CN108637447B - 一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，具体包括如下步骤：（1）取钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔，将其表面清洁干净；（2）将经过表面清理的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔交替对接放置；（3）焊接：将放置好的试样固定在夹具中，夹紧，真空室内采用电子束焊机进行焊接。本发明异种金属焊接方法，采用双过渡层，通过调整焊接工艺参数及材料选择在焊缝处形成固溶体过渡，从而阻止钛、铁元素相互扩散，避免脆性化合物的形成，所得焊缝具有硬度较低，抗拉强度高，无气孔及裂纹等优点。

Description

一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金与可伐合金的焊接方法，特别是一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊接方法，属于材料焊(连)接技术领域。

背景技术

钛和钛合金由于其高强韧性、高的熔点、极好的腐蚀性能和低密度被广泛应用于石油化工、低温和航空工业。可伐合金是一种与硅硼硬玻璃线膨胀系数相似，拥有不错的低温组织稳定性的合金，居里点较高，是国际上通用的硬玻璃封接合金，其主要应用于电真空元件制造以及封装领域。

微型金属杜瓦装置为红外焦平面探测器的低温工作环境提供良好的电、机、热、光传输通道，是红外焦平面探测器封装和保护的关键装置。钛合金与可伐合金是制造杜瓦装置的主要材料。但是，针对杜瓦材料所使用的钛合金与可伐合金异种金属之间的焊接却存在较多的问题，主要是因为不同金属材料在物理与化学性能上的差异(如膨胀系数、比热容、热导率、熔点、化学成分等的差异)会导致焊接接头形成较大的残余应力。而且，Ti元素与可伐合金中的Fe、Ni元素极易形成大量TiFe、TiFe₂等脆性相，导致焊件在焊接应力作用下断裂。

如何解决钛、钛合金和可伐合金之间的焊接问题成了提升关键电子元件的技术重点、难点，如果能够解决两者之间的结合困难问题，那么就可以显著提升相关设备、元器件的稳定性、精确度等，使之达到更加优秀的水平。

2017年10月，在国际钢铁研究学报上发表了一篇名为钛合金与可伐合金异种金属扩散焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15～30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至5×10^-1Pa以下；以10℃/min的速率升温，将炉温升至一定温度后，进行初次保温保压，促进界面接触；然后降低压力，升温至扩散焊接温度700-850℃保压120min，结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却。该方法所得焊缝残余应力较高，脆性金属化合物(TiFe、TiFe₂等)大量存在，不利于获得性能稳定的焊接接头。

电子束焊接是一种先进的焊接技术，其通过利用会聚的高速度电子来轰击金属表面，利用产生的能量来加热被焊的金属，以达到良好熔合的目的。其具有热影响区小，高束流密度和对焊接位置准确控制等特点，适合于异种金属间的焊接。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在钛合金与可伐合金焊接性能不佳的不足，提供一种钛合金与可伐合金异种金属电子束焊方法。

相比于常用的扩散焊、激光焊工艺的局限性，本发明提供异种金属电子束焊接方法，设计双过渡金属层在电子束作用下实现连接，优化钛合金与可伐合金之间的焊接质量。满足更高的工艺品质要求，符合不同的应用情况，达到更优的材料综合性能表现水平。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种技术方案：

一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，具体包括如下步骤：

(1)试样表面清理：取钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔，将其表面清洁干净。

(2)试样放置：将经过表面清理的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔交替对接放置；放置时，顺序为钛合金-铌箔-铜箔-可伐合金或可伐合金-铜箔-铌箔-钛合金。即钛合金需与铌箔相接触，可伐合金需与铜箔相接触，钛合金与可伐合金位于箔片两侧。

(3)焊接：将放置好的试样固定在夹具中，夹紧，然后置于真空电子束焊机真空室内；随后按照规范的流程进行操作，当真空度达到0.05Pa时开始进行电子束焊接工艺参数的设定，采用电子束焊机进行焊接。

本发明钛合金与可伐合金的焊接方法通过采用复合中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，然后利用真空电子束焊机真空焊接，实现了接头中元素分布的逐渐过渡，避免了脆性化合物中间层的形成。

特别是采用电子束焊，有利于界面结合，并防止试样变形；采用过渡层可实现钛合金与铌箔之间、铜箔与可伐合金之间形成固溶体，无脆性金属间化合物生成，有助于得到质量好的接头。在焊接过程中，依靠快速加热和冷却促进晶粒细化和缩小热影响区范围，提高钛合金与可伐合金复合构件的力学性能。

