CN102059443B - 一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，它涉及一种钛金属材料与铜或铜合金焊接工艺。本发明解决了钛金属材料与铜或铜合金焊接的接头中存在脆性化合物，接头强度低和塑性差的问题。步骤为：在专用模具内，填装钒粉和铜粉均匀混合的粉末，混合粉末在压力机冲头的作用下冷压成形，压制后填充层金属厚度为0.5-2.0mm，将压制成形的填充层放入真空加热炉中进行扩散处理，填充层为钒铜合金层；在钛金属材料与铜或铜合金对接缝内预置钒铜合金层，用TIG点焊固定，点焊固定后进行超声波清洗，再酸洗，待干燥后置于真空电子束焊接真空室内；采用电子束进行焊接，焊接时束流作用点位于钒铜合金层上。本发明适用于钛金属材料与铜或铜合金焊接中。

Description

一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种钛金属材料与铜或铜合金焊接工艺，具体涉及一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，属于异种难焊金属焊接技术领域。
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，进一步增强其快捷机动性能。采用钛合金取代钢质体与铜合金相连接用于发动机推力室身部制造，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。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、及医疗设备等也经常用到钛合金与铜合金的复合构件。采用焊接技术实现钛合金与铜合金的连接是最可靠的。对于钛合金与铜合金的焊接，由于熔化焊时接头产生大量连续分布的脆性金属间化合物，使得接头强度低，塑性差。而钎焊、扩散焊、摩擦焊接头则在使用中受到强度、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。电子束焊接作为一种高能量密度的熔化焊接方法，由于焊缝深宽比大，焊缝尺寸小，能够控制接头金属的熔合比，便于通过预置过渡金属，实现焊缝合金化，易于对厚板进行焊接，是最具有应用前景的钛和铜的熔化焊方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决钛金属材料与铜或铜合金焊接的接头中存在脆性化合物，接头强度低和塑性差的问题，进而提供一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺。
本发明的技术方案是：一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺的步骤为：
步骤一、制作填充材料，在专用模具内，填装钒粉和铜粉均匀混合的粉末，混合粉末中钒粉的质量百分比为20-70％，余量为铜粉，混合粉末在压力机冲头的作用下冷压成形，压力为500-700Mpa，压制后填充层金属厚度为0.5-2.0mm，将压制成形的填充层放入真空加热炉中，在温度830-970℃，保温时间1-6h进行扩散处理，制成填充层，所述填充层为钒铜合金层；
步骤二、在钛金属材料与铜或铜合金对接缝内预置钒铜合金层，并用TIG点焊固定，使钒铜合金层的中间断面与对接面之间的距离低于0.15mm，点焊固定后进行超声波清洗，再进行酸洗，待干燥后用夹具固定并置于真空电子束焊接真空室内；
步骤三：待真空室真空度达到4.5×10-5Pa时，采用电子束进行焊接，焊接时束流作用点位于钒铜合金层上，且束流作用点到钒铜合金层与钛金属材料接触面之间的距离为0.2-2.0mm，焊接参数：加速电压为50-60KV，聚焦电流为2400-2500mA，束流为10-30mA。
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明通过在钛金属材料与铜或铜合金对接缝内预置钒铜合金层，消除了接头中存在的脆性化合物，提高了接头强度和塑性，接头的抗拉强度达到300-400MPa。采用本发明方法实施的焊接接头内部无裂纹，焊缝平滑。本发明还具有工艺简单和易控制的优点。
附图说明
图1是填充材料冷压成形过程示意图(图中P为压力，1为专用模具，2为压力机冲头2，3为钒铜合金层)，图2是在钛金属材料与铜或铜合金对接缝内预置钒铜合金层的示意图(图中3为钒铜合金层、4为钛金属材料、5为铜或铜合金)，图3是电子束流作用位置示意图(图中3为钒铜合金层、4为钛金属材料、5为铜或铜合金)，图4是实施例1的近钛侧焊缝区显微组织形貌图，图5是实施例1的近铜侧焊缝区显微组织形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺的步骤为：
步骤一、制作填充材料，在专用模具1内，填装钒粉和铜粉均匀混合的粉末，混合粉末中钒粉的质量百分比为20-70％，余量为铜粉，混合粉末在压力机冲头2的作用下冷压成形，压力为500-700Mpa，压制后填充层金属厚度为0.5-2.0mm，将压制成形的填充层放入真空加热炉中，在温度830-970℃，保温时间1-6h进行扩散处理，制成填充层，所述填充层为钒铜合金层3；
步骤二、在钛金属材料4与铜或铜合金5对接缝内预置钒铜合金层3，并用TIG点焊固定，使钒铜合金层3的中间断面与对接面之间的距离低于0.15mm，点焊固定后进行超声波清洗，再进行酸洗，待干燥后用夹具固定并置于真空电子束焊接真空室内；
步骤三：待真空室真空度达到4.5×10-5Pa时，采用电子束进行焊接，焊接时束流作用点位于钒铜合金层3上，且束流作用点到钒铜合金层3与钛金属材料4接触面之间的距离为0.2-2.0mm，焊接参数：加速电压为50-60KV，聚焦电流为2400-2500mA，束流为10-30mA。
