CN101648315A

CN101648315A - 一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法

Info

Publication number: CN101648315A
Application number: CN200910072786A
Authority: CN
Inventors: 张秉刚; 王廷; 陈国庆; 冯吉才
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: CN101648315B

Abstract

一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，它属于异种难熔金属材料的焊接领域。本发明解决了现有钛金属材料与不锈钢焊件易产生裂纹、强度低、韧性差的问题。本发明的步骤如下：将铜板作为钛金属材料板与不锈钢板之间的中间层组成待焊件，电子束焊接时，电子束流正对铜板与不锈钢板间的焊缝或偏向不锈钢侧，焊接速度为200mm/min～600mm/min、加速电压为30KV～60KV、聚焦电流为2000mA～3000mA、电子束流为5mA～15mA，焊接完成再用散焦电子束后热。该法能够得到无裂纹的钛金属材料与不锈钢的焊接接头，抗拉强度≥230MPa，屈服强度≥150MPa。

Description

一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法

技术领域

本发明属于异种难熔金属焊接领域，具体涉及钛金属材料与不锈钢的电子束焊接方法。

背景技术

航空航天业的发展对新一代发动机的性能提出了更高指标，要求发动机推力室工作压力和温度大幅度提高，同时还要提高发动机自身的推重比，进一步增强其快速机动性能。把发动机推力室身部的部分钢质体与铜合金采用钛金属材料取代，可实现局部减重10％-15％，满足新一代液氧煤油大推力火箭发动机及高空分导发动机的高性能需求，同时，逐步在航天动力承载结构中使用钛金属材料替代部分钢质结构体也成为今后航天器瘦身减重的重要手段之一，此外，在核动力装置中的核燃料后处理设备、卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件、化工以及医疗设备也经常用到钛金属材料与不锈钢的复合构件。采用焊接技术焊接钛金属材料与不锈钢或者先制备钛金属材料与不锈钢接头，然后将其两端分别与各自相同的金属材料再焊接，从而形成一个完整的系统，这样可以实现钛金属材料与不锈钢的可靠连接，对于钛金属材料与不锈钢的焊接，钎焊、扩散焊、摩擦焊接头在使用中受到强度、接头形式、使用条件以及生产效率的限制，不能满足使用要求；气焊、电弧焊方法在两金属的接头处产生大量连续分布的脆性金属间化合物，焊后极易开裂。

发明内容

本发明的目的是为了解决钛金属材料与不锈钢在焊接过程中易产生裂纹、强度低、韧性差的问题，提供一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法。

本发明的焊接方法按以下步骤实现：一、将厚度为0.5mm～2.0mm、纯度≥99.95％(质量)的铜板作为中间层置于待焊钛金属材料板与不锈钢板3之间，组成待焊件；二、将待焊件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点焊固定，使中间层铜板与钛金属材料板和不锈钢板的对接面的间隙为0.05mm～0.25mm；三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗5min～30min，再酸洗，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理后的待焊件固定于电子束焊接真空室内，进行电子束焊接，所述真空室的真空度为10^-5Pa～10^-4Pa，焊接时电子束流正对铜板与不锈钢板间的焊缝或偏向不锈钢板一侧，焊接参数：焊接速度为200mm/min～600mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流为2000mA～3000mA、电子束流为5mA～15mA；五、采用散焦电子束流进行后热，后热电子束流随时间阶梯状降低。

上述的步骤三中的酸洗是按以下步骤实现的：先按每升水溶液中含有200g的HNO₃和30g的HF配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液中1min-4min，然后用蒸馏水冲洗干净。

上述的步骤四中电子束流距铜板与不锈钢板接触面的偏束量为δ，其中0mm≤δ≤0.3mm。

上述的步骤五中的后热参数：速度为300mm/min～700mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流3000mA～4000mA。

上述的步骤五中后热电子束流先以7mA～8mA保持7s，接着以5mA～6mA保持7s，再以3mA～4mA保持7s，最后以1mA～2mA保持7s。

上述的步骤一中的钛金属材料板为钛合金板或纯度≥99.99％(质量)的纯钛板，其中铜板的长度与被焊钛金属材料板或不锈钢板长度相同，铜板的宽度与被焊钛金属材料板或不锈钢板的厚度相同，为1mm～20mm。

本发明采用铜板作为中间层，能够改变钛金属材料板与不锈钢板直接电子束焊接接头内脆性化合物的分布形态和尺寸，从而改善了接头的韧性，获得无裂纹的电子束焊接接头；电子束焊接完成后再用散焦电子束进行后热，以降低冷却速率，减小热应力；焊接时束流作用点偏向于不锈钢母材侧，从而有效控制钛金属材料板和铜板的熔化量，提高接头的强度与韧性；本发明制备的钛金属材料板与不锈钢板接头无裂纹，抗拉强度≥230MPa，屈服强度≥150MPa。

