CN101920391A - 一种镍铝青铜与tc4钛合金异种材料电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，属于异种材料熔化焊接领域。本发明的目的在于解决镍铝青铜与钛合金异种材料电子束焊接容易产生金属间化合物层状结构的问题。本发明与常规焊接方法不同之处在于利用叠加焊接的方法，分别对TC4钛合金与镍铝青铜合金的对接面、偏向镍铝青铜合金侧一定距离进行电子束焊接。一方面可以使TC4钛合金与镍铝青铜合金焊缝形成良好的冶金结合，接头没有气孔、裂纹等焊接缺陷；另一方面能够将焊缝与镍铝青铜合金侧形成的金属间化合物层状结构减弱或消除，获得连续分布的焊缝组织，从而可将接头抗拉强度提高到镍铝青铜合金母材的70％以上。本发明所述的焊接方法适用于对现有板状以及管状母材进行焊接。
Description
技术领域
本发明涉及镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，属于异种材料熔化焊接领域。
背景技术
TC4钛合金是一种优良的结构材料，具有密度小、比强度高、塑韧性好、耐热耐蚀性好、可加工性好等特点，在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值。镍铝青铜合金具有优良的导电导热性能、延展性和优良的抗腐蚀性能。因而在电气、电子、化工、动力、交通及航空航天等工业及军事部门都得到了广泛的应用。异种材料的焊接日益受到人们的重视。其特点是能够最大限度地利用材料的各自优点满足现代生产对材料结构性能多方面的要求，在某些情况下，异种材料的综合性能甚至超过单一金属结构。实现TC4钛合金与镍铝青铜合金异种材料的有效连接既能满足导热性、耐磨性、耐蚀性的要求，又能满足轻质高强的要求，在航空航天、造船、仪表等领域必将拥有广阔的应用前景。
但是，TC4/镍铝青铜电子束焊接焊缝中易形成由金属间化合物组成的层状组织结构，是接头中的薄弱位置，使接头抗拉强度降低，目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于解决TC4钛合金与镍铝青铜合金异种材料电子束焊接容易产生金属间化合物层状结构的问题。
本发明所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，是在采用现有的电子束焊接方法对两种母材的对接面进行焊接完成之后，再采电子束焊接方法在偏向镍铝青铜母材一侧、与焊缝距离0.2mm至1.0mm处进行第二次焊接，所述焊接的母材为TC4钛合金母材和镍铝青铜母材，其中TC4钛合金母材的成分为Al：6.2％(重量)、V：3.5％(重量)、杂质≤0.2％(重量)，余量为Ti；镍铝青铜合金母材的成分为Al：8.5～10.0％(重量)、Ni：4.0～5.0％(重量)、Fe：4.0～5.0％(重量)、Mn：0.8～2.5％(重量)，余量为Cu。
本发明所述的焊接方法，是在现有焊接方法的基础之上，通过设计电子束聚焦焊接位置，利用叠加焊接的方法改善接头组织结构，进而达到减少或者消除金属间化合物的不利影响，获得优质高强的连接接头的效果。
当所述TC4钛合金母材和镍铝青铜母材都是厚度为1.5mm～5.0mm的板材时，本发明所述的焊接方法的具体过程为：
步骤一、将待焊接的两块板材进行预处理；
步骤二、调整两块板材的相对位置，使所述两块板材对接面的错边小于0.2mm，且对接面之间的缝隙小于0.1mm；然后用夹具固定所述两块板材，保持两块板材的相对位置不变；
步骤三、将固定完成的两块板材放入真空室内开始抽真空，使该真空室内的真空度在5×10-2Pa至5×10-4Pa之内；
步骤四、将电子束聚焦在两块板材的对接面的缝隙处，开始对该缝隙进行焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为15mA～50mA，焊接速度为4mm/s～12mm/s；
步骤五、步骤四完成之后，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.2～1.0mm，然后在此位置进行第二次焊接，焊接时的工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为12mA～45mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s；
步骤五中所述的第二次焊接的焊接轨迹与步骤四的焊接轨迹相平行。
步骤六、步骤五结束后，真空室冷却8min至12min，焊接完成。
当所述TC4钛合金母材和镍铝青铜母材都是壁厚为1.5mm～5.0mm的管材时，焊接的焊缝为环形对接焊缝，所述焊接方法的具体过程为：
步骤一、将待焊接的两块板材进行预处理；
步骤二、调节两根管材的环形对接面的相对位置，是两根管材的对接面之间的错边小于0.2mm，并且所述对接面之间的缝隙小于0.1mm；然后采用夹具固定所述两块管材，是两管管材之间不能产生相对运动；
步骤三、将固定后的两根管材放入真空室内并开始抽真空，使得所述真空室内的真空度在5×10-2Pa至5×10-4Pa之内；
步骤四、电子束聚焦焊接的位置为两根管材的对接面之间的环形缝隙，对两根管材开始焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为15mA～50mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s，焊接行程为450度；
步骤五、将电子束聚焦位置向镍铝青铜合金管件侧移动0.2～1.0mm，并在此位置开始第二次焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为12mA～45mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s，焊接行程为450度；
步骤六、真空室冷却8min至12min，焊接完成。
采用常规的电子束焊接方法对TC4钛合金与镍铝青铜合金进行焊接接头强度较低，仅为镍铝青铜合金母材的40％左右。本发明与常规焊接方法不同之处在于利用叠加焊接的方法，分别对TC4钛合金与镍铝青铜合金的对接面、偏向镍铝青铜合金侧一定距离进行电子束焊接。一方面可以使TC4钛合金与镍铝青铜合金焊缝形成良好的冶金结合，接头没有气孔、裂纹等焊接缺陷；另一方面能够将焊缝与镍铝青铜合金侧形成的金属间化合物层状结构减弱或消除，获得连续分布的焊缝组织，从而可将接头抗拉强度提高到镍铝青铜合金母材的70％以上。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，是在采用现有的电子束焊接方法对两种母材的对接面进行焊接完成之后，再采用电子束焊接方法在偏向镍铝青铜母材一侧、与焊缝距离0.2mm至1.0mm处进行第二次焊接，所述焊接的母材为TC4钛合金母材和镍铝青铜母材，其中TC4钛合金母材的成分为Al：6.2％(重量)、V：3.5％(重量)、杂质≤0.2％(重量)，余量为Ti；镍铝青铜合金母材的成分为Al：8.5～10.0％(重量)、Ni：4.0～5.0％(重量)、Fe：4.0～5.0％(重量)、Mn：0.8～2.5％(重量)，余量为Cu。