具体实施方式二：本实施方式的步骤一中的钒粉和铜粉的纯度均在99.9％以上。其它条件和步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的步骤一中的铜粉粒度200-500目，钒粉粒度200-500目。便于成形。其它条件和步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式的步骤一中的钒粉的质量百分比为20-40％。其它条件和步骤与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式的步骤一中的钒粉的质量百分比为40-50％。其它条件和步骤与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式六：本实施方式的步骤一中的钒粉的质量百分比为50-70％。其它条件和步骤与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式七：本实施方式的步骤一中的冷压成形的压力为500-600Mpa。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式的步骤一中的冷压成形的压力为600-700Mpa。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式九：本实施方式的步骤一中的扩散处理的温度为830-860℃，保温时间为5-6h。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式的步骤一中的扩散处理的温度为860-920℃，保温时间为4-5h。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十一：本实施方式的步骤一中的扩散处理的温度为920-970℃，保温时间为2-3h。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十二：本实施方式的步骤二中采用丙酮进行超声波清洗。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九、十或十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式的步骤二中酸洗的步骤为：室温下在每升水中含有200g HNO3，30g HF的水溶液中进行，酸洗时间为1-4min，然后采用高速水流进行冲洗，水流速度为30-50m/s。室温为20-25℃。其它条件和步骤与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一或十二相同。
实施例1：待焊板材规格为50mm×25mm×2.5mm，钒铜合金层厚度1.7mm，长50mm，宽2.5mm，钒粉和铜粉的纯度高于99.95％，钒粉质量百分比为25％，余为铜粉，压制压力575MPa。扩散处理参数：温度960℃，保温时间2h。钛合金牌号为TA15，成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，铜合金为QCr0.8铬青铜。焊前将钒铜合金层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使钒铜合金层的中间断面与对接面之间的距离低于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在每升水中含有200g HNO3，30g HF的水溶液中进行，酸洗时间为1-4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10-5Pa，即进行焊接。焊接时束流作用点位于钒铜合金层上，并距填充层与钛合金接触面0.35mm。焊接参数为：加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流15mA，焊接速度360mm/min。图4所示为钛侧焊缝区显微组织形貌，由钛钒固溶体和铜基固溶体组成，图5所示为铜侧焊缝区显微组织形貌，在靠近铜母材的区域由铜和钒基固溶体组成，可见，通过该工艺接头中无脆性化合物生成，接头抗拉强度为300MPa，断裂发生于钛合金熔合线处。
实施例2：待焊板材规格为50mm×25mm×5mm，钒铜合金层厚度1.7mm，长50mm，宽5mm。钒粉和铜粉的纯度高于99.95％，合金层厚度0.8mm，钒粉质量百分比为33％，余为铜粉，压制压力575MPa。扩散处理参数：温度960℃，保温时间4h。钛合金牌号为TA15，成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，铜合金为QCr0.8铬青铜。焊前将钒铜合金层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使钒铜合金层的中间断面与对接面之间的距离低于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在每升水中含有200g HNO3，30g HF的水溶液中进行，酸洗时间为1-4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10-5Pa，即进行焊接。焊接时束流作用点位于钒铜合金层上，并距填充层/钛合金接触面0.35mm。焊接参数为：加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流15mA，焊接速度360mm/min。接头抗拉强度为380MPa，断裂发生于铜母材热影响区上。
