CN113798677B - 一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，包括以下步骤：步骤一，将双相不锈钢与钛合金打磨清洗后固定在焊接工装上，双相不锈钢为I形坡口，钛合金为单边V形坡口，双相不锈钢与钛合金的接触面之间留有间隙；步骤二，磁场发生装置在双相不锈钢、钛合金的两边对称设置，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接电弧与激光的耦合状态和热量分布；步骤三，设置焊接工艺参数；步骤四，焊丝在前，激光在后，激光作用在双相不锈钢侧，电弧作用在钛合金侧进行激光电弧复合焊接。本发明通过控制能量在母材两侧的分布和加入特定的填充金属来改善钛/钢接头的微观组织和力学性能，降低焊接变形，减小焊接热影响区宽度和提高焊接效率。

Description

一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接方法，具体为一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法。

背景技术

钛合金由于具有高的比强度、良好的耐高温性、耐腐蚀性等优点，被广泛地应用于各个工业领域。双相不锈钢是一类同时具有铁素体相及奥氏体相的不锈钢，其性能特点在于其优异的抗腐蚀能力、高的强度及良好的焊接性能，双相不锈钢被广泛的应用在海洋运输业、军事以及化工等领域。钛合金与不锈钢的焊接结构能将不锈钢良好的焊接性与钛合金优异的耐蚀性相结合，这样的组合将实现两种材料在性能上的优势互补。

双相不锈钢焊接的主要问题集中在热影响区，处于快冷非平衡态的热影响区会增大腐蚀倾向和氢致裂纹敏感性，焊接接头易析出σ相脆化，与奥氏体不锈钢相比，耐热性较差，存在中温脆性区不利于焊接，同时接头双相比的失衡会造成腐蚀性能变差。钛合金与双相不锈钢的化学成分及物理性能存在显著差异，焊接时容易生成脆性的Ti-Fe金属间化合物，同时接头的组织偏析和有害相的析出导致钛/钢接头的力学性能无法满足使用性能的要求。

目前，主要采用在钛合金和不锈钢之间添加过渡中间层的方法，实现异种材料的熔焊连接。但这种方法工艺复杂，实施难度大，难以推广使用。采用现有的激光电弧焊接方法由于热输入过大易造成焊接接头双相比失衡，析出大量脆化的σ相，腐蚀性能变差；磁场辅助仅限于促进熔池搅拌，没有发挥其在电弧与激光匙孔的耦合作用来保证焊接过程的稳定性。这些焊接技术难点限制了钛合金和双相不锈钢焊接件的推广应用。

目前对于双相不锈钢与钛合金异种金属对接接头焊接方法的研究相对较少。经过国内外公开发表的相关文献检索发现交变磁场已经在部分领域公开，但仍存在不足之处。在授权公布号为108655568 B的中国发明专利申请中公开了一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法，其特征在于主要针对不留间隙的同种材质薄板焊接，磁场主要用于搅拌熔池，但未直接控制电弧与激光的耦合状态。申请公布号为CN 113263246 A的发明专利申请中公开了一种基于交变磁场的磁控焊接装置，其特征在于通过位于焊枪两侧的磁控探头产生的交变磁场对熔池产生扰动力，进而避免了熔池凝固后导致余高过高的问题。但是由于双相不锈钢和钛合金焊接需要面临的问题不同，熔池的搅拌反而会使得焊接过程中产生更多Fe-Ti金属间化合物，双相不锈钢侧的组织偏析更加严重，使焊接接头性能更差。激光电弧复合焊接方法也广泛应用于实际生产中，中国发明专利申请《一种多束流辅助的激光-电弧复合焊接方法》（申请公布号 CN 110560904 A）以及《440MPa级高强钢焊丝及激光-电弧复合焊接工艺》（申请公布号 CN 113001059 A），这两件专利都是通过电弧、激光和焊缝处于同一平面，利用激光对电弧的引导作用来提高焊缝性能，但是过大的热输入反而会造成双相不锈钢侧的组织不平衡，钛合金侧的晶粒粗大，裂纹倾向明显等缺陷。现有技术中大多数是对钛合金与奥氏体不锈钢进行研究，采用钎焊（如专利201910771230.0），添加中间层（如专利201710559221.6和专利201610463909.X），或者是钨极氩弧焊（如专利201210231712.5），只是针对单一组织的不锈钢与钛合金有一定的研究，并未解决不锈钢中双相组织在与钛合金焊接中产生的问题。此外，根据文献“Ag 做中间层 TC4 和双相不锈钢的扩散连接，黄晓英，白莉，刘蒙恩，《热加工工艺》，2016，45（5），247-252”报道，采用Ag中间层能彻底避免TC4-2205双相不锈钢扩散连接接头脆性相的生成，改善接头力学性能。但焊接成本高，效率低，焊接结构受限制，不利用实际生产应用的推广。总之，现有的交变磁场和激光电弧复合焊接技术在同种板材或者是薄板焊接中具有独特的优势，但在双相不锈钢与钛合金的焊接中都不同程度地存在以下技术问题：

