CN107297569A - 一种钛铜异质金属接头焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛铜异质金属接头焊接方法，属于金属材料界面焊接工艺领域。该方法是在钛材料与铜材料间加入中间层焊料，中间层焊料与钛材料结合界面为界面1，中间层焊料与铜材料结合界面为界面2，焊接热源焦点位于中间层焊料，焊接过程中保证焊接热源产生的热量传导到界面1时，其产生的温度高于钛的熔点，热量传导到界面2时，其产生的温度高于中间层焊料与铜的共晶温度，且界面1与界面2之间存在未熔化焊料层，中间层焊料是一种与熔化的钛材料和/或铜材料不产生金属间化合物的金属材料。该焊接方法避免钛铜金属间化合物的形成，可以同时形成钛‑铌和铜‑铌两个熔钎焊焊缝，得到的钛铜异质金属接头抗拉强度达到200‑240MPa，延伸率30‑40％，且不会在焊接界面形成断裂。

Description

一种钛铜异质金属接头焊接方法

技术领域

本发明属于金属材料界面焊接工艺领域，具体而言，涉及一种钛材料与铜材料构成的异质金属接头焊接方法。

背景技术

钛及钛合金具有轻质高强、良好的耐腐蚀、优良的高温性能及生物相容性等特点，被广泛的应用于航空航天、石油化工、生物医学等领域。铜及铜合金通常具有优良的导电、导热性能，良好的冷、热加工性能，高的抗氧化性及有机化学物质腐蚀的性能，在电气、电子、动力、化工等工业部门中应用广泛。Ti/Cu异种金属的优质高强连接，可以满足一些特殊构件的减重性和功能性要求，具有广阔的应用前景。但是Ti与Cu的物理化学性质差异巨大，焊接时易形成Ti-Cu系金属间化合物，严重降低接头的力学性能。现有的激光焊连接方法，如采取光束偏移或完全熔化中间层的方法，均无法避免焊缝中Ti-Cu系金属间化合物的产生，这已成为制约Ti/Cu异种金属结构广泛使用的主要技术瓶颈。因此，研究开发Ti/Cu异种金属连接技术具有重要的技术工程意义和广阔的应用前景。

现有专利201610391373.5《一种低温连接高温使用Cu/Sn/Cu钎焊界面的制备方法及结构》公开了以两层Sn作为Cu的中间层，施加压力，同时在一定温度下形成Cu-Sn金属间化合物，但是在《Cu-Sn界面上金属间化合物生长的抑制》(任峰高苏张启运金属学报2002年7月)一文中，公开了Cu-Sn界面形成η相(Cu₆Sn₅)微晶，并扩散至覆锡层表面，导致可焊性大幅度下降，并说明必须抑制Cu向Sn中的溶解和扩散，而加厚Sn层不能有效解决该难题，因此该专利在钎焊界面会形成Cu-Sn金属间化合物，这对材料的可焊性会产生不利影响。

专利201410449257.5《镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法及其夹具》公开了镍钛合金直接与铜合金焊接，通过对铜母材进行加热，利用铜合金流动性的特点实现铜合金与记忆合金的有效连接，并且需要在焊后对材料进行热处理，调节焊缝组织形貌和晶粒尺寸，由于铜会与其它元素互溶，可能会形成金属间化合物，降低镍钛合金与铜合金焊接处力学性能。

专利201610821139.1《一种钛铜层状电极复合材料的快速制备方法》公开了在钛箔与铜箔之间复合铝箔，通过超声固结将其压合，进而作为电极材料，由于是对材料厚度方向进行压合，且各层材料厚度极小，都小于0.2mm，根据该专利公开的附图可知，不存在各层材料的互溶，因此各层分界较明显，通过该方式得到的电极材料界面牢固性低于焊接方式，存在结合界面不牢固的缺陷。

专利201310428292.4《喷射沉积法制备钛包铜层状复合电极板的方法》公开了通过喷射沉积的方法在钛或铜板上沉积一层铜或钛，由于是铜直接与钛复合，易形成Ti-Cu系金属间化合物，存在界面结合强度不高的缺陷。

专利201610463909.X《一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法》公开了在不锈钢和钛合金之间添加铌作为中间层，将激光光斑焦点设置在钛合金上，精确控制激光焊接工艺参数，实现异种金属材料的焊接。该方法采用的是熔焊+接触反应钎焊方式，利用铌的热传导作用，同时由于钛合金和不锈钢的导热性能相差不大，在钛合金与铌接触面熔化同时，铌与不锈钢接触面的温度高于铌、铁的共晶温度，进而实现焊接，但是该方法只适合于导热性能相差不大的两种材料，当两种材料导热性相差极大情况下，会导致热量传导到Nb与导热性能高的材料接触界面时，由于热量被快速传递到材料本身，其接触界面温度达不到两种材料共晶温度点以上，焊料与导热性能高的材料无法焊接成功。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种焊接时不会形成Ti-Cu系金属间化合物、焊缝质量高的钛铜异质金属接头焊接方法。

