真空热轧连接技术及应用

东彦宏 王硕 于汉臣 赵普 李燕霞 吴仕壕 闫久春

摘要： 许多异种金属焊接结构，由于材料本征属性差异大，无法直接熔焊连接。利用真空热轧制备异种金属复合结构是工程适应性最佳方案。文中介绍了真空制坯和真空无制坯两种热轧方法的技术原理及其研究现状，并分析了两种方法的技术差异。文中为异种金属结构连接提供了有效的途径。

关键词： 异种金属复合板; 轧制连接; 真空； 工艺特点

中图分类号： TG 456

0序言

在核动力装置、宇航、石油化工、娱乐及医疗等行业，需要兼有异种金属优良特性的材料连接件。例如随着核反应堆的不断更新换代，反应堆中涉及到越来越多的异种金属焊接结构。直接熔化焊接异种金属结构时，接头容易产生大量脆性的金属间化合物，冷却过程中，在焊接应力的作用下产生裂纹。因此，异种金属的焊接就成为了急需解决的问题。

目前，可用于异种金属的非熔化焊接方法主要有钎焊、爆炸焊、扩散焊和轧制连接。

钎焊利用熔点比母材低的钎料作为填充材料，加热到高于钎料熔点而低于母材熔点的温度，依靠母材与熔化的钎料之间的冶金反应完成连接。由于母材与钎料之间本征属性大，在界面处生成金属间化合物，使接头变脆，并且钎料合金元素多，腐蚀性能差，限制其应用；

爆炸焊接利用爆炸产生的高温高压，使得被焊金属产生严重的塑性变形，界面紧密接触而形成金属键。但爆炸焊接的界面存在很多宏观和微观缺陷，这些缺陷将对后续加工和服役性能产生不利影响；

扩散连接是在静态压力下依靠连接金属原子扩散来形成连接，固态下原子扩散速度极为缓慢，不仅生产效率低，而且对构件的尺寸也有较大的限制；

轧制连接是在轧制力的作用下使被焊金属产生大变形，从而去除表面氧化膜及杂质而形成连接。焊后接头的组织和性能均匀，焊接时间短，生产效率高，轧制连接的界面结合强度高。特别是在真空环境下的热轧连接，轧制过程不受空气氧化、氮化等影响，轧制连接接头质量高。真空热轧连接主要用于连接面积较大的大厚度异种材料，是极具应用前景的异种金属连接技术[1-2]。

文中以钛钢复合板为例，介绍真空热轧连接技术的原理和研究现状，再比较两种真空热轧连接的技术差异，加深对真空热轧连接技术的认识，为其应用奠定基础。

1真空制坯热轧连接技术

1.1技术原理

目前，真空制坯热轧连接技术应用广泛，发明于上世纪末，由日本钢铁工程控股公司发明。其原理在于先将钛板与钢板封存于一个真空环境内，为了防止轧制过程中因金属延伸率不同导致翘曲变形，通常采用钢板→钛板→隔离剂→钛板→钢板的对称方式顺序组坯，组坯后再加热进行轧制实现连接。

为获得预轧坯料的真空环境，通常使用真空电子束将组坯封焊，如图1所示，也有采用先将组坯进行封焊，然后再开口抽真空的方法，如图2所示。真空制坯热轧连接工艺相对成熟，多用于大板幅的复合板材的制造。

真空制坯热轧连接本质上属于累积叠轧焊接，即通过累积多次轧制工序（5次以上）实现钛-钢的大压下率下（一般压下率＞80%）的塑性变形连接。

1.2研究现状

东北大学[5]研究在对称组坯真空电子束焊接的方式下，轧制接头金属间化合物的生成原理，探究提高轧制结合强度的工艺，在850～950 ℃条件下开展了纯钛钢纯钛三层复合板真空轧制试验，通过5道轧制工序制备厚度为7 mm的钛钢复合板，总压下率为90%。在900和950 ℃轧制温度下， 界面层由连续的TiC薄层和β-Ti相组成， 且随着轧制温度的提高界面层厚度逐渐增加。真空热轧复合钛不锈钢时[6]，所选轧制温度为950 ℃，总压下率为83%，每道次压下率分别为 30%、30%、40%和40%。还开展了在800、850、900以及950 ℃条件下，通过真空轧制连接制备厚度为8 mm的钛钢复合板，其轧制过程的总压下率为80%[7]。热轧过程中随着温度的升高，金属间化合物层的厚度增加，如图3所示。界面剪切强度随金属间化合物厚度增加而减小，钛钢轧制复合后界面反应相直接影响接头的力学性能。东北大学与国内钢厂合作采用真空制坯轧制技术直接制备的钛钢复合板的板幅宽度达到 3.5 m，近复合界面Ti侧界面生成连续的βTi层，钢侧组织主要为铁素体＋珠光体，晶粒尺寸约为10～20 μm。经能谱检测，复合界面形成连续的TiC层，连续的化合物层影响了接头的力学性能[8]。