（1）焊接接头双相不锈钢侧组织不均匀，易析出σ相脆化，且焊接热影响区腐蚀倾向严重，氢致裂纹敏感；

（2）双相不锈钢与钛合金复合结构结合面连接强度低；

（3）双相不锈钢与钛合金焊接成本高，工艺复杂，焊接效率低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种焊缝表面光洁细密、无裂纹和气孔的双相不锈钢与钛合金的焊接方法。

技术方案：本发明所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一，将双相不锈钢与钛合金打磨清洗后固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢采用I形坡口，钛合金采用单边V形坡口的对接形式，并保证双相不锈钢与钛合金的接触面之间留有间隙；

步骤二，磁场发生装置在双相不锈钢、钛合金的两边对称设置，保持高度的对称性，磁场强度和频率通过磁场控制器进行调整，从而产生一个垂直焊缝方向的横向磁场，在焊接前接通电源，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

步骤三，设置焊接工艺参数为：激光功率3～5kW，焊接电流160～240A，氩气流量15～20L/min，焊接速度0.5～1.0m/min，离焦量+5～+10mm，交变磁场强度10～60mT，磁场频率50～100Hz；通过优化焊接参数，防止未熔合和咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形；

步骤四，以Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，焊丝在前，激光在后，激光热源聚焦在双相不锈钢侧，电弧偏向钛合金侧进行激光电弧复合焊接，形成焊缝。

通过调整交变磁场参数，在熔化焊焊缝始终存在一定宽度的未熔化的不锈钢，在填充金属与Ti发生充分反应的情况下，阻止Ti、Fe元素的混合及相互扩散；并且磁场作用下，双相不锈钢的铁素体和奥氏体组织比例得到调整，接头组织晶粒得到细化。

进一步地，步骤一中，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗。焊接工装夹具为带有通气孔道的紫铜垫板，激光出口处设置保护气拖罩。钛合金和双相不锈钢板材水平对接放置。双相不锈钢与钛合金的厚度为5～8mm，间隙为1～3mm；钛合金的钝边为1.0~2.0mm，加工坡口角度为19.5~20.5°。

进一步地，步骤三中，氩气的纯度为99.99%。

进一步地，步骤四中，焊接前通氩气30～60s以排出空气，焊接后焊缝的正背面通氩气至焊缝冷却至150℃以下。Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C:0.05～0.1%，Si:0.8～2.0%，Cu:35.5～40%，Nb:2.5～3.0%，Ti:3.5～5%，Mn:2.0～3.5%，其余为Ni。焊丝端部与激光斑点的间距为2～3mm，直径为1.2mm。电弧热源偏向钛合金侧1～2mm，激光斑点聚焦距双相不锈钢边缘0.5～1.5mm处。