与其他扩散焊接等方法相比，本发明方法工艺简单、高效，对工件形状尺寸要求较少，能够成功的应用于钛合金与可伐合金之间的焊接。

进一步，步骤1，所述铜箔和/或铌箔的纯度大于98wt％，优选两者的纯度均大于98wt％，选用铜箔和铌箔作为过渡层可以更好的实现钛合金与可伐合金的焊接，因为铜箔和铌箔具有优良的塑性且钛合金与铌箔之间、铜箔与可伐合金之间均可形成固溶体，无脆性金属间化合物生成，可实现优异的焊接效果。更优选情况下，铜箔和铌箔纯度大于99.9wt％，选用更高纯度的钛合金可以很好的提升材料焊接结合处的品质表现，避免杂质成分对于焊接效果的影响。

进一步，所述铜箔的厚度为470-570μm，优选为500～550μm。

进一步，所述铌箔的厚度为330-480μm，优选为370～440μm。

本发明焊接方法中设计优选的铜箔厚度和铌箔厚度，经过发明人大量实验研究表明该厚度参数条件下，可以更好的保障铜-可伐合金界面、铜-铌界面和铌-钛合金界面形成足够厚度的固溶带，且剩余的金属可以阻止铁元素与铌元素、钛元素与铜元素聚集，有效避免脆性连接形成。

优选的，铜箔的厚度为510～540μm，铌箔的厚度为380～430μm。结合试验情况，更优选上述厚度参数范围达到更好的焊接效果。

进一步，步骤1，试样表面清理包括打磨、抛光和酸洗。

优选地，打磨和抛光过程如下：对钛合金与可伐合金待焊表面进行打磨并抛光。更优选地，使其粗糙度Ra≤1.0μm，从而促进待焊表面的良好接触。

优选地，酸洗是对于钛合金和铜箔表面进行酸洗。由于钛合金与铜箔表面容易形成氧化膜，不利于焊接过程中原子的扩散，同时，氧原子的引入会弱化焊接质量，因此需酸洗去除表面氧化膜。更优选地，采用氢氟酸和/或硝酸的混合溶液去除钛合金表面氧化膜；采用H₂SO₄溶液，去除铜箔表面氧化膜。根据铌箔和铜箔表面氧化膜层的性质特点，针对性优选酸洗试剂，更有效的达到酸洗目的。

进一步，步骤1，试样表面清理还包括清洗：将打磨后的试样、铜箔及铌箔放入丙酮中超声清洗10～15min，风干，得到清理后的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔。优选地，超声清洗以后，用酒精擦拭待焊表面，然后风干。酒精擦拭去除表面油污等残留，冷风吹干。

进一步，步骤3，试样是刚性固定在带成形槽的夹具中。刚性固定稳定性更好，焊接过程不因为焊接部分融化而发生变化。

进一步，步骤3，夹紧试样控制相邻试样原料之间间隙≤0.1mm。优选地，加紧试样以确保填充材料间以及填充材料与对接面间间隙小于0.1mm。

进一步，步骤3，焊接顺序为第一道焊和第二道焊。

第一道焊是：对铜箔与可伐合金的界面进行焊接，电子束向可伐合金侧偏移0.1-0.2mm进行第一道焊。电子束相对于可伐合金和铜箔间隙位置往可伐合金侧偏移适当距离，实现对于铜箔与可伐合金的熔焊，避免直接对准间隙，实现更好的焊接效果。

然后，第二道焊是，将电子束对准铌箔夹层的中间进行焊接。

焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机真空室，取出试样。

焊接过程中，控制实现第一道焊和第二道焊，分别实现铜箔一端与可伐合金板焊接，另一端经铌箔与钛合金板之间焊接，以使各层的厚度控制更加精确，有利于对组织的进一步优化控制。

进一步，步骤3，电子束焊接时，第一道焊：加速电压为45～65Kv，电子束流为4～8mA，焊接速度为5～7mm/s；第二道焊：加速电压为45～65Kv，电子束流为4～8mA，焊接速度为5～7mm/s。

优选的，第一道焊：加速电压为50～60Kv，电子束流为5～7mA，焊接速度为6～8mm/s；第二道焊：加速电压为50～60Kv，电子束流为5～6mA，焊接速度为6～8mm/s。

