CN113042843B - 一种钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法 - Google Patents

一种钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，属于异种金属材料焊接工艺领域。该方法是在钼材料与钢材料间加入含活化元素的三维网络复合中间层作为焊接钼和钢的焊料，利用高能束激光熔钎焊方法完成焊接。通过复合中间层的三维网络几何结构降低焊接时残余应力,通过激光熔钎焊技术减少钼侧脆化区宽度及Mo‑Fe脆性金属间化合物数量，通过活化元素改变钼/钢接头熔钎焊界面润湿性并优化Mo‑Fe脆性金属间化合物形态，获得的接头中无裂纹且抗拉强度高达500MPa。

Description

一种钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法
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，涉及一种钼材料与钢材料的异种金属连接方法。
背景技术
钼及其合金具有熔点高、导热快、热膨胀系数低、耐磨耐蚀性好等优异特性，广泛应用于航空航天、军事、核电、化工电子等行业。不锈钢是一种加工性能好、综合性能优良的合金，广泛应用于核电、机械、石油化工等领域。不锈钢与钼合金的复合结构不仅可以结合两种材料的优点，而且可以降低制造成本。然而，在钼与钢连接中，主要存在三个难点：(1)钼材料具有本征脆性和杂质偏析脆性，一旦经历熔化/凝固或再结晶，导致接头强度及韧性明显下降；(2)钼与钢的物理性能差异大，焊接中产生的较大内应力会削弱接头的力学性能；(3)钼与钢反应会形成脆性金属间化合物，降低接头强度及韧性。钼与钢连接研究主要集中于扩散焊和钎焊，但两种焊接方法的接头形式和尺寸受限制，且焊接效率较慢，限制了钼/钢复合结构的推广应用。尽管熔焊具有焊接效率高、成本低、工艺适应性良好的优点，但会引起钼侧热影响区脆化、接头残余应力过大及较差的接头性能，从而使常规熔焊技术无法获得高质量的钼/钢异种金属接头。因此，研究开发一种新型的高效高质钼/钢异种金属熔焊技术，具有重要的技术工程意义和广阔的应用前景。
CN106001864A公开了一种钼铜合金与铁基高温合金的焊接方法与应用，采用填丝钨极氩弧焊进行正、背面双面焊接。该焊接方法在背面焊道焊接时，对正面焊道可以起到降低冷却速度的作用，同时正面焊道的余温对背面焊道的焊接又起到预热的作用，正背面焊道温度的相互作用，可以避免接头产生焊接延迟裂纹，解决了钼铜合金与铁基高温合金容易产生焊接裂纹的问题。但由于钨极氩弧焊热输入较大，钼合金侧热影响区晶粒粗化严重，导致接头的力学性能不高。
CN110900037A公开了一种焊接钼铼合金与钢的钎料及方法，所述钎料以重量百分比计包括如下组分：Cr 5.5～10.5％，Co 3～8％，B 0.5～3％，余量为Ni。该焊接方法为真空钎焊处理，焊接温度为1150～1250℃，焊接温度保温时间为30～60min；真空度在(5～9)×10-3Pa。采用该技术提供的钎料和焊接工艺可以实现钼铼合金与不锈钢合金的连接，焊后的接头表面成形良好，无成形缺陷，接头强度约250Mpa。但是，该技术在焊接时需要真空条件，且焊接速度较慢，接头尺寸及形式受限，大大限制了应用范围。
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高效高质焊接钼材料与钢材料的异种金属连接方法。
为了达到上述技术目的，本发明人结合多年来对精密焊接技术的科研经验，并通过大量试验研究探索，最终确定在钼材料与钢材料之间加入活化元素掺杂三维网络复合中间层，通过复合中间层中的泡沫镍独特网状、无方向性多孔结构降低残余应力，利用激光熔钎焊方法完成焊接，获得的接头无裂纹且钼侧热影响区小，抗拉强度高达500MPa。
具体地，本发明提供了一种钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，该方法以复合中间层作为焊接钼材料和钢材料的焊料，利用高能束激光熔钎焊法完成焊接；所述复合中间层的制备方法包括如下步骤：(1)将泡沫Ni和Ni箔贴合，局部区域用激光点焊微熔连接，构成Ni骨架；(2)将硼粉末作为活化元素(B元素能与Ni发生共晶反应，起到降熔作用)混入易挥发液体中并分散均匀，然后均匀倾倒至Ni骨架上，晾干或烘干，形成活化元素掺杂三维网络的复合中间层。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其中所述泡沫Ni的厚度为0.1～0.2mm；所述Ni箔的厚度为0.05～0.2mm。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其中所述硼粉末(B粉)的粒度小于5μm，其含量占所述复合中间层的质量百分比为0.2％～1％。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其采用超声法使所述硼粉末(B粉)在易挥发液体中分散均匀。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其中所述的易挥发液体选自乙醇或/和丙酮。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其中所述高能束激光熔钎焊法的具体步骤为：采用激光作为焊接热源，加热位置在复合中间层中心和复合中间层/钢界面之间变动，控制激光焊接热输入，保证复合中间层及部分钢熔化，而钼母材不熔化，利用熔化的复合中间层及钢液润湿钼母材并与之反应，实现熔钎焊连接。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其在焊接过程中，对熔化区、钼及钢的热影响区进行惰性气体保护。
再进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其中所述激光焊接的参数控制为：激光功率800-1000W，焊接速度1200-1400mm/min，离焦量0mm，保护气体流量为正面12-18L/min，背面10-15L/min。
进一步优选地，如上所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法其中所述法人钼材料为纯钼或钼合金，所述的钢材料为奥氏体或马氏体不锈钢。
与现有技术相比，本发明涉及的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法具有如下优点和显著进步：
