CN115415623A - 钼合金热管套接接头的组焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钼合金热管套接接头的组焊方法，钼合金热管套接接头的组焊方法中，对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，对端塞待装配的外圆面采用三步法由外向内逐步打磨修配；制备金属箔圆环；制备带包边的三明治结构的层状金属组合；在待焊接工件的待焊对接区域填充中间层金属，在待焊接工件的待焊搭接区域填充三明治结构的层状金属组合，再完成待焊接工件的装配；在待焊接处两侧距离对接缝隙超过2‑5mm的工件表面缠绕金属箔材；将待焊接工件置于惰性气体保护气氛或真空环境中，再对待焊接工件的待焊结合区域进行预热；完成待焊接工件的熔焊焊接,保温完成后在相同环境下冷却至室温。该方法能够有效提高钼及钼合金焊接接头的力学性能。

Description

钼合金热管套接接头的组焊方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别是一种钼合金热管套接接头的组焊方法。

背景技术

钼是稀有金属，熔点高达2610℃，具有中子吸收截面小、高温性能优异、热膨胀系数低、抗热震性能好和抗腐蚀性能强等优点，因而广泛应用于冶金、机械、国防、航空航天、电子和核工业等诸多领域。但钼及钼合金焊接性极差，熔焊后易出现裂纹、气孔、组织粗化、接头脆化等问题，尤其是高性能钼合金一旦经历熔化/凝固或再结晶，其强韧性优势将消失。由于钼的熔点很高，所以钼及钼合金一般采用粉末冶金的方式加工制备，导致材料的致密度较低，含气量较高；同时钼在高温下对杂质元素(C、O、N等) 十分敏感，当熔焊熔池凝固时，杂质元素易在晶界处偏析，造成晶界弱化，接头力学性能上表现为强度低、塑性差，上述问题严重制约了钼及钼合金作为结构材料在航空航天、核电等领域的应用。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种钼合金热管套接接头的组焊方法，通过利用Ni-Mo共晶反应和Ni-Ti共晶反应的三明治结构钎料、限定最小焊接圈数、提高装配质量等措施，能够有效增大直径和壁厚尺寸较大的钼合金热管套接接头钎焊结合区的尺寸，提高钼及钼合金焊接接头的力学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种钼合金热管套接接头的组焊方法包括：

步骤1：对母材为钼或钼合金的待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，待焊结合区域依次进行砂纸打磨、碱洗、蒸馏水冲洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干，待焊结合区域包括待焊对接区域和待焊搭接区域；

步骤2：端塞的待装配的外圆面采用三步法由外向内逐步打磨修配使其适配于钼管的径向和轴向配合间隙；

步骤3：制备金属箔圆环用作填充焊缝区的中间层金属，金属箔圆环的尺寸与端塞的台阶面匹配；

步骤4：制备用做钎焊区填充材料的带包边的三明治结构的层状金属组合，取长度和宽度分别为2L和B的Ni箔一张平铺放置；取长度和宽度分别为L和B的Ti箔或Zr箔一张平铺放置于Ni箔上且与Ni箔三边对齐；沿位于Ni箔中部的Ti箔或Zr箔宽度B方向的边线对折Ni箔，得到带包边的三明治结构的层状金属组合；

步骤5：在所述待焊对接区域填充中间层金属，在所述待焊搭接区域填充所述层状金属组合，再完成待焊接工件的装配，其中，层状金属组合的填充范围覆盖焊接过程中待焊接工件激光焊的热影响区；

步骤6：在所述待焊结合区域的对接缝隙超过2-5mm的工件表面缠绕在焊接过程中不发生熔化的金属箔材；

步骤7：将待焊接工件装夹在三爪卡盘上，在旋转状态下用千分表检测待焊处的圆跳动，调整装配至径向圆跳动不超过0.05mm；

步骤8：将待焊接工件置于惰性气体保护气氛或真空环境中，再对所述待焊结合区域进行预热；

步骤9：完成待焊接工件的熔焊焊接，在焊接过程中，所述待焊对接区域的中间层金属及其附近的所述搭接区域的层状金属组合发生熔化，使中间层金属、层状金属组合与待焊接工件的母材形成熔钎焊冶金结合的焊接接头；