实施例3：待焊板材规格为50mm×25mm×5mm，钒铜合金层厚度1.7mm，长50mm，宽5mm。钒粉和铜粉的纯度高于99.95％，合金层厚度0.8mm，钒粉质量百分比为50％，余量为Cu，压制压力575MPa。扩散处理参数：温度960℃，保温时间4h。钛合金牌号为TA15，成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，铜合金为QCr0.8铬青铜。焊前将填充层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使钒铜合金层的中间断面与对接面之间的距离低于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在每升水中含有200g HNO3，30g HF的水溶液中进行，酸洗时间为1-4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10-5Pa，即进行焊接。焊接时束流作用点位于钒铜合金层上，并距填充层/钛合金接触面0.35mm。焊接参数为：加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流15mA，焊接速度360mm/min。接头抗拉强度为385MPa，断裂发生于铜母材热影响区上。
实施例4：待焊板材规格为50mm×25mm×5mm，钒铜合金层厚度1.7mm，长50mm，宽2.5mm。钒粉和铜粉的纯度高于99.95％，合金层厚度1.0mm，钒粉质量百分比为50％，余量为Cu，压制压力575MPa。扩散处理参数：温度960℃，保温时间4h。钛合金牌号为TB5，成分为：Ti-15V-3Cr-3Al，铜合金为QCr0.8铬青铜。焊前将填充层置于对接缝中，刚性固定于夹具内，用TIG点焊固定，使钒铜合金层的中间断面与对接面之间的距离低于0.1mm。点固后，先在丙酮中进行超声波清洗，再分别进行酸洗。酸洗步骤如下：室温下在每升水中含有200g HNO3，30g HF的水溶液中进行，酸洗时间为1-4min，然后采用高速水流进行冲洗。待干燥后固定在带成形槽的夹具内，置于真空电子束焊机真空室内，待真空室真空度达到4.5×10-5Pa，即进行焊接。焊接时束流作用点位于钒铜合金层上，并距填充层/钛合金接触面0.35mm。焊接参数为：加速电压55kV，聚焦电流2450mA，束流15mA，焊接速度360mm/min。接头抗拉强度为365MPa，断裂发生于铜母材热影响区上。

Claims (10)

1.一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：焊接工艺的步骤为：
步骤一、制作填充材料，在专用模具(1)内，填装钒粉和铜粉均匀混合的粉末，混合粉末中钒粉的质量百分比为20-70％，余量为铜粉，混合粉末在压力机冲头(2)的作用下冷压成形，压力为500-700Mpa，压制后填充层金属厚度为0.5-2.0mm，将压制成形的填充层放入真空加热炉中，在温度830-970℃，保温时间1-6h进行扩散处理，制成填充层，所述填充层为钒铜合金层(3)；
步骤二、在钛金属材料(4)与铜或铜合金(5)对接缝内预置钒铜合金层(3)，并用TIG点焊固定，使钒铜合金层(3)的中间断面与对接面之间的距离低于0.15mm，点焊固定后进行超声波清洗，再进行酸洗，待干燥后用夹具固定并置于真空电子束焊接真空室内；
步骤三：待真空室真空度达到4.5×10-5Pa时，采用电子束进行焊接，焊接时束流作用点位于钒铜合金层(3)上，且束流作用点到钒铜合金层(3)与钛金属材料(4)接触面之间的距离为0.2-2.0mm，焊接参数：加速电压为50-60KV，聚焦电流为2400-2500mA，束流为10-30mA。
2.根据权利要求1所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的钒粉和铜粉的纯度均在99.9％以上。
3.根据权利要求1或2所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的铜粉粒度200-500目，钒粉粒度200-500目。
4.根据权利要求1所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的钒粉的质量百分比为20-40％。
5.根据权利要求1所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的钒粉的质量百分比为40-50％。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的冷压成形的压力为500-600Mpa。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的冷压成形的压力为600-700Mpa。
8.根据权利要求6所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤一中的扩散处理的温度为860-920℃，保温时间为4-5h。
9.根据权利要求1所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤二中采用丙酮进行超声波清洗。
10.根据权利要求1或9所述的一种钛金属材料与铜或铜合金高强度电子束焊接工艺，其特征在于：步骤二中酸洗的步骤为：室温下在每升水中含有200g HNO3，30g HF的水溶液中进行，酸洗时间为1-4min，然后采用高速水流进行冲洗，水流速度为30-50m/s。
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Termination date: 20121228