CN118268721A - 基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，该方法包括：对待焊钽板、不锈钢板以及中间层表面进行预处理，确保待焊区域光洁无氧化膜；将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力；设置焊接参数并施加保护气，沿着预设焊缝进行振荡激光焊接。本申请通过振荡激光焊接技术并结合焊前预热，焊后热处理工艺，同时通过合理选择中间层，能够有效降低钽和不锈钢异种材料焊接时的金属间化合物的生成以及降低焊接接头的缺陷，提升两种材料连接后的力学性能。

Description

基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法

技术领域

本申请涉及焊接技术领域，特别涉及一种基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法。

背景技术

在现代制造业中，异种材料的焊接技术是一项关键技术，尤其在航空航天、汽车制造、电子封装等领域中具有广泛的应用前景。异种材料的焊接，特别是轻质金属与高强度钢、不同性能的合金或金属与非金属的结合，能够在产品设计中实现材料性能的最优组合，满足轻量化、高强度和高可靠性等多方面的需求。

钽作为一种稀有金属，由于其具有高密度、高熔点、耐腐蚀、良好的高温强度以及热加工性和可焊性等优良性能,在电气、化工、武器，汽车等诸多行业中有着十分优异的使用前景。然而金属钽在地壳中的资源储藏稀少且分布不均，加之钽的提取熔炼过程复杂困难，这直接导致钽的价格昂贵，应用成本巨大。不锈钢是目前常见的结构材料之一，具有良好的耐热性、焊接性和热稳定性，成本低廉，在航空航天、汽车制造、管道等诸多领域广泛使用。

因此，若能将两种材料连接，钽发挥其耐高温以及耐腐蚀的特点，不锈钢发挥其成本低，强度高的特点，将大大扩展这些材料的应用范围和性能。这种复合材料可以结合钽的优异化学稳定性和高温性能以及不锈钢的机械强度和经济效益，创造出一种既能抵抗极端环境又具有良好结构性能和成本效益的新型材料。例如，在汽车制造领域，排气系统是汽车中对耐腐蚀性要求极高的部分，尤其是在高性能或豪华汽车中，排气系统经常暴露在高温和腐蚀性环境下。钽因其卓越的耐腐蚀性和耐高温性，可以用于制造排气管、消声器和催化剂转换器的关键部件。通过与不锈钢的焊接结合，可以实现既有强度又有耐腐蚀性的排气系统，特别是在连接催化剂转换器或排气管的接口部分。在高温环境下工作的发动机部件，如涡轮增压器的部分组件，可以利用钽的高温稳定性和不锈钢的强度与加工性，通过精确的焊接技术制造出既能承受极端温度也能保持结构完整性的高性能部件。

然而，由于钽和不锈钢之间存在显著的物理和化学性质差异，如熔点、热膨胀系数、电导率等，这些差异导致了在传统的焊接过程中容易出现诸如脆性、孔洞、未焊透等缺陷。研究人员就曾采用自动氩弧焊工艺对Ta1和16MnR管板焊接接头进行了研究。试验表明，由于两母材熔点相差很大，焊接过程中很容易引起复合板界面钢的熔化，与Ta反应生成TaFe2或其余种类的脆性金属间化合物，引起裂纹产生甚至扩展成贯穿性裂纹。

针对上述问题，研究者尝试采用加入中间层进行焊接。例如公开号为“CN109202244 A”、发明名称为“一种应用于电阻点焊钽Ta1和Q235钢的中间层合金及其制备方法”的中国专利，其公开的中间层合金，由以下原子百分比的组份组成:Ta 5%~10%、Fe5%~10%、Ni20%~25%、Cr15%~23%、Cu15%~22%、Co20%~25%，合计为100%。在待焊Ta1与Q235板材之间放置一定厚度的中间层合金箔材，采用电阻点焊方式进行焊接操作，使得界面电阻热熔化中间层合金及局部母材，实现Ta1/Q235的焊接。然而，此种合金属于高熵合金，是为了此次研究而针对性的开发出来的，市面上并没有此种金属，因此还未实现产业化。又如公开号为“CN 108907502 A”、发明名称为“一种用于钎焊钽Ta1与1Cr18Ni9不锈钢的非晶态高熵合金钎料及其制备方法”的中国专利，其公开了：所述钎料由以下摩尔百分比的组分组成：7.0%~9.0%Cr、5.0%~8.0%Si、5.0%~7.0%Fe、6.0%~8.0%Zr、2.0%~3.0%钽、2.5%~4.5%B、其余为Ni。可以看出，此种方法是通过特制一种钎料用于焊接钽与不锈钢。很明显，利用此种方式进行焊接的中间原料，市面上并不能购买，若自己制造，涉及到的工艺技术以及成本将是产业化的痛难点，同时，由于钎焊是液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法，钎焊的焊接方法强度并不高。研究人员在针对Ta/Invar合金的焊接时，认为控制界面有害相的生成另一种思路是添加中间层。然而，中间层的选择上却存在一定困难。他们考虑到的是难熔金属Nb、Zr、Mo，因为它们的熔点介于Ta与Invar合金之间，然而这些金属与Invar合金反应同样会生成多种金属间化合物。