为了实现本发明的上述目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得了如下技术方案：

一种钛铜异质金属接头焊接方法，在钛材料与铜材料间加入中间层焊料，中间层焊料与钛材料结合界面为界面1，中间层焊料与铜材料结合界面为界面2，焊接热源焦点位于中间层焊料，焊接过程中保证焊接热源产生的热量传导到界面1时，其产生的温度高于钛的熔点，热量传导到界面2时，其产生的温度高于中间层焊料与铜的共晶温度，且界面1与界面2之间存在未熔化焊料层，所述中间层焊料是一种与熔化的钛材料和/或铜材料不产生金属间化合物的金属材料。

如上所述的钛铜异质金属接头焊接方法，所述中间层焊料为Nb金属。

具体的，所述钛铜异质金属接头焊接方法，包括如下步骤：

a中间层焊料的确定：在钛材料与铜材料接触界面间加入Nb作为中间层焊料，保证界面1与界面2均不留间隙，Nb中间层焊料厚度为0.8-1.0mm，即界面1与界面2距离为0.8-1.0mm；

b热源位置确定：采用激光焊接方式，激光热源中心置于Nb中间层焊料上，到界面1的距离为0.4-0.6mm；

c热输出控制：控制激光热源中心输出的热量，使Nb中间层焊料靠近界面1和界面2的部分熔化，热量传导到界面1时，其产生的温度高于钛熔点，热量传导到界面2时，其产生的温度高于Nb-Cu共晶点温度，最终同时在界面1和界面2形成熔钎焊焊缝，得到高强度、高塑性的钛铜异质金属接头。

在进行c热输出控制步骤时，对熔化区及热影响区进行惰性气体保护。

优选地，所述Nb中间层焊料为纯Nb焊丝。

如上所述钛铜异质金属接头焊接方法，所述激光焊接中参数控制为：激光峰值功率1.5-1.7kW，脉冲宽度12-18ms，脉冲频率40-50Hz，焊接速度200-400mm/min，离焦量0-1mm，保护气体流量为正面12-18L/min，背面10-15L/min。

本发明中所述钛材料为纯钛或钛合金，所述铜材料为纯铜或铜合金。

本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：

(1)本发明基于钛与铌无限互溶，铌与铜有限固溶并发生共晶反应，铌与钛和铜反应无金属间化合物形成，通过精确控制中间层焊料厚度、焊接热输出参数以及热源中心在中间层焊料上的位置，在钛-铌、铜-铌两个熔钎焊焊缝之间存在一定厚度的未熔化的金属铌，未熔化的金属铌阻止钛、铜元素的相互扩散而形成脆性的钛铜金属间化合物；

(2)由于钛材料与铜材料导热性能相差极大，本发明巧妙利用了钛的熔点与Nb-Cu共晶温度点相差极小的特点，精确控制热源产生的热量，不但使钛与Nb接触界面熔化，且热量传递到Nb/Cu接触界面时，产生的温度高于Nb-Cu共晶温度，通过一次施焊，可以同时形成钛-铌和铜-铌两个熔钎焊焊缝的复合接头，焊缝界面结合性高；

(3)得到的钛铜异质金属接头具有高强度和高塑性，其抗拉强度达到200-240MPa，延伸率达到30-40％；

(4)得到的钛铜异质金属接头，其拉伸断裂位置位于Cu母材上，呈延性断裂模式，侧面说明了焊料与钛和铜的结合界面焊接牢固；

(5)纯Nb作为填充材料，具有强度较低、塑性好的特点，作为中间层焊料有利于实现焊接自动化，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明Ti/Cu异质金属接头脉冲激光焊诱发共晶反应焊接俯视示意图；

图2为本发明Ti/Cu异质金属接头脉冲激光焊诱发共晶反应焊接侧视示意图；

图3为本发明方法制备得到的Ti/Cu异质金属接头；

图4为本发明方法制备得到Ti/Cu异质金属接头的横截面形貌；

图5为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头Ti/Nb界面微观组织；

图6为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头熔化的中间层微观组织；

图7为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头Nb/Cu界面微观组织；

图8为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头拉伸断裂试样图；

图9为激光光斑位置在Ti/Nb界面时制备的Ti/Cu异质金属接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的保护范围不仅仅限于下述的实施例。