根据电子束焊接过程中对于不同的焊接位置的金属材质特性不同，选择相应的优选工艺参数，可以更好的控制实现焊接效果的可控可调，达到最佳的焊接效果。

本发明提供的新技术方案主要能够实现以下技术效果：

(1)本发明钛合金与可伐合金的焊接方法采用电子束焊，有利于界面结合，并防止试样变形。

(2)本发明方法采用复合中间层，从物理性能和化学性能两个方面实现了与待焊异种材料的匹配，实现钛合金与铌箔之间、铜箔与可伐合金之间形成固溶体，完美过渡，避免了脆性化合物中间层的形成，有助于得到质量好的接头。

(3)本发明焊接方法依靠快速加热和冷却的特点，有助于晶粒的细化与热影响区范围的缩小，提高钛合金与可伐合金复合构件的力学性能。

(4)本发明焊接方法相比于其他扩散焊累焊接方法，具有工艺简单、高效，对工件形状尺寸要求较少等优势，能够成功的应用于钛合金与可伐合金之间的焊接。

附图说明：

图1为本发明中预置中间层材料示意图。

图2为本发明电子束流作用位置示意图。

图3为实施例4中钛侧焊缝区显微组织形貌，主要由钛基固溶体组成。

图中标记：1为可伐合金，2为铜箔，3为铌箔，4为钛合金，5为第一道电子束流，6为第二道电子束流。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明实施例中涉及的钛合金和可伐合金由中国科学院上海技术物理所提供，铜箔和铌箔购于北京中金研新材料科技有限公司。

<实施例1>

对TC4钛合金与4J29可伐合金待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm；将打磨后的试样，酸洗，分别采用氢氟酸及硝酸的混合溶液，去除钛合金表面氧化膜；并采用H₂SO₄溶液，去除铜箔表面氧化膜。然后，铜箔及铌箔放入丙酮中超声清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干，得到清理后的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔。

将所得表面清理后的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔按可伐合金-铜箔-铌箔-钛合金依次对接放置。具体如图1所示，可伐合金1、铜箔2、铌箔3、钛合金4依次排布，并被夹具夹紧。刚性固定在带成形槽的夹具中，以确保填充材料间以及填充材料与对接面间间隙小于0.1mm。

然后，将排布好的填充材料和夹具，置于真空电子束焊机真空室内，随后按照规范的流程进行操作，当真空度达到0.05Pa时开始进行电子束焊接工艺参数的设定，第一道焊：50～60Kv，电子束流为5～7mA，焊接速度为6～8mm/s；第二道焊：加速电压为50～60Kv，电子束流为5～6mA，焊接速度为6～8mm/s，选用的铜箔厚度为470μm，铌箔的厚度为330μm。采用电子束焊机进行点固焊接。焊接的顺序为：对铜箔与可伐合金的界面进行焊接，电子束向可伐合金侧偏移0.1-0.2mm；再将电子束置于铌箔夹层的中间进行焊接。

具体如图2所示，第一道电子束流5正对可伐合金1和铜箔2间隙的左侧，靠近可伐合金1；第二道电子束流6对准铌箔3中间，依次实现特定位置的电子束焊接。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样，得到TC4钛合金与4J29可伐合金的复合构件。

<实施例2>

采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与可伐合金的焊接。除铜箔厚度为510μm，铌箔的厚度为380μm，其他条件与实施例1一样。

<实施例3>

采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与可伐合金的焊接。除铜箔厚度为520μm，铌箔的厚度为400μm，其他条件与实施例1一样。

<实施例4>

采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与可伐合金的焊接。除铜箔厚度为530μm，铌箔的厚度为430μm，其他条件与实施例1一样，由图3所示，通过该工艺接头中无脆性化合物生成，也无气孔和裂纹等缺陷产生，接头抗拉强度为245.30MPa。

<实施例5>

采用与实施例1相同的工艺进行钛合金与可伐合金的焊接。除铜箔厚度为570μm，铌箔的厚度为480μm。

<测试1>

比较不同中间层厚度对钛合金与可伐合金电子束焊接的影响，结果如下。

表1钛合金/可伐合金焊接部件力学性能

试样	抗拉强度(MPa)	断口性质
			实施例1(铜箔470μm、铌箔330μm)	88.11	脆性
实施例2(铜箔510μm、铌箔380μm)	157.53	韧性
			实施例3(铜箔520μm、铌箔400μm)	200.42	韧性
实施例4(铜箔530μm、铌箔430μm)	245.30	韧性
			实施例5(铜箔570μm、铌箔480μm)	78.65	脆性