步骤10：在惰性气体保护气氛或真空环境中对所述焊接接头进行保温，保温完成后在相同环境下冷却至室温。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤1中，所述母材包括纯钼、TZM合金、TZC合金、Mo-W合金、Mo-Re合金、元素含量≤2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量≤2wt％的钼合金。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤2中，三步法中，用砂纸修磨靠近端塞外端的一半外圆面A区，使其适配于钼管径向配合间隙；然后用砂纸修磨远离端塞外端的另一半外圆面B区，使其适配于钼管径向配合间隙；最后用锉刀修磨装配面倒角处C区，使其适配于钼管径向和轴向配合间隙，使得钼管和端塞的径向错边量不超过0.05mm以及装配后的接头悬空放置且轴线平行于重力方向且钼管在上、端塞在下时，径向装配面摩擦力使得端塞在重力作用下不会向下掉落。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤3中，使用激光打标机切割出尺寸与端塞台阶面匹配的金属箔圆环。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤3中，中间层金属为Ti或Zr。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤6中，金属箔材为Ti箔或Zr箔。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，中间层金属和层状金属组合的纯度≥99.99％。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤6中，金属箔材的纯度≥99.99％，金属箔材的厚度为0.01mm-0.1mm，金属箔材的宽度为5mm-15mm。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤8中，待焊接工件置于纯度≥99.999％的氩气保护气氛中或真空度≤10^-1Pa的真空环境中。

所述的钼合金热管套接接头的组焊方法中，步骤8，所述预热的温度为600℃-700℃。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的钼合金热管套接接头的组焊方法首先通过采取“三步法”打磨修配端塞待装配的外圆面、激光打标机切割金属箔圆环以及制作带包边的三明治结构的层状金属组合等一系列手段，可以显著提高热管焊接件的装配效率。然后在待焊接工件的待焊对接区域填充中间层金属，在待焊接工件的待焊搭接区域填充三明治结构的层状金属组合，其中，中间层金属和三明治结构的层状金属组合的熔点低于待焊接工件的熔点，使得在熔焊过程中中间层金属熔化进入到熔池中以实现焊缝的微合金化，同时由于钼及钼合金的导热率高，使得焊缝区附近的搭接区域中的三明治结构的层状金属组合发生熔化，从而形成寄生于熔焊热影响区的钎焊界面，且三明治结构的层状金属组合熔化后会发生共晶反应，生成低熔点共晶产物，从而增大钎焊界面的结合面积，具有明显的辅助承载作用。同时通过采用在焊缝附近缠绕高温下吸氢、吸氧效果好的金属箔材和限定最小焊接圈数的方法，可以有效减少保护气氛中氧气、氢气进入熔池的量，有效改善钼合金焊接接头的气孔缺陷。经试验，采用本发明后钼及钼合金的熔焊接头的强韧性得到显著提高，焊接接头室温拉伸强度达到母材室温拉伸强度的80％以上，焊缝拉伸断口微观形貌主要表现为解理和沿晶混合断裂形式。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为Mo-Ti相图；

图2为Mo-Ni相图；

图3为Ti-Ni相图；

图4a为实施例一中钼管1的尺寸示意图；

图4b为实施例一中端塞2的尺寸示意图；

图4c为实施例一中“三步法”打磨端塞2的具体操作流程图；

图4d为实施例一中中间层金属3的尺寸示意图；

图4e为实施例一中带包边的三明治结构的层状金属组合4的制备流程图；

图4f为实施例一中在对接处加中间层金属3，在搭接处加三明治结构的层状金属组合4，在待焊接处两侧距离对接缝隙2mm处的工件表面缠绕一层0.05mm厚金属箔材5的结构示意图；

图5a为钼管1母材拉伸试样示意图；

图5b为钼管1母材拉伸试样断裂后的宏观形貌图；

图6a为实施例一中焊接接头拉伸试样示意图；

图6b为实施例一中焊接接头拉伸试样断裂后的宏观形貌图；

图7为实施例一中的拉伸曲线图；

图8a为钼管1母材的拉伸断口显微形貌图；

图8b为实施例一中焊接接头的拉伸断口显微形貌图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图8b更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，钼合金热管套接接头的组焊方法包括，