具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式一所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的一个具体实施例。本实施方式中的TC4钛合金母材和镍铝青铜母材都是厚度为1.5mm～5.0mm的板材，所述焊接方法的具体过程为：
步骤一、将待焊接的两块板材进行预处理；
步骤二、调整两块板材的相对位置，使所述两块板材对接面的错边小于0.2mm，且对接面之间的缝隙小于0.1mm；然后用夹具固定所述两块板材，保持两块板材的相对位置不变；
步骤三、将固定完成的两块板材放入真空室内开始抽真空，使该真空室内的真空度在5×10-2Pa至5×10-4Pa之内；
步骤四、将电子束聚焦在两块板材的对接面的缝隙处，开始对该缝隙进行焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为15mA～50mA，焊接速度为4mm/s～12mm/s；
步骤五、步骤四完成之后，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.2～1.0mm，然后在此位置进行第二次焊接，焊接时的工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为12mA～45mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s；
步骤六、步骤五结束后，真空室冷却8min至12min，焊接完成。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，所述步骤一中所述的将待焊接的两块板材进行预处理，是指将所述两块板材的对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，所述用夹具固定所述两块板材的固定方式采用上表面加载的固定方式。具体可以分别对两块板材的端点施加压力，进而保证焊接过程中两块板材不发生移动。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，所述步骤五中所述的第二次焊接的焊接轨迹与步骤四的焊接轨迹相平行。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，本实施方式中，所述两块板材的厚度为1.5mm～3.0mm，所述焊接方法与具体实施方式二的区别在于：
在步骤四中，电子束流为15mA～30mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s；
在步骤五中，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.2～0.6mm，电子束流为12mA～25mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，本实施方式中，所述两块板材的厚度为3.0mm～5.0mm，所述焊接方法与具体实施方式二的区别在于：
在步骤四中，电子束流为30mA～50mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s；
在步骤五中，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.6～1.0mm，电子束流为25mA～45mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s。
具体实施方式八：本实施方式是具体实施方式一所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的一个具体实施例。本实施方式中的TC4钛合金母材和镍铝青铜母材都是壁厚为1.5mm～5.0mm的管材，焊接的焊缝为环形对接焊缝，所述焊接方法的具体过程为：
步骤一、将待焊接的两根管材进行预处理；
步骤二、调节两根管材的环形对接面的相对位置，是两根管材的对接面之间的高度差小于0.2mm，并且所述对接面之间的缝隙小于0.1mm；然后采用夹具固定所述两根管材，是两根管材之间不能产生相对运动；
步骤三、将固定后的两根管材放入真空室内并开始抽真空，使得所述真空室内的真空度在5×10-2Pa至5×10-4Pa之内；
步骤四、电子束聚焦焊接的位置为两根管材的对接面之间的环形缝隙，对两根管材开始焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为15mA～50mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s，焊接行程为450度；
步骤五、将电子束聚焦位置向镍铝青铜合金管件侧移动0.2～1.0mm，并在此位置开始第二次焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为12mA～45mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s，焊接行程为450度；
步骤六、真空室冷却8min至12min，焊接完成。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，所述步骤一中所述的将待焊接的两根管材进行预处理，是指将所述两根管材的对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，所述用夹具固定所述两块管材的固定方式采用两端均匀加载的固定方式。分别对两根管材的端点施加压力，保证焊接过程中两根管材不发生移动。
具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，所述步骤五中所述的第二次焊接的焊接轨迹与步骤四的焊接轨迹相平行。
具体实施方式十二：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，本实施方式中，所述两根管材的壁厚为1.5mm～3.0mm，所述焊接方法与具体实施方式八的区别在于：
在步骤四中，电子束流为15mA～30mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s；
在步骤五中，将电子束聚焦位置向镍铝青铜合金管件侧移动0.2～0.6mm；焊接时的电子束流为12mA～25mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s。
具体实施方式十三：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法的进一步限定，本实施方式中，所述两根管材的壁厚为3.0mm～5.0mm，所述焊接方法与具体实施方式八的区别在于：
在步骤四中，电子束流为30mA～50mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s；
在步骤五中，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.6～1.0mm；焊接时的电子束流为25mA～45mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s。
Claims (10)
