CN114178638A - 一种高强石墨管与钛合金管套接复合构件的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强石墨管与钛合金管复合构件的焊接方法，属于异种材料连接技术领域。将箔片钎料装配在高强石墨管与钛合金管之间留有的间隙中，得到组件置于真空钎焊炉中进行焊接，在焊接中对钛合金管内壁施加压力控制钛合金管在加热后冷却收缩产生的变形。本发明的方法通过采用在真空钎焊时压力施加控制钛合金管冷却收缩的措施，实现高强石墨管与钛合金管的可靠焊接，熔化的镍基钎料将两种材料有效的连接，并充当热流的导体；对得到的组件进行压剪切强度测试，测试结果表明组件的破坏均发生在石墨上。
Description
1.1技术领域
本发明涉及一种高强石墨管与钛合金管套接复合构件焊接方法，属于异种材料连接技术领域。
1.2背景技术
石墨在高温下强度高，具有传热性、抗热震性、耐腐蚀性、润滑性好等优点它已经成为高温环境下不可缺少的结构材料。在航天领域石墨材料可用于航天火箭发动机喷管喉衬等部件。钛合金是新型轻质合金材料，它具有较高的比强度、耐高温和抗腐蚀性等一系列优良性能。石墨与钛合金的焊接复合件结合两者的优点，在国防军工、民用科技方面有很广阔的发展前景。但石墨与钛合金的热膨胀系数相差巨大，所以石墨与钛合金的之间焊接后会产生巨大的残余应力，导致焊缝之间出现裂纹等缺陷。将金属管套接于高强石墨管内部是是一种新型高效的高温热防护方法。它是一种利用金属管内部冷却进行热量传递的高效传热构件，这种热防护结构能够经受长时间、高热流密度的加热，该结构可用作航空航天和核能领域的换热器。采用现有钎焊技术连接此复合构件时，由于高强石墨的热膨胀系数(CTE)很低，而钛合金管的CTE是石墨CTE的几倍之多，两者之间焊接后会产生巨大的残余应力，因此管状套接结构中的钎焊间隙十分重要，间隙小了钛合金管会将石墨管挤胀开裂，如果间隙大了会导致钛合金管收缩而拉裂石墨管的焊缝，同时也会出现钎料无法填满间隙而留下空隙的情况。这些问题都会降低构件的导热性能和力学性能。
1.3发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种高强石墨管与钛合金管套接复合构件焊接方法，该方法将高强石墨管与钛合金管进行连接。
为了达到上述目的，本发明的方法包括以下步骤：
1)对待焊样品表面处理：高强石墨管和钛合金管经280#、400#、500#、600#、800#砂纸打磨去除表面粗糙杂物和氧化膜，后在无水乙醇中超声清洗20min，在烘干箱中进行烘干备用。
2)焊件装配：高强石墨管与钛合金管之间间隙保持在200μm左右将箔片钎料装配在高强石墨管与钛合金管之间的间隙中的到待焊组件，所述钎料为银铜钛、BNi2、钛锆镍铜三者中的任意组合。3)真空加压钎焊：将装配完成的组件放入真空钎焊炉中进行焊接，真空度高于2.0×10-3Pa，1020-1060℃，保持10-60min，且在到达焊接温度稳定8min后对钛合金管施加3MPa-5MPa压力，压力一直维持直至冷却到室温。
4)控制冷却：在焊接完成后以3-5℃/min的冷却速度缓冷到850-900℃保温10-30min，再以2-3℃/min冷却到550-600℃保温30-60min，再随炉缓冷到室温。
有益效果
本发明的方法通过采用真空钎焊技术，在达到钎焊温度后稳定8min后对钛合金内表面施加3-5Mpa压力，使钛合金管在加热到焊接温度后的冷却过程中，与钛合金管收缩方向相反的一个压力，控制钛合金的收缩变形，以此达到减缓高强石墨管与钛合金管之间巨大的残余应力。