1)对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，所述待焊接工件的材质为钼或钼合金；

2)对端塞2待装配的外圆面采用“三步法”由外向内逐步打磨修配：首先用砂纸修磨靠近端塞2外端的一半外圆面A区，使其与钼管1径向配合间隙满足要求；然后用砂纸修磨距离端塞2外端较远的另一半外圆面B区，使其与钼管1径向配合间隙满足要求；最后用锉刀修磨装配面倒角处C区，使其与钼管1径向和轴向配合间隙满足要求。

3)制备金属箔圆环，用作焊缝区填充材料。使用激光打标机切割出尺寸与端塞2台阶面匹配的金属箔圆环，材质为Ti或Zr，用作填充焊缝区的中间层金属3。

4)制备带包边的三明治结构的层状金属组合4，用做钎焊区填充材料。取长度和宽度分别为2L和B的Ni箔一张平铺放置；取长度和宽度分别为L和B的Ti箔或Zr箔一张平铺放置于Ni箔上，与 Ni箔三边对齐；沿位于Ni箔中部的Ti箔或Zr箔宽度B边线对折 Ni箔，得到带包边的Ni/X/Ni三明治结构的层状金属组合4。

5)在待焊接工件的对接区域填充中间层金属3，在待焊接工件的搭接区域填充三明治结构的层状金属组合4，再完成待焊接工件的装配，其中，中间层金属3和三明治结构的层状金属组合4的熔点低于待焊接工件的熔点，中间层金属3的填充范围覆盖焊接过程中待焊接工件的焊缝区，三明治结构的层状金属组合4的填充范围覆盖焊接过程中待焊接工件激光焊的热影响区；

6)在待焊接处两侧距离对接缝隙超过2-5mm的工件表面缠绕高温下吸氢、吸氧效果好的金属箔材5，金属箔材5为Ti箔或Zr箔，金属箔材5在焊接过程中不发生熔化；

7)将待焊接工件装夹在三爪卡盘上，在旋转状态下用千分表检测待焊处的圆跳动，调整装配质量至径向圆跳动不超过0.05mm；

8)将待焊接工件置于惰性气体保护气氛或真空环境中，再对待焊接工件的待焊结合区域进行预热；

9)完成待焊接工件的熔焊焊接，在焊接过程中，待焊接工件的接头对接区域的中间层金属3及其附近搭接区域的三明治结构的层状金属组合4发生熔化，使中间层金属3、三明治结构的层状金属组合4与待焊接工件的母材形成熔钎焊冶金结合；焊接圈数应不少于6圈，以获得焊缝区熔深稳定、焊缝气孔缺陷少、钎焊区充分加热的焊接接头；

10)在惰性气体保护气氛或真空环境中对焊接后工件的焊接接头进行保温，保温完成后在相同环境下冷却至室温，完成钼合金热管套接接头的熔焊焊接。

步骤1)中对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理的具体操作为：将待焊接工件的待焊结合区域依次进行砂纸打磨、碱洗、蒸馏水冲洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干。

待焊接工件的材质为纯钼、TZM合金、TZC合金、Mo-W合金、 Mo-Re合金、元素含量≤2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量≤2wt％的钼合金。

步骤9)中采用激光焊方法完成待焊接工件的熔焊焊接。

中间层金属3和三明治结构的层状金属组合4的纯度≥99.99％。

步骤6)中在待焊接处两侧距离对接缝隙超过2-5mm的工件表面缠绕高温下吸氢、吸氧效果好的金属箔材5，金属箔材5的纯度≥ 99.99％，金属箔材5厚度为0.01mm-0.1mm，金属箔材5宽度为5mm- 15mm。