附图说明

图1是待焊件的结构示意图，图2是电子束流作用位置示意图，图3是具体实施方式二十一的焊件中不锈钢与侧焊缝区显微组织，图4是具体实施方式二十一的焊件中铜与钛合金母材界面区显微组织。图1中的附图标记1是钛金属材料板，2是铜板，3是不锈钢板；图2中的附图标记1是钛金属材料板，2是铜板，3是不锈钢板，4是电子束流。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1、图2)本实施方式的焊接方法按以下步骤实现：一、将厚度为0.5mm～2.0mm、纯度≥99.95％(质量)的铜板2作为中间层置于待焊钛金属材料板1与不锈钢板3之间，组成待焊件；二、将待焊件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点焊固定，使中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接面的间隙为0.05mm～0.25mm；三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗5min～30min，再酸洗，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理后的待焊件固定于电子束焊接真空室内，进行电子束焊接，所述真空室的真空度为10^-5Pa～10^-4Pa，焊接时电子束流4正对铜板2与不锈钢板3间的焊缝或偏向不锈钢侧，焊接参数：焊接速度为200mm/min～600mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流为2000mA～3000mA、电子束流为5mA～15mA；五、采用散焦电子束流4进行后热，后热电子束流4随时间阶梯状降低。

具体实施方式二：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铜板2的厚度为0.7mm～1.5mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铜板2的厚度为1.0mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点是：步骤二中中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接面间的间隙为0.08mm～0.20mm。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点是：步骤二中中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接面间的间隙为0.15mm。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至五的不同点是：步骤三中先将固定好的待焊件放在丙酮中超声清洗10min～25min，然后按如下步骤进行酸洗：先按每升水溶液中含有200g的HNO₃和30g的HF配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液中1min-4min，然后用蒸馏水冲洗干净。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至五的不同点是：步骤三中将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗20min，然后按如下步骤进行酸洗：先按每升水溶液中含有200g的HNO₃和30g的HF配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液中3min，然后用蒸馏水冲洗干净。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式八：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至七的不同点是：步骤四中真空室的真空度为2.0×10^-5Pa～8×10^-5Pa。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至七的不同点是：步骤四中真空室的真空度为4.5×10^-5Pa。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式十：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至九的不同点是：步骤四中焊接时电子束流4距铜板2与不锈钢板3接触面的偏束量为δ，其中0mm≤δ≤0.3mm。其它与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十一：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至九的不同点是：步骤四中焊接时电子束流4距铜板2与不锈钢板3接触面的偏束量δ为0.15mm。其它与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十二：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十一的不同点是：步骤四中焊接参数：焊接速度为300mm/min～500mm/min、加速电压为35kV～55kV、聚焦电流为2300mA～2800mA、电子束流4为6mA～13mA。其它与具体实施方式一至十一相同。

具体实施方式十三：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十一的不同点是：步骤四中焊接参数：焊接速度为400mm/min、加速电压为45kV、聚焦电流为2500mA、电子束流4为9mA。其它与具体实施方式一至十一相同。

具体实施方式十四：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十三的不同点是：步骤五中后热参数：速度为300mm/min～700mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流3000mA～4000mA。其它与具体实施方式一至十三相同。

具体实施方式十五：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十三的不同点是步骤五中后热参数：速度为500mm/min，加速电压为45kV，聚焦电流为3500mA。其它与具体实施方式一至十三相同。

具体实施方式十六：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十五的不同点是步骤五中后热电子束流4先以7mA～8mA保持7s，接着以5mA～6mA保持7s，再以3mA～4mA保持7s，最后以1mA～2mA保持7s。其它与具体实施方式一至十五相同。

具体实施方式十七：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十五的不同点是步骤五中后热电子束流4先以7.5mA保持7s，接着以5.5mA保持7s，再以3.5mA保持7s，最后以1.5mA保持7s。其它与具体实施方式一至十五相同。

具体实施方式十八：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式一至十七的不同点是：步骤一中所述的钛金属材料板1为钛合金板或纯度≥99.99％(质量)的纯钛板，其中铜板2的长度与被焊钛金属材料板1或不锈钢板3长度相同，为10mm～500mm，铜板2的宽度与被焊钛金属材料板1或不锈钢板3的厚度相同，为1mm～20mm，钛金属材料板1或不锈钢板3的宽度为5mm～200mm，钛金属材料板1或不锈钢板3的长度与宽度与真空室的小大相适应。其它与具体实施方式一至十七相同。

具体实施方式十九：(参见图1、图2)本实施方式的焊接方法按以下步骤实现：一、钛金属材料板1的牌号为TA15，成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，不锈钢板3为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，钛金属材料板1与不锈钢板3的长度分别为50mm，钛金属材料板1与不锈钢板3的宽度分别为25mm，钛金属材料板1与不锈钢板3的厚度分别为2.5mm；纯度≥99.95％铜板2的长度为50mm、宽度为2.5mm、厚度为1.0mm；将铜板2置于钛金属材料板1和不锈钢板3之间，组成待焊件；二、将待焊件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点焊固定，使中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接面间的间隙分别为0.10mm；三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗10min，再将待焊件浸没于酸洗液中酸洗1min-4min，其中酸洗液是按每升水溶液中含有200g的HNO₃和30g的HF配制的，酸洗之后用蒸馏水冲洗干净，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理过的待焊件固定于电子束焊接真空室内进行电子束焊接，所述真空室的真空度为4.5×10^-5Pa，焊接时电子束流4作用正对铜板与不锈钢板间的焊缝，焊接参数：焊接速度为300mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流4为9mA；五、采用散焦电子束流进行后热，后热参数：速度为500mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为3350mA，电子束流4随时间阶梯状降低，先以8mA保持7s，再以6mA保持7s，再以4mA保持7s，最后以2mA保持7s。

