钛与304L不锈钢摩擦焊接接头.docVIP

PAGE15 钛与304L不锈钢摩擦焊接接头 论文历史：2008年9月22日收到；2009年6月23日收到修订版；2009年6月27日接受。 摘要：钛（Ti）与304L不锈钢（SS）的异种金属接头在核工业是必不可少，因为消耗性燃料的溶解是在置于溶解容器（钛制成）中沸腾的硝酸溶液中完成的，溶解后的溶液通过304L不锈钢管道输送到304L不锈钢制成的其他设备组件。由于放射性环境，异种接头的密封性和耐腐蚀性能是重要的。在这项工作中，摩擦焊接过程尝试连接钛和304L不锈钢。钛与304L不锈钢的直接摩擦焊接产生了硬的焊点，进行拉伸试验过程时在钛基金属上产生断裂。然而，接头弯曲韧性几乎为零，已归因于由于机械合金化、接头界面附近钛的应变硬化和残余应力形成的金属间化合物。焊后热处理由于缓解了接头界面应变硬化和残余应力的影响，稍微增加了弯曲韧性至5?。按ASTM A-262 Practice C在沸腾??硝酸进行腐蚀试验表明平均腐蚀率为10mpy，接头腐蚀试验后仍然完整。对机械测试及采用光学显微镜和扫描电子显微镜对结构进行分析，细节进行了讨论。 关键词：应变强化；残余应力；焊后热处理；拉伸试验；弯曲试验；断口金相检测 0 简介 钛（Ti）和钛合金（viz. Ti–5Ta和Ti–5Ta–1.8Nb）在沸腾的硝酸中优越的耐腐蚀性能，决定了它们将作为制造核再加工设备电解容器的候选材料，在容器中消耗性燃料的溶解是在沸腾的硝酸溶液中完成的。溶解后的溶液通过304L不锈钢管道输送到304L不锈钢制成的其他回收设备组件，因此，连接电解容器和其余回收设备处需要一个钛和304L不锈钢的异种金属接头。这个过渡接头的完整性对回收设备的安全运行非常关键，然而，传统熔焊对Ti和304L不锈钢进行焊接，接头存在一些主要问题，包括：（i）由于铁钛有限的溶解性，在接头界面形成了脆性金属间化合物，如Fe2Ti像FeTi；（ii）由于其物理性质的显著差异，在焊接过程中产生了过度变形和残余应力，例如：热膨胀系数（Ti: 7.6mm?1K?1, SS: 17–18mm?1K?1）；传热特征和熔点【Ti: 1933K(1660?C), 304L SS: ～1673K(～1400?C)】。基于上述原因，钛和304L不锈钢的直接熔焊焊接是不可行的。固态焊接工艺，限制了相互混合的程度，一般被用来对钛和304L不锈钢及多种不同这样的金属进行连接。传统的固态连接过程，如摩擦焊、扩散焊、和爆炸焊，对不同金属的连接在核工业、石油化工业和航空航天工业，以及海军应经得到了应用。在日本，已经使用爆炸焊和扩散焊技术制取Zr和不锈钢异种金属接头的回收设备。为避免金属间化合物的形成在Zr和不锈钢扩连接的扩散焊中加入Ta中间层，并且取得了高达Zr的粘结强度（Mudali等，2003年）。爆炸焊已用于阿波罗飞船上的Ti和不锈钢过渡接头在和船舶上铝钢过渡接头（Patterson，1993年）。 在摩擦焊接时，焊接所需的热是由两个表面结合时的相对运动所产生的，在正常情况下，没有发生界面熔化。摩擦焊接过程得到充分理解，并且自20世纪40年代，在商业规模已被广泛的用于同种金属和异种金属的连接。有三种不同的摩擦焊接过程，即，旋转摩擦焊、线性焊和轨道摩擦焊。旋转摩擦焊接只能用于圆形断面，在此过程中一个组件必须是相对于轴的旋转体，而另一组件在连接时，施加压力的同时保持固定。根据焊接旋转能量转移的方式，旋转摩擦焊接可进一步可分为两大类：直接驱动（连续驱动）和惯性驱动（储存能量）。直接驱动摩擦焊采用以恒定速度运行的马达，而惯性驱动摩擦焊使用储存在旋转飞轮的动能，作为摩擦阶段向接头处得能量输入。在线性摩擦焊的情况下，一个组件是固定的，而另外一组件在压力作用下以小直线偏置作往复运动。线性摩擦焊在航空发动机制造行业，已成为一套重要的整体涡轮盘生产制造和修复的技术（Jun等，2008年）。轨道摩擦焊是一种结合线性摩擦焊和旋转摩擦焊的焊接方式，两组件在结合的过程中，以相同的角速度常量绕纵向轴旋转。在这里，两纵向轴线是平行的，有一小直线距离补偿。当运动的部件停止，零件要正确地对齐，形成焊缝。不像旋转摩擦焊接，线性摩擦焊和轨道摩擦焊接可焊接非圆零件，并且在接头截面位置产生的热量几乎是相同的（Maalekian等，2007年）。然而，旋转摩擦焊接是最古老的，但仍然是最常用的连接方法。摩擦焊接中，可为焊接提供所需的热量和压力并且影响粘结强度有的主要工艺参数：摩擦压力、摩擦时间、锻造压力（顶端压力）和旋转速度。在直接驱动摩擦焊接过程的情况下，旋转的速度是最敏感的过程变量，如果压力和加热时间等能够适当地控制，它可以在很宽的范围内变化。在焊接钢的情况下，建议圆周速率控制在75m/min-215m/min。在一般情况下，较高的速率相当于低的焊接