实现高强石墨管与钛合金管的可靠焊接，熔化的钎料将两种材料有效的连接，对得到的组件进行压剪切强度测试，测试结果表明组件的破坏均发生在石墨上。
1.4附图说明
图1为实施例1中高强石墨管与钛合金管的微观组织图。
1.5具体实施方式
具体实施例1
高强石墨管的尺寸内径为16.4mm、长度30mm、壁厚5mm；钛合金管外径16mm，长度30mm、壁厚1mm，钎料为银铜钛箔片钎料和非晶镍基箔片钎料BNi2，厚度为35μm
1)将高强石墨管和钛合金管表面用经280#、400#、500#、600#、800#砂纸打磨去除表面粗糙杂物和氧化膜，将高强石墨管、钛合金管和银铜钛箔片钎料和非晶镍基箔片钎料BNi2放入超声波清洗机用乙醇清洗20min，放入烘干箱中烘干；
2)高强石墨管与钛合金管之间间隙保持在200μm左右，将银铜钛箔片钎料和非晶镍基箔片钎料BNi2裁剪成与待焊接的接头表面积一样的大小的箔片，装配在高强石墨管与钛合金管之间的间隙中，在装配完镍基箔片钎料后高强石墨管与钛合金管之间还留有50μm的间隙，最后得到待焊组件。
3)将组件置于真空钎焊炉中，在真空度高于2.0×10-3Pa的条件下，温度1020℃下进行焊接，保持10min，焊接时对钛合金管施加3MPa压力，焊接完成后得到高强石墨管与钛合金管复合构件。
4)随炉缓冷：在焊接完成后以3℃/min的冷却速度缓冷到900℃保温10min，再以3℃/min冷却到600℃保温10min，再以3℃/min冷却到室温。
对高强石墨管与钛合金管焊接以后的横截面进行微观分析，如图1所示，可以看出高强石墨与钛合金结合良好，没有裂纹缺陷。将得到的高强石墨管与钛合金管复合构件进行压剪切强度测试，并观察断口形貌，结果表明，破坏发生在石墨上。
具体实施例2
高强石墨管的尺寸内径为16.4mm、长度30mm、壁厚5mm；钛合金管外径16mm，长度30mm、壁厚1mm，钎料为钛锆镍铜箔片钎料和非晶镍基箔片钎料BNi2，厚度为35μm
1)将高强石墨管和钛合金管表面用经280#、400#、500#、600#、800#砂纸打磨去除表面粗糙杂物和氧化膜，将高强石墨管、钛合金管和钛锆镍铜箔片钎料和非晶镍基箔片钎料BNi2放入超声波清洗机用乙醇清洗20min，放入烘干箱中烘干；
2)高强石墨管与钛合金管之间间隙保持在200μm左右，将钛锆镍铜箔片钎料和非晶镍基箔片钎料BNi2裁剪成与待焊接的接头表面积一样的大小的箔片，装配在高强石墨管与钛合金管之间的间隙中，在装配完镍基箔片钎料后高强石墨管与钛合金还留有55μm的间隙，最后得到待焊组件。
3)将组件置于真空钎焊炉中，在真空度高于2.0×10-3Pa的条件下，温度1040℃下进行焊接，保持20min，焊接时对钛合金管施加4MPa压力，焊接完成后得到高强石墨管与钛合金管复合构件。
4)随炉缓冷：在焊接完成后以4℃/min的冷却速度缓冷到900℃保温15min，再以2℃/min冷却到600℃保温15min，再以2℃/min冷却到室温。
对得到的高强石墨管与钛合金管复合构件进行微观组织分析和压剪切强度测试，结果与实施例1一致。
具体实施例3
高强石墨管的尺寸内径为16.4mm、长度30mm、壁厚5mm；钛合金管外径16mm，长度30mm、壁厚1mm，钎料为银铜钛箔片钎料和钛锆镍铜箔片钎料，厚度为35μm
1)将高强石墨管和钛合金管表面用经280#、400#、500#、600#、800#砂纸打磨去除表面粗糙杂物和氧化膜，将高强石墨管、钛合金管和银铜钛箔片钎料和钛锆镍铜箔片钎料放入超声波清洗机用乙醇清洗20min，放入烘干箱中烘干；