本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板1与不锈钢板3的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为234MPa，屈服强度为150MPa。

具体实施方式二十：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式十八不同的是：中间层铜板2的厚度为0.8mm；焊接时电子束流4作用的偏束量δ为0.1mm。其它与具体实施方式十九相同。

本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板与不锈钢板的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为200MPa，屈服强度为138MPa。

具体实施方式二十一：(参见图1、图2、图3、图4)本实施方式与具体实施方式十九不同的是：中间层铜板2的厚度为0.5mm；焊接时电子束流4作用的偏束量δ为0.2mm、焊接速度为500mm/min、电子束流为11mA。其它步骤与参数与具体实施方式十九相同。

本实施方式所得的钛金属材料板1与不锈钢板3的电子束焊接接头，熔池在不锈钢板母材侧形成，只有少量铜熔化进入熔池，因此熔池中为奥氏体与少量铜基固溶体的混合物，而在钛金属材料板1与中间层铜板2接触面，由于二者能形成熔点低于铜合金的共晶组织，主要为Ti₂Cu₃，TiCu₄以及Cu基固溶体的混合物，由于该化合物层较薄，并有少数Cu基固溶体存在，得到无裂纹的钛金属材料板与不锈钢板的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为288MPa，屈服强度为176MPa。

具体实施方式二十二：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式十九不同的是：钛金属材料板1的牌号为TB5，成分为：Ti-15V-3Cr-3Al；焊接速度为500mm/min、焊接时电子束流4为11mA。其它与具体实施方式十九相同。

本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板与不锈钢板的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为280MPa，屈服强度为170MPa。

具体实施方式二十二：(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式二十一不同的是：钛金属材料板1为纯度≥99.99％(质量)纯钛板。其它步骤与参数与具体实施方式二十一相同。

本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板1与不锈钢板3的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为280MPa，屈服强度为180MPa。

Claims

1、一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：一、将厚度为0.5mm～2.0mm、纯度≥99.95％(质量)的铜板(2)作为中间层置于待焊钛金属材料板(1)与不锈钢板(3)之间，组成待焊件；二、将待焊件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点焊固定，使中间层铜板(2)与钛金属材料板(1)和不锈钢板(3)的对接面的间隙为0.05mm～0.25mm；三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗5min～30min，再酸洗，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理后的待焊件固定于电子束焊接真空室内，进行电子束焊接，所述真空室的真空度为10^-5Pa～10^-4Pa，焊接时电子束流(4)正对铜板(2)与不锈钢板(3)间的焊缝或偏向不锈钢板(3)一侧，焊接参数：焊接速度为200mm/min～600mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流为2000mA～3000mA、电子束流为5mA～15mA；五、采用散焦电子束流(4)进行后热，后热电子束流(4)随时间阶梯状降低。

2、根据权利要求1所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤一中铜板(2)的厚度为0.7mm～1.5mm。

3、根据权利要求1或2所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤二中铜板(2)与钛金属材料板(1)和不锈钢板(3)的对接面的间隙为0.08mm～0.20mm。

4、根据权利要求3所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤三中的酸洗是按以下步骤完成的：先按每升水溶液中含有200g的HNO₃和30g的HF配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液中1min-4min，然后用蒸馏水冲洗干净。

5、根据权利要求1、2或4所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤四中电子束焊接真空室的真空度为2.0×10^-5Pa～8×10^-5Pa。

6、根据权利要求5所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤四中焊接时电子束流(4)距铜板(2)与不锈钢板(3)接触面的偏束量为δ，其中0mm≤δ≤0.3mm。

7、根据权利要求1、2、4或6所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤四中焊接参数：焊接速度为300mm/min～500mm/min、加速电压为35kV～55kV、聚焦电流为2300mA～2800mA、电子束流(4)为6mA～13mA。

8、根据权利要求7所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤五中后热参数：速度为300mm/min～700mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流为3000mA～4000mA。

9、根据权利要求1、2、4、6或8所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤五中后热电子束流(4)以阶梯状降低的形式是：先以7mA～8mA保持7s，接着以5mA～6mA保持7s，再以3mA～4mA保持7s，最后以1mA～2mA保持7s。

10、根据权利要求9所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于步骤一中所述的钛金属材料板(1)为钛合金板或纯度≥99.99％(质量)的纯钛板，其中铜板(2)的长度与被焊钛金属材料板(1)或不锈钢板(3)长度相同，铜板(2)的宽度与被焊钛金属材料板(1)或不锈钢板(3)的厚度相同，为1mm～20mm。