CN109128417A - 一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光束‑电子束复合钎焊高氮钢的方法，包括如下步骤：第一步，制备钎料膏，并将钎料膏涂覆在焊接零件的待焊面上；第二步，采用氙弧灯光束焊对待焊面的两端和中心位置进行光辐射加热焊接；第三步，利用电子束虚焦焊钎焊待焊面A侧，焊接参变量如下：真空度（2.5‑5）×10^‑8MPa，电子束流为25‑45mA，电子束流的偏束量为1.2‑3.6mm，焊接速度为8.5‑11.5dm/min、加速电压为45‑65kV，聚焦电流为2350‑2760mA；第四步，利用电子束实焦焊钎焊待焊面B侧，焊接参变量如下：电子束流25‑33mA，电子束流的偏束量为0.01‑0.55mm，焊接速度为3.5‑7.5dm/min、加速电压为45‑65kV，聚焦电流为2180‑2250mA。本发明焊接时高氮钢母材不熔化，氮元素不流失，不易产生气孔，降低了焊接热影响区和残余应力，增强了钎焊接头的力学性能。

Description

一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法

技术领域

本发明涉及高氮钢焊接技术领域，尤其是涉及一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法。

背景技术

高氮钢具有耐腐蚀、耐氧化、耐磨损以及力学性能优异等优点，是航空、船舶及兵器等装备制造的重要材料之一，而高氮钢焊接技术则是决定其应用范畴的重要工艺环节。目前，高氮钢焊接技术主要以摩擦焊、搅拌摩擦焊、TIG焊、MIG焊、爆炸焊、气保焊、激光及其复合焊等为主，然而，由于焊接时温度较高，且高氮钢自身氮含量较高，焊接过程中常会出现母材氮析出引起的焊接气孔问题，进而诱发其他硬脆相出现，弱化材料性能，降低焊接接头的综合性能。

中国专利《高氮钢激光MIG电弧复合焊接方法》（申请号201210385839.2），提供了一种利用激光-MIG电弧复合焊接技术对高氮钢进行钎焊的方法；《解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法》（ZL201610363272.7）则提供了一种改进的高氮钢激光-电弧复合焊接的新思路，通过磁控和温控复合的方法同时解决高氮钢焊接气孔和焊接热影响区韧性差的问题。然而，上述复合焊接的方法对于自制高氮钢1Cr26Mn22N（由0.9-2.1份N、51-65份Fe、1.9-2.7份Ni、23-28份Cr、19-25份Mn、1.2-1.6份Mo、0.2-0.6份C、0.02-0.05份S、0.05-0.08份P和0.5-0.8份Si（重量份计）组成），仍存在焊接时母材熔化、氮元素流失和焊缝宽度较大的问题，此外，由于母材熔化、氮元素流失较多原因，焊接面变形较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，具体技术方案如下：

本发明所述的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，包括如下步骤：

第一步，制备钎料膏，并将钎料膏涂覆在焊接零件的待焊面上；

第二步，采用氙弧灯光束焊对待焊面的两端和中心位置进行光辐射加热焊接；

第三步，利用电子束虚焦焊钎焊待焊面A侧，焊接参变量如下：真空度（2.5-5）×10^{- 8}MPa，电子束流为25-45mA，电子束流的偏束量为1.2-3.6mm，焊接速度为8.5-11.5dm/min、加速电压为45-65kV，聚焦电流为2350-2760mA；

第四步，利用电子束实焦焊钎焊待焊面B侧，焊接参变量如下：电子束流25-33mA，电子束流的偏束量为0.01-0.55mm，焊接速度为3.5-7.5dm/min、加速电压为45-65kV，聚焦电流为2180-2250mA。

以重量份计，所述钎料膏由25-28份Pd、39-46份Ni、36-39份Cr、2.8-5.8份镀钒镍石墨烯、12-15份Mn、7-11份Re、6-9份Si和2-5.5份B组成。

所述镀钒镍石墨烯以氧化石墨烯为原料，依次进行粗化、敏化、还原、洗涤、干燥，然后采用直流电沉积在石墨烯表面镀钒镍合金，再采用直流磁控溅射法在镀钒镍合金后的石墨烯表面沉积金属钼离子，研磨，制得镀钒镍石墨烯粉末。

所述钎料膏的制备方法如下：

第一步，按重量份计，称量蒸馏水15-30份、水基粘结剂15-30份和丙酮5-12份、摩尔浓度为15.97mol/L的酒精6-13份，并按照所述钎料比例配置Pd、Ni、Cr、镀钒镍石墨烯、Mn、Re、Si、B原料合金粉末，研磨至106-150微米后备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入烧杯中，搅拌，得到无沉淀溶液；