步骤8)中将待焊接工件置于纯度≥99.999％的氩气保护气氛中或真空度≤10-1Pa的真空环境中。

步骤8)中的预热温度为600℃-700℃。

步骤5)中待焊接工件的装配完成后，待焊接工件的对接间隙≤0.1mm，待焊接工件接合处的错边量≤待焊接工件厚度的10％，且待焊接工件接合处的错边量＜0.5mm。

实施例一

中间层金属3的材料选用Ti，根据图1的Mo-Ti相图可知，Ti 与Mo可以生成无限固溶体，同时无脆性相的生成，且固溶体的熔点较高，具有良好的高温力学性能；高温下Ti相比于Mo更容易与O 结合，可以起到净化晶界的作用，同时Mo、Ti和O之间发生反应，生成MoxTiyO复合氧化物的第二相粒子，可以起到第二相粒子强化的作用。三明治结构的层状金属组合4的材料选用Ni/Ti/Ni，根据图 2的Mo-Ni相图和图3的Ti-Ni相图可知，Mo-Ni之间和Ti-Ni之间均可形成低熔点共晶产物，从而增大钎焊界面的结合面积，具有明显的辅助承载作用。

以钼合金热管套接接头的激光焊为例，钼管1和端塞2的尺寸分别如图4a和图4b所示；焊接的主要流程为：1)将钼管1和端塞 2的待焊接部位用砂纸进行打磨，其中对端塞2待装配的外圆面采用“三步法”由外向内逐步打磨修配：首先用砂纸修磨靠近端塞2外端的一半外圆面A区，使其与钼管1径向配合间隙满足要求；然后用砂纸修磨距离端塞2外端较远的另一半外圆面B区，使其与钼管1径向配合间隙满足要求；最后用锉刀修磨装配面倒角处C区，使其与钼管1径向和轴向配合间隙满足要求，具体操作方式如图4c所示。修配完成后用稀NaOH溶液对其进行碱洗，碱洗完成后用蒸馏水洗净残留碱液后浸入丙酮中超声清洗60min，超声清洗完成后烘干备用； 2)如图4d所示，使用激光打标机将0.1mm厚的纯Ti箔加工成外径为16mm，内径为14.4mm的环形垫片。如图4e所示，将0.01mm厚、 10mm长的纯Ni箔和0.05mm厚、5mm长的纯Ti箔依次平铺放置，保证三边对齐，然后沿位于Ni箔中部的Ti箔边线对折Ni箔，得到带包边的三明治结构的层状金属组合4。用配比为HF:HNO3:H2O ＝2:1:4.5的酸液对中间层金属3和三明治结构的层状金属组合4进行酸洗，再依次用蒸馏水和丙酮洗净后烘干备用；3)如图4f所示，将钼管1和端塞2进行装配，将Ti箔环形垫片置于对接处，将三明治结构的层状金属组合4置于搭接处，保证相互之间紧密配合；同时在待焊接处两侧距离对接缝隙2mm处的工件表面缠绕一层0.05mm厚纯Ti箔，宽度为10mm；4)将待焊接工件装夹在三爪卡盘上，在旋转状态下用千分表检测待焊处的圆跳动，调整装配质量至径向圆跳动不超过0.05mm；5)将装配好的待焊接工件置于高纯氩气保护气氛中，然后对焊接接头进行预热，当温度达到600℃后，使用IPG-6000型光纤激光器以焊接功率P＝2200W、离焦量f＝0mm、焊接时间t＝4.5s、焊接圈数为8圈的焊接参数完成对钼管1和端塞2的激光焊接，焊后将焊接接头在600℃下保温1min，然后再缓慢冷却至室温后取出。

对比钼管1母材和添加中间层金属3和三明治结构的层状金属组合4的焊接接头的拉伸力学性能。钼管1母材拉伸试样和断裂后的宏观形貌如图5a和5b所示，钼管1发生颈缩且在钼管1中部附近发生断裂，表现为韧性断裂；焊接接头拉伸试样和断裂后的宏观形貌如图6a和6b所示，断裂位置一半在母材处，一半在焊缝处，表现为脆性断裂。拉伸曲线如图7所示，钼管1母材的抗拉强度为511MPa，焊接接头的抗拉强度为417MPa，达到钼管1母材抗拉强度的81.6％。说明在采用激光焊焊接钼及钼合金时，通过设计利用共晶反应的三明治结构钎料、限定最小焊接圈数、提高装配质量等措施，能够有效增大直径和壁厚尺寸较大的钼合金热管套接接头钎焊结合区的尺寸，提高钼及钼合金焊接接头的力学性能。