磁场辅助钛合金和双相不锈钢激光电弧复合焊接中，采用连续施焊、整条焊缝一次完成的焊缝方式，同时形成了包含钛铌、钛镍和钛铜等界面化合物以及双相比例均匀的焊接接头。

工作原理：针对焊接接头的脆性和组织不均匀问题，采用错开式激光-电弧作为焊接热源，Ni-Cu系焊丝作为填充材料，利用外加磁场作用于激光电弧和熔池，将电弧热源置于激光前侧并偏向钛合金坡口处以填充焊缝和对试板进行局部预热，激光置于电弧后侧并偏向双相不锈钢以熔化母材和填充金属，保证进行充分的冶金反应。填充金属中Ni、Cu和Nb等元素在磁场的作用下与Ti元素充分固溶，避免生成大量的Ti-Fe金属间化合物。同时Ni和Cu元素在磁场作用下使得接头双相不锈钢侧形成较多的奥氏体组织，电弧在磁场频率的改变下使得接头双相不锈钢侧的热循环温度发生改变，避免了Cr等奥氏体形成元素的烧损，促使铁素体在凝固过程中更多的转化为奥氏体组织；同时磁场强度的改变使得电弧摆动幅度发生改变，在保证焊丝熔化的同时降低了焊接接头的热输入，从而调整了双相不锈钢侧的双相比例，并且使得钛合金侧的晶粒组织更加细密。采用单道焊接，获得焊缝表面光洁细密、无裂纹和气孔的焊接接头，能够满足双相不锈钢与钛合金的异种金属焊接生产的技术性能要求。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、激光聚焦在双相不锈钢的I形坡口处，电弧作用在钛合金侧的V形坡口处，两个相互错开的焊接热源可以有效改善焊缝的热量分布，电弧于激光匙孔前熔化钛合金母材并形成填充金属包覆钛合金的焊道，避免钛合金与双相不锈钢直接接触，激光于后方熔化双相不锈钢母材与Ni-Cu金属形成有效结合，交变磁场使电弧摆动与激光形成脉冲式耦合状态，一方面对双相不锈钢试板进行预热，降低氢致裂纹敏感性；一方面在保证焊丝熔化的同时降低了焊接接头的热输入，减小焊接变形；

2、采用Ni-Cu系合金焊丝作为填充金属，将焊接热源聚焦在钛合金侧，使得Ti元素与Ni、Cu和Nb等元素发生冶金反应，减少与Fe元素的接触，同时Ni元素的添加使得双相不锈钢侧中铁素体和奥氏体组织比例趋近，焊缝中双相不锈钢侧的奥氏体含量为42%-48%之间；

3、在复合焊接过程中施加交变磁场，电弧在磁场作用下的左右摆动停留改变了焊接热影响区的焊接热循环和电弧与激光匙孔的耦合状态，从而调整了焊接接头的温度场和流场分布，改善了焊接接头双相不锈钢侧的双相比例，焊缝组织晶粒得到显著细化，合金元素更加均匀，减少了组织和元素的偏析，有效消除或减少焊接残余应力，增强焊接接头耐腐蚀性能和力学性能，抗拉强度为420-460MPa之间，这种方法焊接效率高，操作灵活，能够满足双相不锈钢与钛合金的异种材料焊接接头的使用要求。

附图说明

图1是本发明的焊接装置的结构示意图。

实施方式

如图1，本发明所使用的焊接装置，包括紫铜工装8、MIG焊枪4、激光束5和紫铜通孔垫板保护气罩，紫铜工装8上有紫铜通孔垫板，紫铜通孔垫板上放置双相不锈钢2和钛合金7，双相不锈钢2、钛合金7的两侧对称设置可调式交变磁场设备一3、可调式交变磁场设备二9。焊缝的正背面分别采用紫铜通孔垫板和紫铜保护气罩6。MIG焊枪4的电弧主要用于熔化钛合金母材，通过添加填充金属与钛合金7发生冶金反应，隔绝于Fe元素的接触；并且在磁场作用下MIG电弧的摆动不仅可以对双相不锈钢试板进行预热，改善能量在母材两侧的分布，还可以与激光产生的匙孔脉冲式耦合效应，从而调节熔池温度梯度，稳定焊接过程。激光束5主要用于熔化双相不锈钢2母材，并且对填充金属进行重熔，使得双相不锈钢2与填充金属发生冶金反应，同时细化晶粒，由于焊接热影响区窄，可以有效改善接头组织偏析问题。电弧在前可以提高材料对激光束的吸收率。