第三步、将第一步得到的原料合金粉末45-70份，添加辅助添加剂12-18份，加入第二步得到的溶液中，搅拌，并抽真空，制得膏状钎料。

按重量份计，所述水基粘结剂由磷酸锌24-36份、氯化铵45-61份、聚乙二醇15-23份、氰基丙烯酸丁酯14-22份、过硫酸铵7-11份组成。

所述辅助添加剂由酒石酸钠、钡玻璃粉、气相二氧化硅按2:3:7的重量比混合均匀组成。

本发明提供的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，将氙灯光束钎焊和电子束钎焊相结合，利用氙灯的光辐射将能量无接触地传递给待焊零部件，有效地加热钎焊高氮钢而不受材料热物理性和电磁性的限制，具有较大的灵活性；同时，利用散焦电子束对真空中的待焊零件进行扫描加热焊接，由于能量集中、热效率高，可以将待焊材料的局部迅速加热至焊接温度，有利于减少钎料成分的挥发、消弱母材晶粒长大，且由于光束钎焊和电子束钎焊均在真空环境进行，能够有效避免杂质元素参与反应过程，降低钎焊缺陷的产生，接头强度高、焊接质量好。具体地，在两端和中心位置采用光束钎焊进行固定，对母材几乎无损伤，这样不容易产生腐蚀薄弱区域、未焊上、或者溶蚀现象，有利于后续电子束钎焊工艺的进行；进行电子束钎焊时，先用虚焦焊对板厚的三分之一进行焊接；后用剩余三分之二用实焦焊，充分发挥虚焦焊、实焦焊的优点，降低焊接热影响区和残余应力，增强钎焊接头的力学性能，改善钎缝组织。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1)本发明高氮钢母材不熔化，使得氮元素不流失，克服了传统焊接方式的气孔缺点，使得氮元素几乎无损失；

2) 本发明钎焊过程中高氮钢母材不熔化，即无变形，一定程度上提高了接头的连接强度和力学性能，焊接接头成形非常好；

3)本发明光束、电子束与母材、钎料不接触，通过辐射加热，在焊接过程中无需施加压力；

4)本发明在真空环境下实施，使得焊接过程中杂质元素、外界气体无法参与反应，因而获得的接头无缺陷，性能优异；

5)本发明光束-电子束复合钎焊在连接高氮钢时由于温度较低，可以有效的防止接头处产生氮化物、碳化物、碳氮化物以降低其性能；

6)高氮钢在高温下容易产生高温蠕变、相变等，其组织性能将会变化，降低了焊接接头的性能，在本发明的复合钎焊过程中高氮钢不熔化，可以避免上述组织性能变化问题；

7)本发明所用钎料膏中含有钯、镍、锰、铬等元素，不仅可以有效润湿母材高氮钢，而且与母材几乎无限固溶，形成冶金结合，增强接头的力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中待焊件进行点焊和炉中钎焊的位置关系示意图。

图2是本发明实施例1中钎焊接头的照片。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明所述的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法。

实施例1：

对0.9份N、65份Fe、1.9份Ni、23份Cr、19份Mn、1.2份Mo、0.2份C、0.02份S、0.05份P和0.5份Si（按重量份计）组成的高氮钢进行钎焊，首先制备由25份Pd、46份Ni、36份Cr、2.8份镀钒镍石墨烯、12份Mn、7份Re、6份Si和2份B（按重量份计）组成的钎焊膏，该钎料膏的具体制备方法如下：

第一步，利用FAD5001电子天平，称量15g蒸馏水、15g水基粘结剂、摩尔浓度为15.97mol/L的酒精6g和5g丙酮，上述水基粘结剂由磷酸锌36重量份、氯化铵45重量份、聚乙二醇15重量份、氰基丙烯酸丁酯14重量份、过硫酸铵11重量份组成；同时，按比例配置Pd、Ni、Cr、镀钒镍石墨烯、Mn、Re、Si、B钎料原料合金粉末，通过QM0.5球磨机将其研磨至150微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000mL的烧杯中，用M350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末70g，加入辅助添加剂18g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5MPa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯以氧化石墨烯为原料，按照常规方法进行粗化、敏化处理后，放入还原剂中进行还原，然后洗涤、干燥，接着采用直流电沉积在石墨烯表面镀钒镍合金，再采用直流磁控溅射法在镀钒镍合金后的石墨烯表面沉积金属钼离子，将其放入球磨罐中研磨成粉末，制得镀钒镍石墨烯粉末。

