CN113732504A - 一种ods强化钨/钼及其合金焊接性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，包括：钨/钼及其合金焊接面打磨清洁处理；将稀土氧化物La₂O₃/Nd₂O₃/Sm₂O₃/Gd₂O₃/Y₂O₃中的一种配成胶体溶液；将胶体溶液均匀地涂刷在对接面处；将涂覆有胶体的焊接材料低温干燥；将备焊材料对接，放置于真空或者气体保护环境中；激光焊接或等离子束焊接，同步对熔池处进行超声振荡，使稀土氧化物充分均匀的扩散掺入至熔池。本发明通过添加稀土氧化物作为焊接缝中第二相，能够避免焊接缝处粗大晶粒的形成，从而强化焊接缝的性能。

Description

一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法

技术领域

本发明涉及调控改善钨/钼合金焊接缝性能的方法，特别是一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法。

背景技术

钨/钼具有熔点高，高温强度好等特点。但是，焊接难度较大。同时钨钼是体心立方金属，具有低温脆性和高温氧化的特点，对气体杂质元素氧、氮、碳十分敏感。因此在焊接时容易形成双重缺陷。一是在焊接缝处容易形成粗大组织，强度降低。二是微量杂质元素氧、碳、氮容易生成气孔和夹杂等缺陷，恶化焊接缝的力学性能。为了保证钨钼金属材料的焊接性能，避免空气环境下氧、氮元素的影响，需要在真空和氩气保护环境下进行。即使如此，焊接缝处粗大的晶粒对其性能影响依然严重。因此，避免焊接缝处粗大晶粒的形成，成为提高钨钼焊接性能的主要方向。

近年来，针对钨/钼及其合金的焊接方面的缺点，业界人士对焊接工艺得到了一些改进。主要有三种手段。一是热处理工艺方面，如专利号CN201710472561.5通过焊前及焊后热处理降低应力和减少杂质元素的含量，与此同时通过加快冷却速率来减小晶粒大小，从而提高焊接缝的综合力学性能。二是添加合金成分方面，比如在焊接缝处添加钛、锆等合金化元素。如西安交通大学张林杰等人添加钛箔。三是改变焊接气氛方面。比如西安交通大学张林杰教授采用氮气气氛焊接。

现有通过添加合金化元素提升钨/钼及其合金焊接的方法存在以下方面问题：

1.添加钛箔或者锆箔，对添加材料的规格尺寸要求高；

2.添加材料的装配困难，需要严格控制公差及形状；

3.所添加的数量受其在钨/钼及其合金中的固溶度限制。

因此亟需一种能够做到尽量避免以上问题，同时又能够有效改善钨/钼及其合金的焊接缝综合力学性能的焊接方法。对焊接缝处添加稀土氧化物，来增强焊接性能方面的工作，尚未见到报导。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，通过添加稀土氧化物作为焊接缝中第二相，避免焊接缝处粗大晶粒的形成，强化焊接缝的性能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，包括：

将钨或钼及其合金焊接面打磨，清洁处理至接触面平整光洁；

将稀土氧化物配制成胶体溶液；

将胶体溶液均匀地喷涂或刷涂在相邻待焊接钨或钼及其合金材料的对接面处，将涂覆有胶体的焊接材料室温干燥；

将钨或钼及其合金焊接面对接，放置于真空或者氩气氛围中，采用激光焊接，熔化钼铼合金丝，焊接缝形成熔池；

同步对熔池处进行超声振荡，使稀土氧化物扩散掺入至熔池中；

将焊接后的材料进行热处理，随炉冷却至室温，得到焊接后的产品。

优选的，将钨或钼及其合金焊接面打磨，去除待焊接表面的氧化膜，酒精和无尘布擦洗，不锈钢丝刷除残余物。

优选的，稀土氧化物为La₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃、Gd₂O₃或Y₂O₃中的一种，颗粒度为50～100nm。

优选的，将稀土氧化物溶于水中，电磁搅拌6h，配制成胶体溶液；

在焊缝处稀土氧化物质量分数为0.6～1.2％。

优选的，真空度为1×10^-3～1×10^-4Pa。

优选的，超声震荡频率为30～40kHz，超声震荡时间为20～30min。

优选的，激光焊接激光功率为1500～2000w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.5～0.8mm，焊接速度为1～2m/min。

优选的，在真空退火炉中1300～1400℃下退火1～2h。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明通过稀土氧化物的添加和稀土氧化物颗粒尺度的控制来实现对钨/钼及其合金焊接性能的有效调控。采用了稀土氧化物作为增强熔铸组织的细晶剂，对钨/钼及其合金熔铸组织具有显著的细化晶粒效果，而且对晶界氧元素具有显著的净化作用。