以下各实施例中，双相不锈钢2选用S31803双相不锈钢2，钛合金7选用TC4钛合金7。保护气为纯度高达99.99%的氩气。

实施例1

一种双相不锈钢2与钛合金7的焊接方法，包括以下步骤：

（1）将双相不锈钢2与钛合金7清洗加工成尺寸为300mm×150mm×5mm的板材，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗处理后，固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢2采用I形坡口，钛合金7采用单边V形坡口的对接形式，坡口角度为20°，钝边为1.0~2.0mm，并保证双相不锈钢2与钛合金7的接触面之间留有1mm间隙；

（2）在待焊工件双相不锈钢2、钛合金7的两侧加载可调式交变磁场设备，保持高度的对称性，并将该设备与焊接机构固定，控制磁场强度为10mT，磁场频率为50Hz，产生垂直焊缝方向的横向磁场，在焊接前接通电源，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

（3）设置焊接工艺参数为：激光功率3kW，焊接电流160A，氩气流量15L/min，焊接速度1.0m/min，离焦量+5mm，电源极性采用直流反接，光丝间距为2mm；

（4）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光电弧复合焊接，焊丝端部与激光斑点的间距为2mm，采用电弧引导模式，焊丝在前，激光在后，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为15L/min，焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6，起焊前保持流通30s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下，电弧热源偏向钛合金7侧2mm，激光斑点聚焦距双相不锈钢2边缘1mm处，进行激光电弧复合焊接以形成焊缝。

其中，Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C:0.05%，Si:0.8%，Cu:35.5%，Nb:2.5%，Ti:3.5%，Mn:2.0%，其余为Ni。

采用上述焊接工艺获得的TC4钛合金7和S31803双相不锈钢2焊接接头的焊缝成形良好，经过焊缝外观检测和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合和气孔等微观缺陷，平均抗拉强度为430MPa，焊接接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为42.6%和57.4%，接头无有害相析出，能够满足双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能和耐腐蚀性要求。

实施例2

一种双相不锈钢2与钛合金7的焊接方法，包括以下步骤：

（1）将双相不锈钢2与钛合金7清洗加工成尺寸为300mm×150mm×6mm的板材，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗处理后，固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢2采用I形坡口，钛合金7采用单边V形坡口的对接形式，坡口角度为20°，钝边为1.0~2.0mm，并保证双相不锈钢2与钛合金7的接触面之间留有2mm间隙；

（2）在待焊工件双相不锈钢2、钛合金7的两侧加载可调式交变磁场设备，保持高度的对称性，并将该设备与焊接机构固定，控制磁场强度为30mT，磁场频率为70Hz，产生垂直焊缝方向的横向磁场，在焊接前接通电源，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

（3）设置焊接工艺参数为：激光功率4kW，焊接电流200A，氩气流量20L/min，焊接速度0.8m/min，离焦量+8mm，电源极性采用直流反接，光丝间距为2mm；

（4）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光电弧复合焊接，焊丝端部与激光斑点的间距为2mm，采用电弧引导模式，焊丝在前，激光在后，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为16L/min，焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6，起焊前保持流通60s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下，电弧热源偏向钛合金7侧2mm，激光斑点聚焦距双相不锈钢2边缘1.5mm，进行激光电弧复合焊接以形成焊缝。

其中，Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C: 0.1%，Si: 2.0%，Cu:40%，Nb: 3.0%，Ti: 5%，Mn: 3.5%，其余为Ni。

采用上述焊接工艺获得的TC4钛合金7和S31803双相不锈钢2焊接接头的焊缝成形良好，经过焊缝外观检测和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合和气孔等微观缺陷，平均抗拉强度为460MPa，焊接接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为48.6%和51.4%，接头无有害相析出，能够满足双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能和耐腐蚀性要求。

