金沉积层单面焊双面成形，并通过优化焊参数，防止未熔合、咬边等焊接缺陷。优选地，激光焊接接头中包括不锈钢基材、钛合金基材、不锈钢/镍基合金梯度区域、钛合金/镍基合金梯度区域和镍基合金区域，通过添加镍基合金中间过渡区，一方面能防止成分突变造成应力集中和裂纹产生，另一方面能够阻止Ti，Fe元素的混合及相互扩散，从而避免形成脆性Ti-Fe金属间化合物。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术基于解决钛/钢连接过程产生的脆性金属间化合物导致开裂的问题，首次提出了采用增材制造技术进行焊缝成分和组织结构梯度过渡设计方法，本专利技术首次提出了将不同比例的镍基合金粉与不锈钢和钛合金粉混合粉末作为钛-钢异种金属连接的过渡中间层。2、本专利技术采用成分渐变及激光同步预热和后热方法进行中间梯度层制造，可以有效防止钛和钢直接连接时成分突变及膨胀系数差异大所引起热应力和相变应力导致的脆性相开裂等问题，从而解决了钛合金与不锈钢可连接性差、接头强度低、热疲劳寿命低、焊接工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)沉积及焊接用基板的加工和清理：接头形式为对接或搭接，沉积及焊接用基板截面加工完成后采用丙酮或酒精进行清理；/n(2)沉积前预热：采用激光预热钛合金基材的沉积位置的截面；/n(3)粉末准备：不锈钢和钛合金称重后分别和Inconel625合金采用机械搅拌方式进行混合均匀，并在烘箱中100℃保温1h烘干备用；/n(4)激光沉积及同步预热：采用双筒送粉机自动送粉方式进行激光沉积，一种成分配比的合金粉末沉积完成，另一送粉筒开始工作，同时更换沉积完成后的合金粉末，依据焊接件尺寸和形式可选择同轴送粉或旁轴送粉，在换粉过程进行激光同步预热沉积区；/n(5)后热：激光沉积完成后，送粉停止，激光继续运行对沉积层进行后热处理；/n(6)焊接：对镍基合金的沉积层上部表面进行机加工，满足焊接面要求，焊接采用高功率光纤激光进行单面焊双面成形，得到激光焊接接头。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)沉积及焊接用基板的加工和清理：接头形式为对接或搭接，沉积及焊接用基板截面加工完成后采用丙酮或酒精进行清理；
(2)沉积前预热：采用激光预热钛合金基材的沉积位置的截面；
(3)粉末准备：不锈钢和钛合金称重后分别和Inconel625合金采用机械搅拌方式进行混合均匀，并在烘箱中100℃保温1h烘干备用；
(4)激光沉积及同步预热：采用双筒送粉机自动送粉方式进行激光沉积，一种成分配比的合金粉末沉积完成，另一送粉筒开始工作，同时更换沉积完成后的合金粉末，依据焊接件尺寸和形式可选择同轴送粉或旁轴送粉，在换粉过程进行激光同步预热沉积区；
(5)后热：激光沉积完成后，送粉停止，激光继续运行对沉积层进行后热处理；
(6)焊接：对镍基合金的沉积层上部表面进行机加工，满足焊接面要求，焊接采用高功率光纤激光进行单面焊双面成形，得到激光焊接接头。


2.根据权利要求1所述的基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，其特征在于，所述步骤(2)中基材采用激光进行同步预热，预热时间为5min，激光功率650W，扫描速度0.008m/s，偏移0.62mm，负离焦量5mm。


3.根据权利要求1所述的基于激光同步预热沉积钢/钛异种金属的梯度过渡连接方法，其特征在于，所述步骤(4)中不同合金成分含量的间隔梯度变化为30％，不锈钢和钛合金作为基材，分别在其截面上沉积混合粉末，沉积区包含4个成分变化区间，每一成分区沉积8层，沉积件分为钛合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟威，尹孝辉，张文浩，丁晨师，崔冰，陈双双，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34