(1)通过复合中间层中的泡沫镍独特网状、无方向性多孔结构降低残余应力。
(2)通过激光熔钎焊技术减少钼侧脆化区宽度及Mo-Fe脆性金属间化合物数量。
(3)通过活化元素改变钼\钢接头熔钎焊界面润湿性并优化Mo-Fe脆性金属间化合物形态，从而实现钼/钢异种金属接头的高效高质焊接。
(4)焊接后获得的接头无裂纹且钼侧热影响区小，抗拉强度高达500MPa。
附图说明
图1为本发明得到的活化元素掺杂三维网络的复合中间层制备示意图。
图2为本发明得到的添加活化元素掺杂三维网络复合中间层的钼/钢异种金属激光焊接示意图。
图3为本发明得到的添加活化元素掺杂三维网络复合中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头宏观形貌。
图4为本发明得到的添加活化元素掺杂三维网络复合中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头横截面形貌。
图5为本发明得到的添加活化元素掺杂三维网络复合中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头Mo/FZ界面微观组织形态。
图6为本发明得到的添加活化元素掺杂三维网络复合中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头拉伸曲线图。
图7为本发明得到的添加活化元素掺杂三维网络复合中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头拉伸断后的试样形貌。
图8为本发明方法制备得到的不添加中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头横截面形貌。
图9为本发明方法制备得到的添加Ni箔中间层的钼/钢异种金属激光焊接接头横截面形貌。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于解释本发明，而不应视为限定本发明的范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的一般方法或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：活化元素掺杂三维网络复合中间层的制备
将0.1mm厚的泡沫Ni和0.1mm厚的Ni箔贴合，局部区域用激光点焊微熔连接，构成Ni骨架；将活化元素B粉末混入50ml乙醇中，B粉末的用量为复合中间层质量的0.2％，超声搅拌分散均匀，溶液均匀倾倒至Ni骨架上，晾干或烘干，形成活化元素掺杂三维网络复合中间层。
实施例2：活化元素掺杂三维网络复合中间层的制备
将0.2mm厚的泡沫Ni和0.2mm厚的Ni箔贴合，局部区域用激光点焊微熔连接，构成Ni骨架；将活化元素B粉末混入80ml乙醇中，B粉末的用量为复合中间层质量的1％，超声搅拌分散均匀，溶液均匀倾倒至Ni骨架上，晾干或烘干，形成活化元素掺杂三维网络复合中间层。
实施例3：钼/钢异种金属激光焊接
为得到高质量钼/钢异种金属接头，对纯Mo与301不锈钢进行激光焊接，其中纯Mo板与301不锈钢板尺寸规格相同，为200mm(长)×100mm(宽)×1mm(厚)。将0.2mm厚的活化元素掺杂三维网络复合中间层(实施例1制备，图1)置于纯Mo板与301不锈钢板之间，利用工装夹具将焊材夹紧，焊接热源置于复合中间层/钢界面处，如图2所示。在氩气保护气氛下进行焊接。其中脉冲激光焊接工艺参数为：激光功率800W，焊接速度1200mm/min，离焦量0mm，保护气体流量为正面12L/min，背面10/min。
最终得到的钼/钢异质接头，如图3所示。接头焊缝成形良好，成银白色，无宏观裂纹存在。对接头的横截面宏观区域(图4)和钼/熔化区(图5)进行观察，发现钼/钢接头焊接质量良好，无微观裂纹、未熔合现象出现。
对得到的钼/钢异质接头按照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500MPa(图6)，拉伸断裂于钼/熔化区界面(图7)。
实施例4：钼/钢异种金属激光焊接
为得到高质量钼/钢异种金属接头，对纯Mo与301不锈钢进行激光焊接，其中纯Mo板与301不锈钢板尺寸规格相同，为200mm(长)×100mm(宽)×1mm(厚)，将0.4mm厚活化元素掺杂三维网络复合中间层(实施例2制备)置于纯Mo板与301不锈钢板之间，利用工装夹具将焊材夹紧，焊接热源置于复合中间层中心，在氩气保护气氛下进行焊接。其中脉冲激光焊接工艺参数为：激光功率1000W，焊接速度1400mm/min，离焦量0mm，保护气体流量为正面18L/min，背面15/min。
对得到的钼/钢异种金属接头进行显微观察，可以得到如实施例3中所示相同的显微图像。对得到的钼/钢异种金属接头进行如实施例3所示的力学拉伸测试，其接头抗拉强度480MPa。
对比例1(不添加中间层的钼/钢异种金属接头直接焊接)
选取纯Mo板与301SS板，两者尺寸规格相同，都为200mm(长)×100mm(宽)×1.0mm(厚)，将纯钼与301SS固定装夹好，激光光斑位于Mo与301SS界面上，氩气保护气氛下进行焊接。激光焊接工艺参数为：激光功率800W，焊接速度1200mm/min，离焦量0mm，保护气体流量为正面18L/min，背面10L/min。
结果发现，由于Mo与301不锈钢的物化性能相差极大，在焊接结束后，接头焊接处即发生开裂(图8)。
对比例2(仅添加Ni箔中间层的钼/钢异种金属激光焊接)
取纯Mo板与301SS板，两者尺寸规格相同，都为200mm(长)×100mm(宽)×1.0mm(厚)，将厚度为0.2mm的Ni箔中间层置于纯Mo板与301SS板间，利用工装夹具将焊材夹紧，将激光光斑位于Ni箔中间层中间位置上，氩气保护气氛下进行焊接。激光焊接工艺参数为：激光功率900W，焊接速度1200mm/min，离焦量0mm，保护气体流量为正面18L/min，背面10L/min。
通过实验发现，在Mo侧热影响区有裂纹形成(图9)，这降低了Mo/301SS复合构件的服役寿命。
由上述实施例与对比例可以看出，将钼和钢两种物化性差异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。添加Ni箔中间焊料时，在Mo侧热影响区有裂纹形成，降低了接头的力学性能。而加入活化元素掺杂三维网络复合中间层，焊接裂纹被消除，接头的性能较好，抗拉强度可达到500MPa。