1.一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于所述焊接方法是在采用现有的电子束焊接方法对两种母材的对接面进行焊接完成之后，再采用电子束焊接方法在偏向镍铝青铜母材一侧、与焊缝距离0.2mm至1.0mm处进行第二次焊接，所述焊接的母材为TC4钛合金母材和镍铝青铜母材，其中TC4钛合金母材的成分为Al：6.2％(重量)、V：3.5％(重量)、杂质≤0.2％(重量)，余量为Ti；镍铝青铜合金母材的成分为Al：8.5～10.0％(重量)、Ni：4.0～5.0％(重量)、Fe：4.0～5.0％(重量)、Mn：0.8～2.5％(重量)，余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述TC4钛合金母材和镍铝青铜母材都是厚度为1.5mm～5.0mm的板材，所述焊接的具体过程为：
步骤一、将待焊接的两块板材进行预处理；
步骤二、调整两块板材的相对位置，使所述两块板材对接面的错边小于0.2mm，且对接面之间的缝隙小于0.1mm；然后用夹具固定所述两块板材，保持两块板材的相对位置不变；
步骤三、将固定完成的两块板材放入真空室内开始抽真空，使该真空室内的真空度在5×10-2Pa至5×10-4Pa之内；
步骤四、将电子束聚焦在两块板材的对接面的缝隙处，开始对该缝隙进行焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为15mA～50mA，焊接速度为4mm/s～12mm/s；
步骤五、步骤四完成之后，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.2～1.0mm，然后在此位置进行第二次焊接，焊接时的工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为12mA～45mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s；
步骤六、步骤五结束后，真空室冷却8min至12min，焊接完成。
3.根据权利要求2所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述两块板材的厚度为1.5mm～3.0mm，在焊接过程中：
在步骤四中，电子束流为15mA～30mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s；
在步骤五中，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.2～0.6mm，电子束流为12mA～25mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s。
4.根据权利要求2所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述两块板材的厚度为3.0mm～5.0mm，在焊接过程中：
在步骤四中，电子束流为30mA～50mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s；
在步骤五中，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.6～1.0mm，电子束流为25mA～45mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述TC4钛合金母材和镍铝青铜母材都是壁厚为1.5mm～5.0mm的管材，焊接的焊缝为环形对接焊缝，所述焊接过程为：
步骤一、将待焊接的两根管材进行预处理；
步骤二、调节两根管材的环形对接面的相对位置，是两根管材的对接面之间的高度差小于0.2mm，并且所述对接面之间的缝隙小于0.1mm；然后采用夹具固定所述两根管材，是两根管材之间不能产生相对运动；
步骤三、将固定后的两根管材放入真空室内并开始抽真空，使得所述真空室内的真空度在5×10-2Pa至5×10-4Pa之内；
步骤四、电子束聚焦焊接的位置为两根管材的对接面之间的环形缝隙，对两根管材开始焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为15mA～50mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s，焊接行程为450度；
步骤五、将电子束聚焦位置向镍铝青铜合金管件侧移动0.2～1.0mm，并在此位置开始第二次焊接，焊接时工作距离为150mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2590mA，电子束流为12mA～45mA，焊接速度为5mm/s～12mm/s，焊接行程为450度；
步骤六、真空室冷却8min至12min，焊接完成。
6.根据权利要求5所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述两根管材的壁厚为1.5mm～3.0mm，在焊接过程中：
在步骤四中，电子束流为15mA～30mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s；
在步骤五中，将电子束聚焦位置向镍铝青铜合金管件侧移动0.2～0.6mm；焊接时的电子束流为12mA～25mA，焊接速度为8mm/s～12mm/s。
7.根据权利要求5所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述两根管材的壁厚为3.0mm～5.0mm，在焊接过程中：
在步骤四中，电子束流为30mA～50mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s；
在步骤五中，将电子束的聚焦位置向镍铝青铜合金侧移动0.6～1.0mm；焊接时的电子束流为25mA～45mA，焊接速度为5mm/s～8mm/s。
8.根据权利要求2或5所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中所述的将待焊接的两根管材进行预处理，是指将所述两根管材的对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
9.根据权利要求2或5所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，步骤二中所述的用夹具固定，采用上表面加载或两端均匀加载的固定方式。
10.根据权利要求2或5所述的一种镍铝青铜与TC4钛合金异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤五中所述的第二次焊接的焊接轨迹与步骤四的焊接轨迹相平行。
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| 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 20081202 赵海生 QCr0..8/TC4异种材料电子束焊接工艺研究 第12页第2.1小节、第14页第3.1小节及第10页表2-1 1 , 2 * |
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