北京科技大学[9]采用对称组坯抽真空然后密封的方式，在840～930 ℃，总压下率为80%，通过6次轧制工序，将30 mm厚钛钢坯料轧至6 mm钛钢复合板。研究表明，在870℃轧制复合板性能较优；900 ℃和930 ℃轧制时，钛合金发生相变，同时界面产生了许多金属间化合物，钛和钢的抗变形能力相差过大和变形不协调导致界面附近内应力变大，这些因素都会导致接头强度降低。还研究了压下率对钛钢复合板界面结构的影响以及压下率与接头拉剪强度的关系如图4所示，在轧制温度为950 ℃下，一道次轧制压下率为18%的钛钢接头界面无反应物；三道次轧制压下率升至70%时，界面生成了TiFe化合物[10]。

2真空无制坯热轧连接技术

2.1技术原理

真空无制坯热轧连接起源于上世纪末的乌克兰，该方法将被连接的材料放置到真空仓中，加热到达设定温度后，利用轧辊的轧制力使材料界面发生大变形，去除表面的氧化物及杂质，暴露出新鲜的表面，在轧辊的压力作用下新鲜的表面相互挤压而形成连接。

真空无制坯热轧连接的主要特点是在于整个过程中，试件的加热、轧制、轧后的冷却都是在真空室中进行，无需对称组坯，轧辊的轧制力直接作用在上下两个板坯上，通过少数道次（1～2次）轧制，实现高强连接。

2.2研究现状

哈尔滨工业大学[11]采用无制坯真空轧制连接的方法成功实现了TC4钛合金与不锈钢的高强度的连接，分别研究了无中间层、Cu、Ni、Nb中间层对界面结构和接头力学性能的影响。在利用纯铌作为中间层时，在轧制温度800 ℃、压下率为25%时，复合板的结合强度达到了430 MPa，采用纯镍作为中间层时，轧制温度760 ℃，压下率为20%时，复合板的结合强度达到440 MPa。利用轧制复合板加工成钛-钢过渡接头进行焊接后，轧制界面未受到焊接热影响，不明显变化，过渡接头的拉伸强度高于400 MPa。

哈尔滨工业大学[12]为了避免铝合金与铁熔焊过程中产生脆性的金属间化合物，采用无制坯真空轧制连接的方法，提高界面的连接强度。采用实际测试以及理论计算的方式，分析无制坯真空轧制连接的影响因素，优化铝合金与铁板的轧制工艺，两次轧制有利于界面结合强度的提高而第三次轧制中，轧制接头会产生大量的金属间化合物，接头强度下降。

3技术差异

3.1技术特点

两种方法均能实现被轧制金属的高强度连接。由于加热时金属不会被氧化，可用于活性金属的轧制连接，是进行铝-钢、钛-钢、铌-钢和钼-钢等异种金属板材复合连接的理想手段，主要用于制备两层金属或多层金属复合板[11-12]。热轧连接过程中，还可以通过加入不同中间层，改变界面冶金反应，提高被轧制金属的界面结合性能[13-15]。

真空制坯热轧连接技术一般是多道次轧制（通常为7次以上），总的压下率比较大，增加了轧制的工艺难度。

真空无制坯热轧连接通过少数道次轧制，总体下压率小，对原来基体组织影响小。真空热轧连接技术的特点使其可以实现大面积和大厚度的构件的连接。焊接时间短，生产效率高，焊后接头的组织均匀，焊接质量高[11]。

3.2应用方向

真空热轧连接技术制备异种金属复合板，可用于跨海大桥的钢桩、火力发电厂的烟囱、制盐厂的制盐装置[16]和耐热壳体、热交换器、冷凝器[17]等船上设备，以及大型储备容器[18]设备的制造。

由于真空无制坯热轧连接压下率较小，还能实现异种金属厚板的轧制连接，在复合板上加工复合过渡管接头，用于异种金属管的过渡连接。

4结束语

文中报道了真空热轧连接技术制备异种金属复合板的原理及研究现状，在轧制前预制真空环境，通过改变轧制温度和压下率等参数、填加或不填加中间层，可以实现异种金属的高强度连接，为异种金属复合板制备提供了可选的技术途径。

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收稿日期： 2023-11-01东彦宏简介： 主要从事异种金属电弧焊、钎焊及轧制连接技术研发工作。