由表1测试结果，可知当采用本发明的可伐合金和钛合金的焊接方案进行焊接连接的时候，复合中间层的厚度选择对于焊接件的力学性能有较大的影响。厚度较薄时，经电子束焊接后无剩余金属箔存在，不利于界面处焊接应力释放，无法阻止杂质元素聚集，从而削弱焊接强度。当金属箔厚度较大时，剩余过多的金属箔片成为界面薄弱区域，在外部载荷作用下首先发生断裂。所以，优选铜箔厚度为530μm、铌箔厚度为430μm。

<实施例6>

对TC4钛合金与4J29可伐合金待焊表面进行打磨并抛光，使其粗糙度Ra≤1.0μm。将打磨后的试样，用硝酸洗涤去除钛合金表面氧化膜，用硫酸洗涤去除铜箔表面氧化膜。然后，铜箔、铌箔放入丙酮中超声清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干，得到清理后的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔。

将所得表面清理后的钛合金、可伐合金、530μm铜箔和440μm铌箔按钛合金-铌箔-铜箔-可伐合金依次对接放置，并被夹具夹紧，物料被刚性固定在带成形槽的夹具中，以确保填充材料间以及填充材料与对接面间间隙小于0.1mm。

然后，将排布好的填充材料和夹具，置于真空电子束焊机真空室内，随后按照规范的流程进行操作，当真空度达到0.05Pa时开始进行电子束焊接工艺参数的设定，第一道焊：60KV，电子束流为7mA，焊接速度为8mm/s；第二道焊：加速电压为50KV，电子束流为6mA，焊接速度为8mm/s。采用电子束焊机进行点固焊接。焊接的顺序为：对铜箔与可伐合金的界面进行焊接，电子束向可伐合金侧偏移0.1mm；再将电子束置于铌箔夹层的中间进行焊接。

焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样，得到TC4钛合金与4J29可伐合金的复合构件。

<对比例1>

电子束轰击位置的影响

采用与实施例6相同的原料及准备方法，将物料采用夹具夹紧。置于真空电子束焊机真空室内，电子束焊接，其中第一道焊、第二道焊的电子束参数与实施例6相同。只是第一道焊的电子束瞄准铜箔的中央、然后第二道焊电子束瞄准铌箔的中央，通过两次焊接完成可伐合金和钛合金之间的焊接。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样，得到TC4钛合金与4J29可伐合金的复合构件。

<对比例2>

单次电子束轰击焊接

采用与实施例6相同的原料及准备方法，将物料采用夹具夹紧。置于真空电子束焊机真空室内，抽真空达到0.05Pa绝对真空度，然后开始电子束焊接。设定一次电子束焊接，工艺参数如下：电压70KV，电子束流为8mA，焊接速度为5mm/s，电子束轰击瞄准铜箔和铌箔的正中间。通过一次电子束焊接完成整体的焊接，电子束能量更高，焊接速度更慢。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样，得到TC4钛合金与4J29可伐合金的复合构件。

<实施例7>

采用和实施例6相同的方法清洗准备钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔。将清洗好的原料按照以下顺序放置，具体顺序为钛合金-铌箔-铜箔-可伐合金。

将放置好的试样刚性固定在带成形槽的夹具中，将填充材料夹紧确保相邻材料间隙尽可能小。然后，置于真空电子束焊机真空室内，随后按照规范的流程进行操作，当真空度达到0.05Pa时开始进行电子束焊接工艺参数的设定，采用电子束焊机进行焊接。焊接的顺序为：对铜箔与可伐合金的界面进行焊接，电子束向可伐合金侧偏移0.15mm；再将电子束置于铌箔夹层的中间进行焊接。第一道焊：60KV，电子束流为7mA，焊接速度为8mm/s；第二道焊：加速电压为50KV，电子束流为6mA，焊接速度为8mm/s。采用电子束焊机进行点固焊接。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样。

<对比例3>

过渡层只使用铌箔

采用和实施例7相同的方法准备钛合金、可伐合金和铌箔。将600μm铌箔设置在钛合金和可伐合金之间，然后用夹具夹紧，使填充材料之间的间隙尽可能小，不得超过0.05mm。然后，将夹紧的原料转移到真空室中。