实施例1

对TC4型钛合金与纯Cu进行脉冲激光焊接，CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×1.2mm(厚)，将1mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间，铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙，铌中间层焊料厚度为0.8mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离)，将脉冲激光光斑置于距离Ti/Nb界面0.4mm处，在双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接，如图1和图2所示，通过脉冲激光参数控制，使得熔化控制在Ti/Nb界面附近区域，Ti/Nb界面与Nb/Cu界面之间存在未熔化的Nb层，依靠从熔池热传导提供的热量使Ti/Nb界面和Nb/Cu产生的温度分别高于Ti的熔点和Nb-Cu共晶温度，使得Ti/Nb界面和Nb/Cu界面为熔钎焊连接，最终得到钛铜异质金属接头。

其中脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.7kW，脉冲宽度15ms，脉冲频率50Hz，焊接速度200mm/min，离焦量1mm，双面保护气氛中，正面保护气流量18L/min，背面保护气流量10L/min。

得到的钛铜异质金属接头如图3所示，对接头的焊接处进行横截面的显微形貌观察得到如图4所示微观形貌，在铌中间层的热传导作用下，Ti/Nb界面温度高于Ti的熔点，Ti首先熔化，并润湿Nb金属使得部分Nb熔化，在Ti/Nb界面形成了熔钎焊特征，如图5所示；Cu-Nb界面附近温度达到铜、Nb的共晶温度(1675℃)，此时铜熔化并与Nb发生共晶反应，形成了具有共晶反应特征的熔钎焊接头，如图7所示；焊接过程中，在钛铌熔钎焊焊缝与Nb铜熔钎焊缝之间始终存在一定厚度未熔化的Nb，如图4、图5和图7所示，其作用是阻止钛、铜元素的相互扩散而形成脆性的钛铜金属间化合物。

由图5、图6和图7可以看出，焊接处的显微结构中无任何金属间化合物存在。

对钛铜异质金属接头按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学拉伸测试，接头抗拉强度为225MPa，断后伸长率为34％，且接头拉断后如图8所示，其断裂是发生在铜母材上，说明Nb分别与铜母材和钛材料的焊接界面力学强度要高于铜母材，间接说明Nb与钛和铜的结合界面焊接牢固。

实施例2

对TC4型钛合金与纯Cu进行脉冲激光焊接，CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚)，将0.8mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间，铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙，铌中间层焊料宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离)，将脉冲激光光斑置于距离Ti/Nb界面0.6mm处，双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接，脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.5kW，脉冲宽度12ms，脉冲频率40Hz，焊接速度400mm/min，离焦量0mm，双面保护气氛中，正面保护气流量18L/min，背面保护气流量10L/min，脉冲激光焊接后，得到钛铜异质金属接头。

对钛铜异质金属接头进行显微观察，可以得到如实施例1中所示相同的显微图像。

对钛铜异质金属接头进行如实施例1所示的力学拉伸测试，其接头抗拉强度为232MPa，延伸率为34％，且拉伸实验中，断裂发生在铜母材上。

实施例3

对TC4型钛合金与纯Cu进行脉冲激光焊接，CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚)，将1.2mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间，铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙，铌中间层焊料宽度为0.8mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离)，将脉冲激光光斑置于距离Ti/Nb界面0.5mm处，双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接，得到钛铜异质金属接头。

脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.5kW，脉冲宽度18ms，脉冲频率50Hz，焊接速度300mm/min，离焦量0.3mm，双面保护气氛中，正面保护气流量16L/min，背面保护气流量14L/min。

对钛铜异质金属接头进行显微观察，可以得到如实施例1中所示相同的显微图像。

对钛铜异质金属接头进行如实施例1所示的力学拉伸测试，其接头抗拉强度为236MPa，延伸率为32％，且拉伸实验中，断裂发生在铜母材上。

对比例1(无纯Nb中间层焊料的钛铜异质金属直接焊接)

选取CT4型钛合金板与纯铜板，两者尺寸规格相同，都为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚)，对TC4型钛合金与纯Cu进行异质脉冲激光直接接触焊接，脉冲激光光斑位于Ti/Cu界面上，双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接，脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.5kW，脉冲宽度12ms，脉冲频率40Hz，焊接速度400mm/min，离焦量0mm，双面保护气氛中，正面保护气流量18L/min，背面保护气流量10L/min。

结果发现，由于钛合金与铜的导热性能相差极大，在焊接结束后，接头焊接处即发生断裂。

对比例2(改变脉冲激光光斑位置在Ti/Nb界面的钛合金一侧)

选取CT4型钛合金板与纯铜板，两者尺寸规格相同，都为100mm(长)×50mm(宽)×1.2mm(厚)，将厚度为1.2mm的铌中间层置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间，铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙，且铌中间层宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离)，为将脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面的钛合金母材上，距离Ti/Nb界面0.3mm处，在双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接。

脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.5kW，脉冲宽度12ms，脉冲频率40Hz，焊接速度400mm/min，离焦量0mm，双面保护气氛中，正面保护气流量18L/min，背面保护气流量10L/min。