本发明的特点在于：

1.由于添加物为稀土氧化物粉末，所占空间较小，装配容易不需要严格控制公差及形状，此外，也克服了钛、锆箔规格尺寸要求高的缺点。

2.所需稀土氧化物较小的质量分数0.6～1.2％，加入稀土氧化物，晶粒会得到有效细化，屈服强度提高45～50％，断裂强度能提高约30％，断裂韧性提高50％，韧脆转变温度降低降低70～90℃，对稀土氧化物量的较小需求，规避了固溶元素强化中固溶度的限制。

3.装配方式简单多样，可以是涂覆、蒸镀、喷涂及溅射等。

4.利用稀土氧化物对钨/钼及其合金晶界净化和强化的双重效果，大限度的减小晶粒直径，减少晶界杂质，有效提升焊接缝的强度和韧性，韧脆转变温度大幅降低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为ODS强化钨钼合金焊接示意图；

图2为端塞结构示意图；

图3为钨钼合金管结构示意图。

图中：1、钨合金管；2、稀土氧化物；3、端塞；4、焊接缝。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明提供的ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，步骤如下：

步骤1，将焊接面处充分打磨，在需要焊接的表面用酒精和无尘布进行擦洗以除去表面的油污，再用角磨机打磨母材去除待焊接表面的氧化膜，除去表面的氧化层；然后用洁净的不锈钢丝刷再次处理待焊接表面，使其光滑平整；用吹风机吹干残余酒精，除去焊接缝处的杂质，保证焊接材料接触面平整和光洁。

步骤2，取适量的稀土氧化物，La₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃、Gd₂O₃或Y₂O₃溶于水中，利用电磁搅拌器搅拌6h，将以上稀土氧化物配成胶体水溶液，使其充分分散均匀；其中稀土氧化物的颗粒直径为50～100nm，以利于La₂O₃的弥散分布，提高强化效果。

步骤3，将配制好的胶体水溶液均匀地喷涂或者刷在两个待焊接材料的对面和上下面处；焊接材料涂覆胶体后，20℃左右充分风干。将涂覆有胶体的焊接材料低温干燥，防止处理后的母材再次被氧化。

步骤4，将备焊材料对接和装配好，如图1所示，钨合金管1与端塞3套接，见图1-3所示；将稀土氧化物2涂覆在焊接缝4表面。

步骤5，在真空(1×10^-3～1×10^-4Pa)或氩气气氛下，将母材进行激光焊接，激光焊的激光功率为1500～2000w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.5～0.8mm，焊接速度为1～2m/min，熔化焊接缝，真空或氩气气氛能够降低焊接过程中氧化和氮化的程度。

步骤6，焊接时同步对熔池处进行超声振荡，超声振荡频率为30～40kHz，处理时间为20～30min，使稀土氧化物充分均匀的扩散掺入至熔池中。

步骤7，对焊接后材料进行热处理，消除焊接应力。将焊接后的母材置于真空退火炉中，加热到1300～1400℃，并保持1～2h，最后随炉冷却至室温状态，得到焊接后的产品。

将焊接后的材料置于真空退火炉中，能够消除焊接过程中形成的气泡、偏析等缺陷，调整强度，调整组织的同时还能避免与其他气体的接触。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

1)将钨焊接面打磨，清洁处理至接触面平整光洁；

2)将稀土氧化物La₂O₃配制成胶体溶液；La₂O₃颗粒度为80nm；

3)将胶体溶液均匀地喷涂在相邻待焊接钨的对接面处，在焊缝处稀土氧化物质量分数为1.0％；将涂覆有胶体的焊接材料室温干燥；

4)将钨焊接面对接，放置于真空为1×10^-3Pa中，采用激光焊接，激光功率为1500w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.7mm，焊接速度为1m/min；熔化钼铼合金丝，焊接缝形成熔池；

5)同步对熔池处进行超声振荡，超声震荡频率为35kHz，超声震荡时间为20min；使稀土氧化物扩散掺入至熔池中；

6)将焊接后的材料进行热处理，在真空退火炉中1300℃下退火2h；随炉冷却至室温，得到焊接后的产品。

实施例2

1)将钼焊接面打磨，清洁处理至接触面平整光洁；

2)将稀土氧化物Nd₂O₃配制成胶体溶液；Nd₂O₃颗粒度为100nm；

3)将胶体溶液均匀地刷涂在相邻待焊接钼的对接面处，在焊缝处稀土氧化物质量分数为0.6％；将涂覆有胶体的焊接材料室温干燥；

4)将钼焊接面对接，放置于氩气气氛中，采用激光焊接，激光功率为1600w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.8mm，焊接速度为1.5m/min；熔化钼铼合金丝，焊接缝形成熔池；