随后按照规范的流程进行焊接操作，抽真空达到0.05Pa真空度，开始电子束焊接工艺参数设定，然后进行焊接。焊接过程中电子束对铌箔中央进行焊接，电子束参数设定如下：电压60KV，电子束流为7mA，焊接速度为5mm/s。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样。

<对比例4>

过渡层只使用铜箔

采用和实施例7相同的方法准备钛合金、可伐合金和铜箔。将700μm铜箔设置在钛合金和可伐合金之间，然后用夹具夹紧，使填充材料之间的间隙尽可能小，不得超过0.05mm。然后，将夹紧的原料转移到真空室中。

随后按照规范的流程进行焊接操作，抽真空达到0.05Pa真空度，开始电子束焊接工艺参数设定，然后进行焊接。焊接过程中电子束对铜箔中央进行焊接，电子束参数设定如下：电压60KV，电子束流为8mA，焊接速度为4mm/s。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样。

<对比例5>

本对比例和实施例7相比，仅仅在于过渡金属夹层材料使用420μm铬箔代替铌箔。夹具夹紧，然后在真空室中进行焊接，焊接过程及参数控制同实施例7。焊完之后，等待试样冷却，再打开焊机的真空室，取出试样。

<测试2>

将上述实施例6-7和对比例1-5焊接的工件进行测试，比较不同工艺、中间等参数对钛合金与可伐合金电子束焊接的影响。

表2钛合金/可伐合金焊接部件力学性能

试样	抗拉强度(MPa)	断口性质
			实施例6	278.60	韧性
对比例1	308.40	韧性
			对比例2	122.36	脆性
实施例7	245.64	韧性
			对比例3	89.64	脆性
对比例4	184.52	韧性
			对比例5	116.40	脆性

由测试结果，可知当采用本发明的可伐合金和钛合金的焊接方案进行焊接连接的时候，第一道焊的电子束瞄准铜箔的中央时，可以减少钛合金的熔化，避免了过多钛元素的扩散，使得焊接件的力学性能得到提升。采用单次电子束焊接时，不利于能量的传播，使得接头各部分的熔化量不均匀，不利于接头强度的增加。过渡层只采用铜箔时，焊缝中仍存在一些脆性的金属间化合物，会损害接头的强度；过渡层只采用铌箔时，在焊缝中会生成铌铁脆性相，得到力学性能较差的接头；当用铬箔代替铌箔时，会生成钛铬相，仍然得不到力学性能较优的接头。所以，第一道焊的电子束应该瞄准铜箔的中央、然后第二道焊的电子束应该瞄准铌箔的中央，优选铜箔厚度为530μm、铌箔厚度为440μm。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，具体包括如下步骤：

（1）试样表面清理：取钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔，将其表面清洁干净；

（2）试样放置：将经过表面清理的钛合金、可伐合金、铜箔和铌箔交替对接放置；放置时，顺序为钛合金-铌箔-铜箔-可伐合金或可伐合金-铜箔-铌箔-钛合金；

（3）焊接：将放置好的试样固定在夹具中，夹紧，然后置于真空电子束焊机真空室内；随后按照规范的流程进行操作，当真空度达到0.05Pa时开始进行电子束焊接工艺参数的设定，采用电子束焊机进行焊接。

2.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，步骤1，所述铜箔和/或铌箔的纯度大于98wt%。

3.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，所述铜箔的厚度为470-570μm。

4.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，所述铌箔的厚度为330-480μm。

5.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，步骤1，试样表面清理包括打磨、抛光和酸洗。

6.如权利要求4所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，打磨和抛光过程如下：对钛合金与可伐合金待焊表面进行打磨并抛光；

酸洗是对于钛合金和铜箔表面进行酸洗。

7.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，步骤3，试样是刚性固定在带成形槽的夹具中。

8.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，步骤3，夹紧试样控制相邻试样原料之间间隙≤0.1mm。

9.如权利要求1所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，步骤3，焊接顺序为第一道焊和第二道焊；

第一道焊是：对铜箔与可伐合金的界面进行焊接，电子束向可伐合金侧偏移0.1-0.2mm进行第一道焊；

第二道焊是，将电子束对准铌箔夹层的中间进行焊接。

10.如权利要求9所述钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法，其特征在于，步骤3，电子束焊接时，第一道焊：加速电压为45~65kV ，电子束流为4~8mA，焊接速度为5~7 mm/s；第二道焊：加速电压为45~65kV ，电子束流为4~8mA，焊接速度为5~7 mm/s。

Images