CN106271060A - 一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，包括以下步骤：一、在显微镜下去除薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的毛刺，研磨抛光后进行超声清洗；二、焊前组装，得到组装件；三、将组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的待焊接部位，将卡盘安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管充入惰性保护气体，利用车床旋转转轴，同时发射激光束，得到薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的焊接结构。本发明能够克服现有技术焊接钽与铁镍合金薄壁零件时，零件变形、铁镍合金零件发生烧损、流失、蒸发的不足和缺陷，特别适合钽和铁镍合金薄壁零件的高强度连接。

Description

一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法
技术领域
本发明属于金属管材焊接技术领域，具体涉及一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法。
背景技术
钽密度大、熔点高、耐腐蚀性能优异、强度高、加工性能优良、塑性、延展性好，是一种重要的战略物资，是电子、冶金、化工、航空航天、机械、超导技术等领域的重要功能材料。
铁镍合金，是结合我国的陶瓷特点研制的陶瓷封接合金，在-60℃～+600℃温度范围内具有与95％Al2O3陶瓷相近的线膨胀系数。主要用于和陶瓷进行匹配封接，是电真空工业中重要的封接结构材料。为了更加充分地发挥铁镍合金的封接作用及钽材的优势，使其在高科技领域如航天航空、军工、超导技术等领域中发挥重要作用，需要采用有效的焊接技术，获得高质量高可靠的钽与铁镍合金异种金属焊接接头。
钽与铁镍合金熔点相差悬殊，焊接时容易造成低熔点铁镍合金的烧损、流失、蒸发，并且由于零件为薄壁零件，焊接时容易产生变形。此外，钽与铁在高温下会形成一些脆性金属间化合物，大大降低焊接质量，严重时甚至会导致焊缝开裂失效。
因此，如何将钽管与铁镍合金管进行高效焊接，是本领域技术人员亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法。该方法能够实现钽与铁镍合金零件的高质量高可靠连接。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，该方法所采用的焊接工装包括卡盘、转轴、挡板和保护罩，所述转轴包括轴杆、设置于轴杆一端的夹持部和设置于轴杆另一端的旋紧部，所述夹持部与卡盘连接，所述轴杆与夹持部之间设置有第一环形凸台和第二环形凸台，所述第一环形凸台的外径大于第二环形凸台的外径，所述第二环形凸台的外径不小于薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的外径，所述保护罩设置在第一环形凸台的侧部，所述第二环形凸台、轴杆和旋紧部均位于保护罩内，所述挡板通过与所述旋紧部螺纹连接的螺母拆卸式套设在旋紧部上，所述保护罩上开设有焊接孔和进气孔，所述进气孔与进气管连接；该方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管和薄壁铁镍合金管置于无水乙醇中进行超声清洗；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的待焊接部位对接后套装在轴杆上，再利用挡板固定薄壁钽管和薄壁铁镍合金管，然后套装保护罩，并使薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的待焊接部位正对焊接孔，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的待焊接部位，将卡盘安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管充入惰性保护气体，在惰性保护气体流量为10L/min～30L/min的条件下充气1min～3min后，利用车床旋转转轴，同时发射激光束，使薄壁钽管和薄壁铁镍合金管在焊接功率为100W～300W，旋转速率为5r/s～10r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的焊接结构。
上述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，所述保护罩的下部安装有固定支柱。
上述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤一中所述超声清洗的温度为60℃，所述超声清洗的时间为30min。
上述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤一中所述薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的外径均为5mm～20mm，壁厚均为0.2mm～0.5mm，长度均为20mm～200mm。
上述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤一中所述薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的同轴度公差不大于0.05mm。
上述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤三中所述惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明能够实现钽与铁镍合金异种金属薄壁管材的高强度高可靠连接，接头连接紧密，热影响区窄，几乎没有发生变形，特别适用于钽与铁镍合金薄壁零件的焊接。
2、本发明焊接过程不需要在真空下操作，不需要进行去磁处理和射线防护，且激光束可以进行控制，操作简便，焊接效率高。
3、利用本发明制备的焊接接头主要由Fe、Ni、Co固溶体和少量的Fe2Ta组成，接头具有较高的强度，接头强度可以达到210MPa。
综上所述，本发明能够克服现有技术焊接钽与铁镍合金薄壁零件时，零件变形、铁镍合金零件发生烧损、流失、蒸发的不足和缺陷，特别适合钽和铁镍合金薄壁零件的高强度连接。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明焊接工装的结构示意图。
图2为本发明转轴的结构示意图。
附图标记说明:
1—卡盘； 2—转轴； 2-1—夹持部；
2-2—第一环形凸台； 2-3—第二环形凸台； 2-4—轴杆；
2-5—旋紧部； 3—薄壁钽管； 4—薄壁铁镍合金管；
5—挡板； 6—螺母； 7—保护罩；
8—进气管； 9—固定支柱。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明对薄壁钽管与薄壁铁镍合金管进行激光焊接时所采用的焊接工装包括卡盘1、转轴2、挡板5和保护罩7，所述转轴2包括轴杆2-4、设置于轴杆2-4一端的夹持部2-1和设置于轴杆2-4另一端的旋紧部2-5，所述夹持部2-1与卡盘1连接，所述轴杆2-4与夹持部2-1之间设置有第一环形凸台2-2和第二环形凸台2-3，所述第一环形凸台2-2的外径大于第二环形凸台2-3的外径，所述第二环形凸台2-3的外径不小于薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径，所述保护罩7设置在第一环形凸台2-2的侧部，所述第二环形凸台2-3、轴杆2-4和旋紧部2-5均位于保护罩7内，所述挡板5通过与所述旋紧部2-5螺纹连接的螺母6拆卸式套设在旋紧部2-5上，所述保护罩7上开设有焊接孔7-1和进气孔，所述保护罩7的下部安装有固定支柱9；所述进气孔与进气管8连接。