实施例3

一种双相不锈钢2与钛合金7的焊接方法，包括以下步骤：

（1）将双相不锈钢2与钛合金7清洗加工成尺寸为300mm×150mm×7mm的板材，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗处理后，固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢2采用I形坡口，钛合金7采用单边V形坡口的对接形式，坡口角度为20°，钝边为1.8mm，并保证双相不锈钢2与钛合金7的接触面之间留有3mm间隙；

（2）在待焊工件双相不锈钢2、钛合金7的两侧加载可调式交变磁场设备，保持高度的对称性，并将该设备与焊接机构固定，控制磁场强度为50mT，磁场频率为80Hz，产生垂直焊缝方向的横向磁场，在焊接前接通电源，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

（3）设置焊接工艺参数为：激光功率4.5kW，焊接电流220A，氩气流量17L/min，焊接速度0.6m/min，离焦量+8mm，电源极性采用直流反接，光丝间距为2mm；

（4）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光电弧复合焊接，焊丝端部与激光斑点的间距为2mm，采用电弧引导模式，焊丝在前，激光在后，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为15L/min，焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6，起焊前保持流通40s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下，电弧热源偏向钛合金7侧2mm，激光斑点聚焦距双相不锈钢2边缘1.5mm，进行激光电弧复合焊接以形成焊缝。

其中，Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C:0.07%，Si:1.4%，Cu:37%，Nb:2.7%，Ti:4%，Mn:2.8%，其余为Ni。

采用上述焊接工艺获得的TC4钛合金7和S31803双相不锈钢2焊接接头的焊缝成形良好，经过焊缝外观检测和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合和气孔等微观缺陷，平均抗拉强度为440MPa，焊接接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为44.2%和55.8%，接头无有害相析出，能够满足双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能和耐腐蚀性要求。

实施例4

一种双相不锈钢2与钛合金7的焊接方法，包括以下步骤：

（1）将双相不锈钢2与钛合金7清洗加工成尺寸为300mm×150mm×8mm的板材，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗处理后，固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢2采用I形坡口，钛合金7采用单边V形坡口的对接形式，坡口角度为20.5°，钝边为2.0mm，并保证双相不锈钢2与钛合金7的接触面之间留有1.5mm间隙；

（2）在待焊工件双相不锈钢2、钛合金7的两侧加载可调式交变磁场设备，保持高度的对称性，并将该设备与焊接机构固定，控制磁场强度为60mT，磁场频率为100Hz，产生垂直焊缝方向的横向磁场，在焊接前接通电源，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

（3）设置焊接工艺参数为：激光功率5kW，焊接电流240A，氩气流量16L/min，焊接速度0.5m/min，离焦量+10mm，电源极性采用直流反接，光丝间距为2mm；

（4）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光电弧复合焊接，焊丝端部与激光斑点的间距为3mm，采用电弧引导模式，焊丝在前，激光在后，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为16L/min，焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6，起焊前保持流通50s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下，电弧热源偏向钛合金7侧2mm，激光斑点聚焦距双相不锈钢2边缘1.5mm，进行激光电弧复合焊接以形成焊缝。

其中，Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C:0.06%，Si:1.1%，Cu:39%，Nb:2.8%，Ti:3.8%，Mn:3.0%，其余为Ni。

采用上述焊接工艺获得的TC4钛合金7和S31803双相不锈钢2焊接接头的焊缝成形良好，经过焊缝外观检测和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合和气孔等微观缺陷，平均抗拉强度为420MPa，焊接接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为44.7%和55.3%，接头无有害相析出，能够满足双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能和耐腐蚀性要求。

实施例5

一种双相不锈钢2与钛合金7的焊接方法，包括以下步骤：

（1）将双相不锈钢2与钛合金7清洗加工成尺寸为300mm×150mm×6.5mm的板材，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗处理后，固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢2采用I形坡口，钛合金7采用单边V形坡口的对接形式，坡口角度为19.5°，钝边为1.2mm，并保证双相不锈钢2与钛合金7的接触面之间留有2.5mm间隙；

（2）在待焊工件双相不锈钢2、钛合金7的两侧加载可调式交变磁场设备，保持高度的对称性，并将该设备与焊接机构固定，控制磁场强度为20mT，磁场频率为50～75Hz，产生垂直焊缝方向的横向磁场，在焊接前接通电源，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