通过实验发现，由于脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面的钛合金一侧，而铜的热传导系数远大于钛合金的，因此传递到Nb/Cu界面的热量迅速向铜板整体传递，导致Cu-Nb界面温度过低，未能实现Cu/Nb界面的牢固结合。

对比例3(改变脉冲激光光斑位置在Ti/Nb界面)

选取CT4型钛合金板与纯铜板，两者尺寸规格相同，都为100mm(长)×50mm(宽)×1.2mm(厚)，将厚度为1.2mm的铌中间层置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间，铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙，且铌中间层宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离)，为将脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面上，在双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接。

脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.5kW，脉冲宽度12ms，脉冲频率40Hz，焊接速度400mm/min，离焦量0mm，双面保护气氛中，正面保护气流量18L/min，背面保护气流量10L/min。

得到的钛铜异质金属接头如图9所示，虽然脉冲激光光斑在Ti/Nb界面，但是铜导热性能极强，Cu-Nb界面温度过低，焊接结束后发现无法实现Cu/Nb的有效结合。

对比例4(改变脉冲激光光斑位置在Nb中间层靠近钛一侧)

对TC4型钛合金与纯Cu进行异种材料脉冲激光焊接，CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚)，将1.2mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间，铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙，铌中间层焊料宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离)，将脉冲激光光斑置于铌中间层上，且距离Ti/Nb界面0.2mm处，双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接，脉冲激光焊接工艺参数为：激光峰值功率1.5kW，脉冲宽度12ms，脉冲频率40Hz，焊接速度400mm/min，离焦量0mm，双面保护气氛中，正面保护气流量18L/min，背面保护气流量10L/min。

由于脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面靠近钛合金一侧，铜的热传导系数与钛合金的相差极大，发现传递到Nb/Cu界面的热量迅速向铜板整体传递，导致Cu-Nb界面温度过低，未能实现Cu/Nb界面的有效结合。

对比例5

其它参数和处理步骤与对比例2的相同，将其中的纯铜板替换为相同规格的不锈钢板，结果发现在不锈钢/铌界面形成共晶反应物，且不不锈钢与Nb焊接界面未出现焊接不牢靠和虚焊情况，不锈钢与Nb实现了有效结合。

由上述对比例1-5可以看出，将铜和钛两种热传导性能相差极大的金属材料进行焊接，当两者直接焊接时，存在接头直接断裂的现象，加入热传导性能高的中间焊料时，激光焊接中心的位置选择不合适情况下，存在焊料与热传导性能高的材料界面温度过低，焊接界面不牢固，易产生虚焊甚至无法焊接，而对于热传导性能相差不大的异种金属进行焊接时，则不存在上述问题。

Claims (7)

1.一种钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于：在钛材料与铜材料间加入中间层焊料，中间层焊料与钛材料结合界面为界面1，中间层焊料与铜材料结合界面为界面2，焊接热源焦点位于中间层焊料，焊接过程中保证焊接热源产生的热量传导到界面1时，其产生的温度高于钛的熔点，热量传导到界面2时，其产生的温度高于中间层焊料与铜的共晶温度，且界面1与界面2之间存在未熔化焊料层，所述中间层焊料是一种与熔化的钛材料和/或铜材料不产生金属间化合物的金属材料。

2.根据权利要求1所述钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于：所述中间层焊料为Nb金属。

3.根据权利要求1或2所述钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于包括如下步骤：

a中间层焊料的确定：在钛材料与铜材料接触界面间加入Nb作为中间层焊料，保证界面1与界面2均不留间隙，Nb中间层焊料厚度为0.8-1.0mm；

b热源位置确定：采用激光焊接方式，激光热源中心置于Nb中间层焊料上，到界面1的距离为0.4-0.6mm；

c热输出控制：控制激光热源中心输出的热量，使Nb中间层焊料靠近界面1和界面2的部分熔化，热量传导到界面1时，其产生的温度高于钛熔点，热量传导到界面2时，其产生的温度高于Nb-Cu共晶点温度，最终同时在界面1和界面2形成熔钎焊焊缝。

4.根据权利要求3所述钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于：所述Nb中间层焊料为纯Nb焊丝。

5.根据权利要求3所述钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于：在进行c热输出控制步骤时，对熔化区及热影响区进行惰性气体保护。

6.根据权利要求3所述钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于：所述激光焊接中参数控制为：激光峰值功率1.5-1.7kW，脉冲宽度12-18ms，脉冲频率40-50Hz，焊接速度200-400mm/min，离焦量0-1mm，保护气体流量为正面12-18L/min，背面10-15L/min。

7.根据权利要求3所述钛铜异质金属接头焊接方法，其特征在于：所述钛材料为纯钛或钛合金，所述铜材料为纯铜或铜合金。