上述辅助添加剂由酒石酸钠、钡玻璃粉、气相二氧化硅按2:3:7的重量比混合而成。

进行焊接时，按以下步骤进行：

第一步，将上述钎料膏涂覆在焊接零件的待焊面上；

第二步，采用300W的氙弧无影灯作为光源，经聚光、光辐射在待焊面的两端和中心位置选取5-7个点加热进行点焊（见图1）固定；

第三步，如图1所示，沿焊接面的垂线将待焊面分为A侧和B侧，其中，A侧为待焊件板厚的1/3，B侧为待焊件板厚的2/3，然后采用电子束钎焊工艺对除了两端和中心位置点焊外的其余待焊部分同时进行钎焊。分侧焊接时可以避免产生残余热应力，防止焊缝开裂、不产生待焊工件变形，提高接头的连接强度和使用寿命，具体为：首先，利用电子束虚焦焊钎焊待焊面A侧，焊接参变量如下：真空度2.5×10^-8MPa，电子束流为25mA，电子束流的偏束量为1.2mm，焊接速度为8.5dm/min、加速电压为45kV，聚焦电流为2350mA；然后，利用电子束实焦焊钎焊待焊面B侧，焊接参变量如下：电子束流25mA，电子束流的偏束量为0.01mm，焊接速度为3.5dm/min、加速电压为45kV，聚焦电流为2180mA。上述虚焦焊,也叫上焦焊或散焦焊，通常用于薄板电子束焊；而实焦焊，又称为下焦焊，主要用于厚板的焊接。

如图2所示，焊接后得到的复合焊接接头钎缝周围母材不熔化、钎缝间隙为57μm，经2400T CHNS分析仪进行分析，氮元素含量为0.873%，氮元素流失率为0.0074%（可忽略不计）。

实施例2：

对2.1份N、51份Fe、2.7份Ni、28份Cr、25份Mn、1.6份Mo、0.6份C、0.05份S、0.08份P和0.8份Si（按重量份计）组成的高氮钢进行钎焊，首先制备由28份Pd、39份Ni、39份Cr、5.8份镀钒镍石墨烯、15份Mn、11份Re、9份Si和5.5份B（按重量份计）组成的钎焊膏，该钎料膏的具体制备方法如下：

第一步，利用FAD5001电子天平，称量30g蒸馏水、30g水基粘结剂、13g摩尔浓度为15.97mol/L的酒精和12g丙酮，上述水基粘结剂由由磷酸锌24重量份、氯化铵61重量份、聚乙二醇23重量份、氰基丙烯酸丁酯22重量份、过硫酸铵7重量份组成；同时，按比例配置Pd、Ni、Cr、镀钒镍石墨烯、Mn、Re、Si、B钎料原料合金粉末，通过QM0.5球磨机将其研磨至106微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000mL的烧杯中，用M350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末45g，加入辅助添加剂12g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5MPa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯的制法、辅助添加剂的成分和配比同实施例1。

进行焊接时，按以下步骤进行：

第一步，将上述钎料膏涂覆在焊接零件的待焊面上；

第二步，采用300W的氙弧无影灯作为光源，经聚光、光辐射在待焊面的两端和中心位置选取5-7个点加热进行点焊（见图1）固定；

第三步，如图1所示，沿焊接面的垂线将待焊面分为A侧和B侧，其中，A侧为待焊件板厚的1/3，B侧为待焊件板厚的2/3，然后采用电子束钎焊工艺对除了两端和中心位置点焊外的其余待焊部分进行钎焊。具体为：首先，利用电子束虚焦焊钎焊待焊面A侧，焊接参变量如下：真空度2.5×10^-8MPa，电子束流为45mA，电子束流的偏束量为3.6mm，焊接速度为11.5dm/min、加速电压为65kV，聚焦电流为2760mA；然后，利用电子束实焦焊钎焊待焊面B侧，焊接参变量如下：电子束流33mA，电子束流的偏束量为0.55mm，焊接速度为7.5dm/min、加速电压为65kV，聚焦电流为2250mA。

焊接后得到的复合焊接接头钎缝周围母材不熔化、钎缝间隙为61μm，经2400TCHNS分析仪进行分析，氮元素含量为1.892%，氮元素流失率为0.0076%（可忽略不计）。

实施例3：

对1.5份N、58份Fe、2.3份Ni、25.5份Cr、22份Mn、1.4份Mo、0.4份C、0.035份S、0.065份P和0.65份Si（按重量份计）组成的高氮钢进行钎焊，首先制备由26.5份Pd、42.5份Ni、37.5份Cr、4.3份镀钒镍石墨烯、13.5份Mn、9份Re、7.5份Si和3.75份B（按重量份计）组成的钎焊膏，该钎料膏的具体制备方法如下：