（3）设置焊接工艺参数为：激光功率3.5kW，焊接电流180A，氩气流量19L/min，焊接速度0.7m/min，离焦量+9mm，电源极性采用直流反接，光丝间距为2mm；

（4）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光电弧复合焊接，焊丝端部与激光斑点的间距为2.5mm，采用电弧引导模式，焊丝在前，激光在后，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为15L/min，焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6，起焊前保持流通45s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下，电弧热源偏向钛合金7侧1 mm，激光斑点聚焦距双相不锈钢2边缘1.3mm，进行激光电弧复合焊接以形成焊缝。

其中，Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C:0.08%，Si:1.7%，Cu:36%，Nb:2.6%，Ti:4.5%，Mn:3.2%，其余为Ni。

采用上述焊接工艺获得的TC4钛合金7和S31803双相不锈钢2焊接接头的焊缝成形良好，经过焊缝外观检测和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合和气孔等微观缺陷，平均抗拉强度为435MPa，焊接接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为46.9%和53.1%，接头无有害相析出，能够满足双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能和耐腐蚀性要求。

对比例1

以板厚为5mm的钛合金7和双相不锈钢2板材，焊接过程不加磁场，采用单一热源激光填丝焊对接焊为例，步骤如下：

（1）将母材试样加工成尺寸为300mm×150mm的板材，对开V形坡口的对接试板进行打磨清洁处理，其中坡口角度为20°，钝边为1mm，不留间隙。

（2）焊接过程中不施加磁场，采用单一焊接热源的激光填丝焊接方法。

（3）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光填丝焊接，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为15L/min，工艺参数为离焦量为+5mm，激光功率3KW，送丝速度为4.8m/min，焊接速度为1.0m/min，焊丝至工件表面距离为2mm。

（4）焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6；起焊前保持流通30-60s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下。

通过实施例1和对比例1的微观组织中双相比例和力学性能的对比分析发现，对比例1中的抗拉强度为286MPa，接头双相不锈钢2侧的奥氏体与铁素体含量分别为36.5%和63.5%。说明实施例1中的交变磁场和双热源焊接改善了双相比例不均衡以及双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能。

对比例2

以板厚为5mm的钛合金7和双相不锈钢2板材，焊接过程中不施加磁场，采用在板材间添加镍箔和铜箔的激光对接焊为例，步骤如下：

（1）将母材试样加工成尺寸为300mm×150mm的板材，对开V形坡口的对接试板进行打磨清洁处理，采用不开坡口的I形对接形式。

（2）将处理好后的钛合金7、双相不锈钢2、铜箔和镍箔按照钛合金7-镍箔-铜箔-双相不锈钢2的顺序依次对接放置，镍箔和铜箔的厚度为400μm，并刚性固定在带成形槽的夹具中，以确保各材料之间的间隙小于0.1mm；

（3）采用激光焊接，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为15L/min，工艺参数为离焦量为+5mm，激光功率为4KW，焊接速度为1.0 m/min，焊接顺序为先对铜箔夹层的中间位置进行焊接；再对铌箔夹层的中间进行焊接。

（4）焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6；起焊前保持流通30-60s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下。

通过实施例1和对比例2的微观组织中双相比例和力学性能的对比分析发现，对比例2中的平均抗拉强度为315MPa，接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为29.7%和70.3%，说明实施例1中的交变磁场和双热源焊接改善了双相比例不均衡以及双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能。

对比例3

以板厚为7mm的钛合金7和双相不锈钢2板材，焊接过程不施加磁场，采用激光电弧复合对接焊为例，步骤如下：

（1）将母材试样加工成尺寸为300mm×150mm的板材，对开V形坡口的对接试板进行打磨清洁处理，其中坡口角度为20°，钝边为1.5mm，不留间隙。

（2）采用直径为1.2mm的Ni-Cu系合金焊丝进行激光电弧复合焊接，采用电弧引导模式，保护气为纯度高达99.99%的氩气，气体流量为15L/min，工艺参数为电源极性采用直流反接，光丝间距为2mm，离焦量为+8mm，激光功率为4.5KW，焊接电流为220A，焊接速度为0.6 m/min，焊丝至工件表面距离为2mm，焊接热源聚焦在偏钛合金7侧1.5mm处。

