钛与低碳钢的夹层电阻点焊研究

发布时间：2020-02-06 20:11

【摘要】：轻型结构材料和复合结构材料越来越被人们所追崇。不论从经济性和使用性考虑,还是在工业生产和实际应用中,单一的传统材料都无法满足设备和结构件对材料性能的要求。因此,两种及其以上的复合结构材料在实际生产中越来越得到广泛的应用。作为两种常用结构材料的钛与钢之间的连接具有重要实践意义。但由于钛与钢两者在物理、冶金性能方面存在较大差异而难以实现有效连接。鉴于此,本文以钛与低碳钢为研究对象,对其电阻点焊接头组织、性能进行研究。为了对比,本研究首先对工业纯钛/钢进行了直接电阻点焊连接,采用光学显微镜、扫描电子显微镜对接头熔核的显微组织以及接头断口形貌观察、分析,采用XRD射线衍射仪对接头断口的物相进行了检测。探讨了焊接电流、焊接时间及电极压力对接头熔核直径和接头的抗剪载荷的影响。观察了接头断口的断裂形式以及断裂位置。为了抑制界面冶金反应,本文分别借助纯铜和纯铌为中间层介质对工业纯钛与低碳钢进行了电阻点焊,研究了钛/Cu/钢、钛/Nb/钢的接头组织,探讨了焊接参数对接头熔核直径和力学性能的影响,观察、分析了接头断口表面特征。钛/低碳钢直接电阻点焊接头的最大抗剪载荷只有3.3k N。在钛/钢直接点焊接头中形成了宏观均质的熔核,在厚度方向上接头熔核偏向钛侧。接头熔核由靠近钢侧的TiFe_2+α-Fe共晶组织、熔核内部的TiFe柱状晶和靠近钛侧的TiFe+α-Ti的共晶组织。对钛/钢直接电阻点焊接头断口分析得出接头断裂发生在界面生成的金属间化合物处,接头断裂为脆性断裂。采用Cu中间层点焊钛/钢时,钛/Cu/钢接头内部有裂纹生成,接头熔核呈帽型。靠近钛基体生成了厚度约为15μm的FeTi、α-Ti共晶反应层。靠近钢基体则生成了厚度约为10μm的α-Fe、Ti Fe_2相的反应层。熔核内部组织则为黑白相间的TiFe和TiFe_2条状组织。采用Nb作中间层焊接钛/钢时,中间层Nb介质可以抑制Ti向钢侧的扩散,但不能够抑制Fe向钛侧的扩散。钢侧熔核组织主要为α-Fe和Fe-Nb金属间化合物。而钛侧熔核边缘处则形成了厚度约为10μm的α-βTi带状组织,熔核内部组织则主要为α-Ti与Fe-Ti的金属间化合物。钛/Cu/钢接头的最大抗剪载荷为4.4kN,钛/Nb/钢接头的最大抗剪载荷为4.5kN。使用Cu、Nb作中间层焊接钛/钢时,接头力学性能均得到了提高。钛/Cu/钢接头力学性能的提高主要是由于熔核边缘处的Cu中间层与基体形成的环状物增强了接头的力学性能。而钛/Nb/钢接头力学性能的提高主要是由于熔核中Fe-Ti金属间化合数量的减少,然而Fe与Nb反生成的金属间化合物的厚度则抑制了接头力学性能的提高。
【图文】：

二元相图,二元相图

表 1-1 钛、铁的物理性能对比Tab. 1-1 the performance of titanium and steel料（主分）熔点(℃)密度(kg ·m-3)线膨胀系数(10-6·K-1)电阻率(μΩ·cm)热导率(J·m-3·℃-11668 4.5 8.6 420 21.91500 7.86 11.76 96.1 80.42）在冶金性能方面，由图 1-1 的 Ti-Fe 二元相图[12]可知，室温下解度仅为 0.05%~0.1%(wt.%)。铁在α-Ti 中的溶解度最大也t.%)。同时钛容易发生转变，高温时以 BCC 晶格结构β-Ti 存在，，P 晶格结构的α-Ti。相变转变温度为 882℃。铁在钛中的固溶度会的升高而增大，随着焊接温度的降低而减小，在凝固过程中会在焊钛中的过饱和组织，以及脆、硬性的 TiFe、TiFe2等金属间化合物性和强度降低，给钛钢异种材料的连接带来了很大的困难。

宏观形貌,宏观形貌,焊缝,横截面

第 1 章绪论TiC 等多种脆性金属间化合物[8-10,13]，导致焊缝脆化，容易在焊，严重降低了焊接接头的性能。此，在钛/钢焊接时，选择适当的焊接参数来避免钛/钢的直接接触上述问题，避免脆、硬性金属间化合物或者抑制金属间化合物的接头残余应力，以此来提高焊接接头的塑性和韧性，从而实现钛可靠性连接。内外研究现状/钢熔化焊内外关于钛与钢的熔化焊研究主要集中在高能密度焊，例如电子光焊[19-21,23-26.28-30]、离子束以及激光复合焊[27]等焊接领域。
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG453.9

【参考文献】