第一步，利用FAD5001电子天平，称量22.5g蒸馏水、22.5g水基粘结剂、10.5g摩尔浓度为15.97mol/L的酒精和8.5g丙酮，上述水基粘结剂由磷酸锌30重量份、氯化铵53重量份、聚乙二醇19重量份、氰基丙烯酸丁酯18重量份、过硫酸铵8重量份组成；同时，按比例配置Pd、Ni、Cr、镀钒镍石墨烯、Mn、Re、Si、B钎料原料合金粉末，通过QM0.5球磨机将其研磨至128微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000mL的烧杯中，用M350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末57.5g，加入辅助添加剂16g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5MPa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯的制法、辅助添加剂的成分和配比同实施例1。

进行焊接时，按以下步骤进行：

第一步，将上述钎料膏涂覆在焊接零件的待焊面上；

第二步，采用300W的氙弧无影灯作为光源，经聚光、光辐射在待焊面的两端和中心位置选取5-7个点加热进行点焊（见图1）固定；

第三步，如图1所示，沿焊接面的垂线将待焊面分为A侧和B侧，其中，A侧为待焊件板厚的1/3，B侧为待焊件板厚的2/3，然后采用电子束钎焊工艺对除了两端和中心位置点焊外的其余待焊部分进行钎焊。具体为：首先，利用电子束虚焦焊钎焊待焊面A侧，焊接参变量如下：真空度5×10^-8MPa，电子束流为35mA，电子束流的偏束量为2.4mm，焊接速度为10dm/min、加速电压为55kV，聚焦电流为2550mA；然后，利用电子束实焦焊钎焊待焊面B侧，焊接参变量如下：电子束流29mA，电子束流的偏束量为0.28mm，焊接速度为5.5dm/min、加速电压为55kV，聚焦电流为2215mA。

焊接后得到的复合焊接接头钎缝周围母材不熔化、钎缝间隙为62μm、经2400TCHNS分析仪进行分析，氮元素含量为1.354%，氮元素流失率为0.013%（可忽略不计）。

Claims (6)

1.一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，其特征在于：

包括如下步骤：

第一步，制备钎料膏，并将钎料膏涂覆在焊接零件的待焊面上；

第二步，采用氙弧灯光束焊对待焊面的两端和中心位置进行光辐射加热焊接；

第三步，利用电子束虚焦焊钎焊待焊面A侧，焊接参变量如下：真空度（2.5-5）×10^{- 8}MPa，电子束流为25-45mA，电子束流的偏束量为1.2-3.6mm，焊接速度为8.5-11.5dm/min、加速电压为45-65kV，聚焦电流为2350-2760mA；

第四步，利用电子束实焦焊钎焊待焊面B侧，焊接参变量如下：电子束流25-33mA，电子束流的偏束量为0.01-0.55mm，焊接速度为3.5-7.5dm/min、加速电压为45-65kV，聚焦电流为2180-2250mA。

2.根据权利要求1所述的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，其特征在于：以重量份计，所述钎料膏由25-28份Pd、39-46份Ni、36-39份Cr、2.8-5.8份镀钒镍石墨烯、12-15份Mn、7-11份Re、6-9份Si和2-5.5份B组成。

3.根据权利要求1所述的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，其特征在于：所述镀钒镍石墨烯以氧化石墨烯为原料，依次进行粗化、敏化、还原、洗涤、干燥，然后采用直流电沉积在石墨烯表面镀钒镍合金，再采用直流磁控溅射法在镀钒镍合金后的石墨烯表面沉积金属钼离子，研磨，制得镀钒镍石墨烯粉末。

4.根据权利要求3所述的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，其特征在于：所述钎料膏的制备方法如下：

第一步，按重量份计，称量蒸馏水15-30份、水基粘结剂15-30份和丙酮5-12份、摩尔浓度为15.97mol/L的酒精6-13份，并按照所述钎料比例配置Pd、Ni、Cr、镀钒镍石墨烯、Mn、Re、Si、B原料合金粉末，研磨至106-150微米后备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入烧杯中，搅拌，得到无沉淀溶液；

第三步、将第一步得到的原料合金粉末45-70份，添加辅助添加剂12-18份，加入第二步得到的溶液中，搅拌，并抽真空，制得膏状钎料。

5.根据权利要求4所述的光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法，其特征在于：按重量份计，所述水基粘结剂由磷酸锌24-36份、氯化铵45-61份、聚乙二醇15-23份、氰基丙烯酸丁酯14-22份、过硫酸铵7-11份组成。

6.根据权利要求4所述的光束-电子束复合焊接高氮钢的方法，其特征在于：所述辅助添加剂由酒石酸钠、钡玻璃粉、气相二氧化硅按2:3:7的重量比混合均匀组成。