Claims (9)

1.一种钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，该方法以复合中间层作为焊接钼材料和钢材料的焊料，利用高能束激光熔钎焊法完成焊接；所述复合中间层的制备方法包括如下步骤：（1）将泡沫Ni和Ni箔贴合，局部区域用激光点焊微熔连接，构成Ni骨架；（2）将B粉混入易挥发液体中并分散均匀，然后均匀倾倒至Ni骨架上，晾干或烘干，形成活化元素掺杂三维网络的复合中间层；
所述高能束激光熔钎焊法的具体步骤为：采用激光作为焊接热源，加热位置在复合中间层中心和复合中间层/钢界面之间变动，控制激光焊接热输入，保证复合中间层及部分钢熔化，而钼母材不熔化，利用熔化的复合中间层及钢液润湿钼母材并与之反应，实现熔钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述泡沫Ni的厚度为0.1～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述Ni箔的厚度为0.05～0.2mm。
4.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述B粉的粒度小于5μm，其含量占所述复合中间层的质量百分比为0.2%～1%。
5.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，采用超声法使所述B粉在易挥发液体中分散均匀。
6.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述的易挥发液体选自乙醇或/和丙酮。
7.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，对熔化区、钼及钢的热影响区进行惰性气体保护。
8.根据权利要求7所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述激光焊接的参数控制为：激光功率800-1000W，焊接速度1200-1400mm/min，离焦量0mm，保护气体流量为正面12-18L/min，背面10-15L/min。
9.根据权利要求1所述的钼/钢异种金属激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述钼材料为纯钼或钼合金，所述的钢材料为奥氏体或马氏体不锈钢。
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