2)高强石墨管与钛合金管之间间隙保持在200μm左右，将银铜钛箔片钎料和钛锆镍铜箔片钎料裁剪成与待焊接的接头表面积一样的大小的箔片，装配在高强石墨管与钛合金管之间的间隙中，在装配完镍基箔片钎料后高强石墨管与钛合金还留有60μm的间隙，最后得到待焊组件。
3)将组件置于真空钎焊炉中，在真空度高于2.0×10-3Pa的条件下，温度1050℃下进行焊接，保持30min，焊接时对钛合金管施加5MPa压力，焊接完成后得到高强石墨管与钛合金管复合构件。
4)随炉缓冷：在焊接完成后以4℃/min的冷却速度缓冷到900℃保温20min，再以2℃/min冷却到600℃保温20min，再以2℃/min冷却到室温。
对得到的高强石墨管与钛合金管复合构件进行微观组织分析和压剪切强度测试，结果与实施例1一致。
具体实施例4
高强石墨管的尺寸内径为16.4mm、长度30mm、壁厚5mm；钛合金管外径16mm，长度30mm、壁厚1mm，钎料为非晶镍基箔片钎料BNi2，厚度为35μm
1)将高强石墨管和钛合金管表面用经280#、400#、500#、600#、800#砂纸打磨去除表面粗糙杂物和氧化膜，将高强石墨管、钛合金管和非晶镍基箔片钎料BNi2放入超声波清洗机用乙醇清洗20min，放入烘干箱中烘干；
2)高强石墨管与钛合金管之间间隙保持在200μm左右，将非晶镍基箔片钎料BNi2裁剪成与待焊接的接头表面积一样的大小的箔片，装配在高强石墨管与钛合金管之间的间隙中，在装配完镍基箔片钎料后高强石墨管与钛合金还留有65μm的间隙，最后得到待焊组件。
3)将组件置于真空钎焊炉中，在真空度高于2.0×10-3Pa的条件下，温度1060℃下进行焊接，保持60min，焊接时对钛合金管施加4MPa压力，焊接完成后得到高强石墨管与钛合金管复合构件。
4)随炉缓冷：在焊接完成后以3℃/min的冷却速度缓冷到900℃保温10min，再以4℃/min冷却到600℃保温10min，再以3℃/min冷却到室温。
对得到的高强石墨管与钛合金管复合构件进行微观组织分析和压剪切强度测试，结果与实施例1一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高强石墨管与钛合金管套接复合构件焊接方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
1)表面处理：将高强石墨管与钛合金管经砂纸打磨去除表面粗糙杂物后在无水乙醇中超声清洗，在烘干箱中进行烘干备用。
2)焊件装配：将箔片钎料装配在高强石墨管与钛合金管之间的间隙中得到待焊组件。
3)真空加压钎焊：将装配完成的含件放入真空钎焊炉中，加热到1020℃-1060℃保温10min-60min进行焊接。在到达焊接温度后稳定8min后对钛合金管的内壁施加3-5Mpa的压力，压力一直维持直至冷却到室温。
4)控制冷却：在焊接完成后以3-5℃/min的冷却速度缓冷到850-900℃保温10-30min，再以2-3℃/min冷却到550-600℃保温30-60min，再随炉缓冷到室温。
2.根据权利要求1所述的一种高强石墨管与钛合金管套接复合构件焊接方法，其特征在于：步骤3)中真空钎焊炉中真空度高于2.0×10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种高强石墨管与钛合金管套接复合构件焊接方法，其特征在于：步骤2)所述钎料为银铜钛、BNi2、钛锆镍铜三者中的任意组合。
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