本发明属于异种金属焊接，具体涉及一种钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺。
背景技术：
1、钛合金具备轻质、高强、高韧、耐蚀等优点，在航空航天、武器装备、石油化工等领域具备广阔的应用前景。钢材以其低廉的价格、可靠的性能已成为目前使用最多的材料之一，是制造业不可或缺的材料。通过焊接制备的钛-钢异种金属复合构件，可以充分实现二者在性能及成本上的优势互补。然而，由于钛和钢的固溶度低，且热导率、热膨胀系数差异较大，采用摩擦焊、钎焊及爆炸焊等方法制备的焊接接头易产生应力集中和脆性相析出，难以获得性能可靠的接头，采用真空扩散焊可有效避免上述问题。
2、真空扩散焊接接头的形成分为物理接触、原子扩散和接头形成三个阶段。物理接触阶段，原始粗糙不平的待焊面在高温高压作用下发生局部塑性变形，焊接面之间形成紧密接触。随后，界面处的原子被激活，接触面之间发生元素扩散、晶界迁移和化学反应，界面上的微孔消失，形成可靠的结合层。随着扩散时间的延长，接触面之间元素扩散充分，结合层与两侧母材相融，界面处气孔消除，最终形成稳定的冶金结合。影响钛-钢真空扩散焊接头组织及力学性能的因素有：中间层的种类及厚度、待焊件表面粗糙度、待焊件表面处理、焊接温度、焊接压力、保温时间等。大量的学者对上述影响因素进行了研究。例如专利cn117161533a公布了一种以高熵合金作为中间层的钛-钢扩散焊接接头，其采用焊接温度900℃、950℃，焊接压力10～15mpa，焊接时间170min的工艺参数进行了多组实验，然而由于界面处金属塑性变形不充分，导致界面仍存在缝隙和孔洞缺陷，力学性能并不理想。专利cn110238504a公布了一种新型的复合中间层以实现钛合金和钢的高强度扩散连接，其采用镍箔、铜箔、铌箔作为中间层，在900℃下，2mpa～5mpa的压力下进行焊接，提高接头抗拉强度。但是，这种单相加压下进行的钛-钢扩散焊接，受界面金属塑性变形及元素扩散不充分的影响，界面仍存在孔洞和缝隙缺陷。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，扩散焊接时，使扩散焊接接头处于三向压应力状态，界面没有孔洞和缝隙，提高焊接效果。
2、本发明通过以下技术方案实现。
3、本发明提供了一种钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，包括以下步骤：
4、将钛材和钢材的待焊面进行精车和清洗后，将钛材和钢材装配至刚性模具中；
5、将装配好的待焊件置于真空扩散炉中进行扩散焊接，扩散焊接过程中，刚性模具和轴向扩散焊接压力使扩散焊接接头处于三向压应力状态，制得钛-钢异种金属构件。
6、本发明在对钛材和钢材进行扩散焊接时，先将钛材和钢材装配至刚性模具中，即钛材和钢材周向设置有刚性模具，在扩散焊接时，刚性模具可以限制钛材和钢材沿径向膨胀，即钛材和钢材受到了刚性模具周向提供的压应力，再配合沿钛材和钢材轴向的焊接压力，使得扩散焊接接头处于三向压应力状态，使得界面处金属塑性流动以及元素扩散更充分，从而获得无孔洞和无缝隙，界面可靠且性能优异的钛-钢焊接接头。
7、本发明技术方案的进一步改进在于，所述钛材为钛棒，所述钢材为钢棒，所述刚性模具为刚性套筒，将钛棒和钢棒装配至刚性套筒中，且钛棒和钢棒存在焊接界面，在扩散焊接时，钛棒和钢棒外侧的刚性套筒和焊接压力，使扩散焊接接头处于三向压应力状态。
8、本发明技术方案的进一步改进在于，为了保证扩散焊接接头处于三向压应力状态，要求钛棒或钢棒与刚性套筒径向间隙为0.001mm～2mm，间隙过大的话，扩散焊接时刚性套筒不能发挥作用，扩散焊接接头只能处于单向压应力状态，焊接界面金属塑性流动以及元素扩散效果降低，进而容易使界面存在气孔等缺陷，降低焊接效果。