实施例1
结合图1和图2，本实施例薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4置于无水乙醇中进行超声清洗，超声清洗的温度为60℃，超声清洗的时间为30min；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径和壁厚均相等；薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径均为20mm，壁厚均为0.3mm，长度均为60mm；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的同轴度公差不大于0.05mm；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位对接后套装在轴杆2-4上，再利用挡板5固定薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4，然后套装保护罩7，并使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位正对焊接孔7-1，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔7-1以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位，将卡盘1安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管8充入惰性保护气体，惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气在惰性保护气体流量为20L/min的条件下充气2min后，利用车床旋转转轴2，同时发射激光束，使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4在焊接功率为150W，旋转速率为7r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管与薄壁铁镍合金管焊接结构。
本实施例通过激光焊接使钽与铁镍合金之间形成了明显的焊接层，焊接接头的强度达到180MPa。
实施例2
结合图1和图2，本实施例薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4置于无水乙醇中进行超声清洗，超声清洗的温度为60℃，超声清洗的时间为30min；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径和壁厚均相等；薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径均为6mm，壁厚均为0.5mm，长度均为80mm；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的同轴度公差不大于0.05mm；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位对接后套装在轴杆2-4上，再利用挡板5固定薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4，然后套装保护罩7，并使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位正对焊接孔7-1，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔7-1以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位，将卡盘1安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管8充入惰性保护气体，惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气在惰性保护气体流量为25L/min的条件下充气3min后，利用车床旋转转轴2，同时发射激光束，使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4在焊接功率为230W，旋转速率为6r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管与薄壁铁镍合金管焊接结构。
本实施例通过激光焊接使钽与铁镍合金之间形成了明显的焊接层，焊接接头的强度达到175MPa。
实施例3
结合图1和图2，本实施例薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4置于无水乙醇中进行超声清洗，超声清洗的温度为60℃，超声清洗的时间为30min；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径和壁厚均相等；薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径均为12mm，壁厚均为0.5mm，长度均为100mm；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的同轴度公差不大于0.05mm；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位对接后套装在轴杆2-4上，再利用挡板5固定薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4，然后套装保护罩7，并使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位正对焊接孔7-1，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔7-1以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位，将卡盘1安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管8充入惰性保护气体，惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气，在惰性保护气体流量为10L/min的条件下充气3min后，利用车床旋转转轴2，同时发射激光束，使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4在焊接功率为100W，旋转速率为8r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管与薄壁铁镍合金管焊接结构。
本实施例通过激光焊接使钽与铁镍合金之间形成了明显的焊接层，焊接接头的强度达到195MPa。
实施例4