图8a为钼管1母材的拉伸断口显微形貌图，可以看出在厚度方向上出现明显分层现象，拉伸后纤维状轧制组织发生颈缩，沿着轧制界面发生开裂，形成“层片絮状”断口。

图8b为焊接接头的拉伸断口显微形貌图，断口中可以看到“冰糖状”晶粒界面和由解理台阶汇合形成的“河流”花样，主要表现为解理和沿晶混合断裂形式。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种钼合金热管套接接头的组焊方法，其特征在于，其包括以下步骤，

步骤1：对母材为钼或钼合金的待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，待焊结合区域依次进行砂纸打磨、碱洗、蒸馏水冲洗、丙酮浸泡超声清洗及烘干，待焊结合区域包括待焊对接区域和待焊搭接区域；

步骤2：端塞的待装配的外圆面采用三步法由外向内逐步打磨修配使其适配于钼管的径向和轴向配合间隙；

步骤3：制备金属箔圆环用作填充焊缝区的中间层金属，金属箔圆环的尺寸与端塞的台阶面匹配；

步骤4：制备用做钎焊区填充材料的带包边的三明治结构的层状金属组合，取长度和宽度分别为2L和B的Ni箔一张平铺放置；取长度和宽度分别为L和B的Ti箔或Zr箔一张平铺放置于Ni箔上且与Ni箔三边对齐；沿位于Ni箔中部的Ti箔或Zr箔宽度B方向的边线对折Ni箔，得到带包边的三明治结构的层状金属组合；

步骤5：在所述待焊对接区域填充中间层金属，在所述待焊搭接区域填充所述层状金属组合，再完成待焊接工件的装配，其中，层状金属组合的填充范围覆盖焊接过程中待焊接工件激光焊的热影响区；

步骤6：在所述待焊结合区域的对接缝隙超过2-5mm的工件表面缠绕在焊接过程中不发生熔化的金属箔材；

步骤7：将待焊接工件装夹在三爪卡盘上，在旋转状态下用千分表检测待焊处的圆跳动，调整装配至径向圆跳动不超过0.05mm；

步骤8：将待焊接工件置于惰性气体保护气氛或真空环境中，再对所述待焊结合区域进行预热；

步骤9：完成待焊接工件的熔焊焊接，在焊接过程中，所述待焊对接区域的中间层金属及其附近的所述搭接区域的层状金属组合发生熔化，使中间层金属、层状金属组合与待焊接工件的母材形成熔钎焊冶金结合的焊接接头；

步骤10：在惰性气体保护气氛或真空环境中对所述焊接接头进行保温，保温完成后在相同环境下冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，优选的，步骤1中，所述母材包括纯钼、TZM合金、TZC合金、Mo-W合金、Mo-Re合金、元素含量≤2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量≤2wt％的钼合金。

3.根据权利要求2所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤2中，三步法中，用砂纸修磨靠近端塞外端的一半外圆面A区，使其适配于钼管径向配合间隙；然后用砂纸修磨远离端塞外端的另一半外圆面B区，使其适配于钼管径向配合间隙；最后用锉刀修磨装配面倒角处C区，使其适配于钼管径向和轴向配合间隙，使得钼管和端塞的径向错边量不超过0.05mm以及装配后的接头悬空放置且轴线平行于重力方向且钼管在上、端塞在下时，径向装配面摩擦力使得端塞在重力作用下不会向下掉落。

4.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤3中，使用激光打标机切割出尺寸与端塞台阶面匹配的金属箔圆环。

5.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤3中，中间层金属为Ti或Zr。

6.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤6中，金属箔材为Ti箔或Zr箔。

7.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，中间层金属和层状金属组合的纯度≥99.99％。

8.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤6中，金属箔材的纯度≥99.99％，金属箔材的厚度为0.01mm-0.1mm，金属箔材的宽度为5mm-15mm。

9.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤8中，待焊接工件置于纯度≥99.999％的氩气保护气氛中或真空度≤10^-1Pa的真空环境中。

10.根据权利要求1所述的钼合金热管套接接头的组焊方法，其中，步骤8，所述预热的温度为600℃-700℃。

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