5)同步对熔池处进行超声振荡，超声震荡频率为30kHz，超声震荡时间为25min；使稀土氧化物扩散掺入至熔池中；

6)将焊接后的材料进行热处理，在真空退火炉中1400℃下退火1h；随炉冷却至室温，得到焊接后的产品。

实施例3

1)将钼合金焊接面打磨，清洁处理至接触面平整光洁；

2)将稀土氧化物Sm₂O配制成胶体溶液；Sm₂O颗粒度为60nm；

3)将胶体溶液均匀地喷涂在相邻待焊接钼合金的对接面处，在焊缝处稀土氧化物质量分数为1.2％；将涂覆有胶体的焊接材料室温干燥；

4)将钼合金焊接面对接，放置于真空为1×10^-4Pa中，采用激光焊接，激光功率为1800w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.6mm，焊接速度为2m/min；熔化钼铼合金丝，焊接缝形成熔池；

5)同步对熔池处进行超声振荡，超声震荡频率为35kHz，超声震荡时间为20min；使稀土氧化物扩散掺入至熔池中；

6)将焊接后的材料进行热处理，在真空退火炉中1350℃下退火1h；随炉冷却至室温，得到焊接后的产品。

实施例4

1)将钨合金焊接面打磨，清洁处理至接触面平整光洁；

2)将稀土氧化物Gd₂O₃配制成胶体溶液；Gd₂O₃颗粒度为50nm；

3)将胶体溶液均匀地刷涂在相邻待焊接钨合金的对接面处，在焊缝处稀土氧化物质量分数为0.8％；将涂覆有胶体的焊接材料室温干燥；

4)将钨合金焊接面对接，放置于氩气气氛中，采用激光焊接，激光功率为2000w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.5mm，焊接速度为1.5m/min；熔化钼铼合金丝，焊接缝形成熔池；

5)同步对熔池处进行超声振荡，超声震荡频率为35kHz，超声震荡时间为30min；使稀土氧化物扩散掺入至熔池中；

6)将焊接后的材料进行热处理，在真空退火炉中1380℃下退火1.5h；随炉冷却至室温，得到焊接后的产品。

下面表1为实施例1-4制备得到的焊接产品性能对比。(其中对比样为不采用钼铼合金焊接工业纯钼的实例)

表1：性能对比

从表1可以看出：稀土氧化物颗粒的加入对于焊接缝的力学性能提升比较显著。稀土氧化物的加入使晶粒平均大小大大降低，屈服强度不低于712MPa，屈服强度提高45％～50％；断裂强度不低于748MPa，断裂强度能提高约30％；断裂韧性不低于49.2MPa·m^1/2，断裂韧性能提高约50％；韧脆转变温度不高于-43℃，韧脆转变温度可以降低70℃～90℃。由此可以得出：将稀土氧化物作为钨钼及其合金焊接缝的强化剂可以有效提高焊接缝的综合力学性能。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，包括：

将钨或钼及其合金焊接面打磨，清洁处理至接触面平整光洁；

将稀土氧化物配制成胶体溶液；

将胶体溶液均匀地喷涂或刷涂在相邻待焊接钨或钼及其合金材料的对接面处，将涂覆有胶体的焊接材料室温干燥；

将钨或钼及其合金焊接面对接，放置于真空或者氩气气氛中，采用激光焊接，熔化钼铼合金丝，焊接缝形成熔池；

同步对熔池处进行超声振荡，使稀土氧化物扩散掺入至熔池中；

将焊接后的材料进行热处理，随炉冷却至室温，得到焊接后的产品。

2.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，将钨或钼及其合金焊接面打磨，酒精和无尘布擦洗，去除待焊接表面的氧化膜，不锈钢丝刷除残余物。

3.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，稀土氧化物为La₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃、Gd₂O₃或Y₂O₃中的一种，颗粒度为50～100nm。

4.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，将稀土氧化物溶于水中，电磁搅拌6h，配制成胶体溶液；

在焊缝处稀土氧化物质量分数为0.6～1.2％。

5.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，真空度为1×10^-3～1×10^-4Pa。

6.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，超声震荡频率为30～40kHz，超声震荡时间为20～30min。

7.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，激光焊接激光功率为1500～2000w，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.5～0.8mm，焊接速度为1～2m/min。

8.根据权利要求1所述的一种ODS强化钨/钼及其合金焊接性能的方法，其特征在于，在真空退火炉中1300～1400℃下退火1～2h。

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