（3）焊缝正背面分别采用带有通气孔道的紫铜垫板和紫铜保护气罩6；起焊前保持流通30-60s以排出空气，焊后持续通气直至焊缝金属冷却至150℃以下。

通过实施例3和对比例3的微观组织中双相比例和力学性能的对比分析发现，对比例3中的平均抗拉强度为355MPa，接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体含量分别为39.1%和60.9%，说明实施例3中的交变磁场改善了双相比例不均衡以及双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的力学性能。

表1 实施例与对比例结果汇总表

由表1的测试结果可以发现，采用本发明的一种基于交变磁场辅助的双相不锈钢2与钛合金7焊接方法可以阻止过多钛元素和铁元素的扩散和反应，改善接头双相不锈钢2侧的奥氏体和铁素体比例，提高了焊接接头质量。通过实施例1与对比例1、对比例2的结果分析对比可知，在焊接工艺参数基本不变情况下，不论是采用单一热源的激光填丝焊还是采用填充中间层的方法，接头的力学性能和不锈钢侧的双相比例都不如本发明的实施例1方法。此外，通过实施例3与对比例3的结果分析对比可知，交变磁场的施加调整了焊接接头的温度场和流场分布，改善了焊接接头双相不锈钢2侧的双相比例，焊缝组织晶粒得到显著细化，合金元素更加均匀，减少了组织和元素的偏析，有效消除或减少焊接残余应力，增强焊接接头耐腐蚀性能和力学性能。本发明的一种基于交变磁场辅助的双相不锈钢2与钛合金7焊接方法焊接效率高，操作灵活，满足双相不锈钢2与钛合金7的异种金属焊接接头的使用要求。

Claims (10)

1.一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将双相不锈钢（2）与钛合金（7）打磨清洗后固定在焊接工装夹具上，双相不锈钢（2）采用I形坡口，钛合金（7）采用单边V形坡口的对接形式，并保证双相不锈钢（2）与钛合金（7）的接触面之间留有间隙；

步骤二，磁场发生装置在双相不锈钢（2）、钛合金（7）的两边对称设置，开启交变磁场直至熔池凝固冷却，改变焊接熔池的流动状态和热量分布；

步骤三，设置焊接工艺参数为：激光功率3～5kW，焊接电流160～240A，氩气流量15～20L/min，焊接速度0.5～1.0m/min，离焦量+5～+10mm，交变磁场强度10～60mT，磁场频率50～100Hz；

步骤四，以Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，焊丝在前，激光在后，激光热源聚焦在双相不锈钢（2）侧，电弧偏向钛合金（7）侧，进行激光电弧复合焊接，形成焊缝。

2.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，采用电动锉刀打磨至露出金属光泽，丙酮清洗。

3.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，焊接工装夹具为带有通气孔道的紫铜垫板，激光出口处设置保护气拖罩。

4.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，双相不锈钢（2）与钛合金（7）的厚度为5～8mm，间隙为1~3mm；钛合金（7）的钝边为1.0~2.0mm，加工坡口角度为19.5~20.5°。

5.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，氩气的纯度为99.99%。

6.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，焊接前通氩气30～60s，焊接后焊缝的正背面通氩气至焊缝冷却至150℃以下。

7.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，Ni-Cu系合金焊丝包括以下质量百分数的元素：C:0.05～0.1%，Si:0.8～2.0%，Cu:35.5～40%，Nb:2.5～3.0%，Ti:3.5～5%，Mn:2.0～3.5%，其余为Ni。

8.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，焊丝端部与激光斑点的间距为2～3mm。

9.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，电弧热源偏向钛合金（7）侧1～2mm。

10.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢与钛合金的焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，激光斑点聚焦距双相不锈钢（2）边缘0.5～1.5mm处。