结合图1和图2，本实施例薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4置于无水乙醇中进行超声清洗，超声清洗的温度为60℃，超声清洗的时间为30min；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径和壁厚均相等；薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径均为20mm，壁厚均为0.5mm，长度均为200mm；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的同轴度公差不大于0.05mm；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位对接后套装在轴杆2-4上，再利用挡板5固定薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4，然后套装保护罩7，并使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位正对焊接孔7-1，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔7-1以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位，将卡盘1安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管8充入惰性保护气体，惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气在惰性保护气体流量为30L/min的条件下充气3min后，利用车床旋转转轴2，同时发射激光束，使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4在焊接功率为300W，旋转速率为10r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管与薄壁铁镍合金管焊接结构。
本实施例通过激光焊接使钽与铁镍合金之间形成了一层明显的焊接层，焊接接头的强度达到190MPa。
实施例5
结合图1和图2，本实施例薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4置于无水乙醇中进行超声清洗，超声清洗的温度为60℃，超声清洗的时间为30min；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径和壁厚均相等；薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的外径均为5mm，壁厚均为0.2mm，长度均为20mm；所述薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的同轴度公差不大于0.05mm；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位对接后套装在轴杆2-4上，再利用挡板5固定薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4，然后套装保护罩7，并使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位正对焊接孔7-1，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔7-1以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4的待焊接部位，将卡盘1安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管8充入惰性保护气体，惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气在惰性保护气体流量为15L/min的条件下充气1.5min后，利用车床旋转转轴2，同时发射激光束，使薄壁钽管3和薄壁铁镍合金管4在焊接功率为280W，旋转速率为5r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管与薄壁铁镍合金管焊接结构。
本实施例通过激光焊接使钽与铁镍合金之间形成了明显的焊接层，焊接接头的强度达到210MPa。
本发明中所述的激光设备为现有成熟设备，本发明具体实施方式中所采用的激光设备为TruDisk激光器。具体实施过程中还可采用其他厂家、型号的激光设备。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，该方法所采用的焊接工装包括卡盘(1)、转轴(2)、挡板(5)和保护罩(7)，所述转轴(2)包括轴杆(2-4)、设置于轴杆(2-4)一端的夹持部(2-1)和设置于轴杆(2-4)另一端的旋紧部(2-5)，所述夹持部(2-1)与卡盘(1)连接，所述轴杆(2-4)与夹持部(2-1)之间设置有第一环形凸台(2-2)和第二环形凸台(2-3)，所述第一环形凸台(2-2)的外径大于第二环形凸台(2-3)的外径，所述第二环形凸台(2-3)的外径不小于薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的外径，所述保护罩(7)设置于第一环形凸台(2-2)的侧部，所述第二环形凸台(2-3)、轴杆(2-4)和旋紧部(2-5)均位于保护罩(7)内，所述挡板(5)通过与所述旋紧部(2-5)螺纹连接的螺母(6)拆卸式套设在旋紧部(2-5)上，所述保护罩(7)上开设有焊接孔(7-1)和进气孔，所述进气孔与进气管(8)连接；该方法包括以下步骤：
步骤一、焊前清理：在显微镜下去除薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的毛刺，再对去除毛刺后的薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的待焊接部位进行研磨抛光，然后将研磨抛光后的薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)置于无水乙醇中进行超声清洗；
步骤二、焊前组装：将薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的待焊接部位对接后套装在轴杆(2-4)上，再利用挡板(5)固定薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)，然后套装保护罩(7)，并使薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的待焊接部位正对焊接孔(7-1)，得到组装件；
步骤三、激光焊接：将步骤二中所述组装件置于激光设备的焊接室内，将激光发生器正对焊接孔(7-1)以使其发出的激光光束能射至薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的待焊接部位，将卡盘(1)安装在车床上，然后关闭焊接室，由进气管(8)充入惰性保护气体，在惰性保护气体流量为10L/min～30L/min的条件下充气1min～3min后，利用车床旋转转轴(2)，同时发射激光束，使薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)在焊接功率为100W～300W，旋转速率为5r/s～10r/s的条件下进行激光焊接，最终得到薄壁钽管和薄壁铁镍合金管的焊接结构。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，所述保护罩(7)的下部安装有固定支柱(9)。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤一中所述超声清洗的温度为60℃，所述超声清洗的时间为30min。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤一中所述薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的外径均为5mm～20mm，壁厚均为0.2mm～0.5mm，长度均为20mm～200mm。
5.根据权利要求1所述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤一中所述薄壁钽管(3)和薄壁铁镍合金管(4)的同轴度公差不大于0.05mm。
6.根据权利要求1所述的一种薄壁钽管与薄壁铁镍合金管的激光焊接方法，其特征在于，步骤三中所述惰性保护气体为质量纯度不小于99.99％的高纯氩气。
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