9、本发明技术方案的进一步改进在于，所述钛材为钛管，所述钢材为钢管，所述刚性模具包括刚性套筒和芯模，将钛管和钢管装配至刚性套筒中，形成待焊管，并在待焊管的管芯装配芯模，刚性套筒和芯模配合使用，以保证焊接时管状待焊接件处于三向压应力状态。
10、本发明技术方案的进一步改进在于，为保证扩散焊接接头处于三向压应力状态，要求待焊管与刚性套筒径向间隙为0.001mm～2mm，待焊管与芯模径向间隙为0.001mm～0.05mm，也就是说，将待焊管限定在刚性套筒和芯模之间，且间隙较小。间隙过大的话，扩散焊接时刚性套筒和芯模不能发挥作用，扩散焊接接头只能处于单向压应力状态，焊接界面金属塑性流动以及元素扩散效果降低，进而容易使界面存在气孔等缺陷，降低焊接效果。
11、本发明技术方案的进一步改进在于，装配时，在钛材和钢材的待焊面之间可以使用中间层，所述中间层为钛-钢扩散焊接工艺中使用的任意单层或多层中间层。通过使用中间层可以有助于提高焊接接头的强度。需要说明的是，在本发明中，中间层可以使用，也可以不使用。
12、本发明技术方案的进一步改进在于，根据钛材和钢材具体成分，选择扩散焊接压力为2mpa～30mpa。扩散焊接压力和刚性模具提供的应力，使扩散焊接接头处于三向压应力状态。
13、本发明技术方案的进一步改进在于，根据钛材和钢材具体成分，选择扩散焊接的温度为850℃～950℃。扩散焊接过程中，粗糙不平的待焊面在高温高压作用下发生局部塑性变形，焊接面之间形成紧密接触，随后，界面处的原子被激活，接触面之间发生元素扩散、晶界迁移和化学反应，由于本发明扩散焊接接头处于三向压应力状态，可以消除界面气孔，形成稳定的冶金结合，接头强度提高。
14、本发明技术方案的进一步改进在于，扩散焊接真空度小于1×10-2pa。
15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16、与现有钛-钢扩散焊接时接头处于单向压应力不同，本发明通过在焊接件周向装配刚性模具，再配合轴向焊接压力，使扩散焊接接头处于三向压应力状态，使得界面处金属塑性流动以及元素扩散更充分，焊接后的界面无孔洞和缝隙，钛-钢焊接接头性能提高。
1.一种钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，所述钛材为钛棒，所述钢材为钢棒，所述刚性模具为刚性套筒，将钛棒和钢棒装配至刚性套筒中。
3.根据权利要求2所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，钛棒或钢棒与刚性套筒沿径向的间隙为0.001mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，所述钛材为钛管，所述钢材为钢管，所述刚性模具包括刚性套筒和芯模，将钛管和钢管装配至刚性套筒中，形成待焊管，并在待焊管的管芯装配芯模。
5.根据权利要求4所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，待焊管与刚性套筒沿径向的间隙为0.001mm～2mm，待焊管与芯模沿径向的间隙为0.001mm～0.05mm。
6.根据权利要求1所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，装配时，在钛材和钢材的待焊面之间使用中间层，所述中间层为钛-钢扩散焊接工艺中使用的任意单层或多层中间层。
7.根据权利要求1所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，扩散焊接压力为2mpa～30mpa。
8.根据权利要求1所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，扩散焊接的温度为850℃～950℃。
9.根据权利要求1所述的钛-钢异种金属构件的扩散焊接工艺，其特征在于，扩散焊接真空度小于1×10-2pa。