基于目前的研究基础可以看出，钽和不锈钢焊接的难点主要是由于冶金性能不匹配造成金属间化合物的生成以及产生各种缺陷，通过现有技术发现中间层技术在焊接中展现出了潜力。然而，如何优化中间层的材料选择、厚度、以及与焊接参数（诸如焊接功率、焊接速度等）的协同效应，以实现最佳的焊接性能，仍然是一个需要深入研究的课题。此外，中间层引入的新界面也可能成为影响焊接接头性能的新因素，如何确保中间层与两种母材之间能够实现良好的冶金结合，同时控制新的缺陷，是当前技术面临的挑战。

发明内容

基于此，本申请的目的是提出一种基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，旨在解决现有技术中钽和不锈钢焊接时由于冶金性能不匹配造成金属间化合物的生成以及产生各种缺陷，导致两种材料连接后力学性能受影响的技术问题。

根据本申请提出的一种基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，所述方法包括：

获取钽板、不锈钢板以及中间层，并分别对所述钽板、所述不锈钢板以及所述中间层的待焊接区域进行预处理，以使所述钽板、所述不锈钢板以及所述中间层的待焊接区域均干燥、无金属氧化膜以及无油污；

所述中间层为银层，其厚度为0.1mm，纯度至少为99.99%；或者，所述中间层为铜银合金层，其中，银的质量分数为20%-50%；

将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，并将所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板的搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力；

在所述钽板或所述不锈钢板的表面上标记预设焊缝，设定激光焊接设备的焊接参数，并控制激光焊接设备的激光运动路径与所述预设焊缝在同一条直线上，启动激光焊接设备以对所述预设焊缝进行振荡激光焊接。

在一些实施例中，所述将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，并将所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板的搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力的步骤之后还包括：

将所述固定装置、所述钽板、所述不锈钢板、所述中间层置于加热炉进行预热处理，预热处理的温度为350℃，预热处理的保温时间为10min。

在一些实施例中，所述焊接参数包括保护气的流量和激光功率，在所述设定激光焊接设备的焊接参数的步骤中：

根据以下公式计算得到所述保护气的流量：

其中，Q表示保护气体的流量，单位为L/min；V表示焊接速度，单位为mm/s；P表示激光功率，单位为kw；H表示焊接时氩气喷嘴离板材的距离，单位为mm；C表示一个经验系数。

在一些实施例中，在所述设定激光焊接设备的焊接参数的步骤中：

根据以下公式计算得到所述激光功率：

其中，P表示激光功率，单位为kw；T _Ta 、T _SS 、T _中间层分别表示钽板、不锈钢板以及中间层的厚度，单位均为mm；V表示焊接速度，单位为mm/s；R表示经验系数。

在一些实施例中，所述钽板与所述不锈钢板尺寸均为70mmx20mmx0.7mm，搭接量为20mm，所述中间层的形状与所述搭接部分相同，所述中间层的厚度为0.1mm，所述焊接参数还包括：激光功率为700-800W、摆动直径为1.5mm、振动频率为200HZ、斑点形状为“O”形。

在一些实施例中，所述并控制激光焊接设备的激光运动路径与所述预设焊缝在同一条直线上，启动激光焊接设备以对所述预设焊缝进行振荡激光焊接的步骤之后还包括：

焊接完成后进行退火处理；

根据以下公式计算得到退火处理的温度：

其中，T _退火表示计算出的退火温度；T _中间层表示中间层材料再结晶的最低温度；T _不锈钢表示不锈钢的再结晶温度；T _钽表示钽的再结晶温度；K表示一个调整系数，用于平衡不同材料之间的再结晶温度差异。

在一些实施例中，所述退火处理包括第一升温阶段以及第二升温阶段，所述第一升温阶段的升温速率为每分钟10℃，升温到600℃；

所述第二升温阶段的升温速率为每分钟5℃，升温至900℃，所述退火温度为900℃；

当达到退火温度时，保温时间为一小时，冷却方式为随炉冷却。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

1.本申请通过使用振荡激光焊接并控制了相关工艺参数，加快了熔池内部原子的扩散，使得熔池内部组织更加均匀，防止了脆硬金属间化合物聚集产生裂纹等缺陷。

2.本申请通过添加铜银合金中间层，铜银合金中的铜主要分布于熔合线以及熔池，且不会产生偏析，对材料起到了过渡作用，避免了两种材料相差过大产生裂缝。而银在焊接接头表面，对焊接接头起到了抗氧化性的作用。

3.本申请中提出的预热可以减小焊接过程中产生的应力和变形。一方面，在焊接时，可以减缓焊接区域的温度梯度，减少热应力集中，从而降低热裂纹的产生风险。另一方面，预热可以降低焊接接头在冷却过程中发生裂纹的风险。通过预热，可以减缓焊接接头的冷却速度，使焊接接头与母材的温度梯度减小，减小了由于快速冷却引起的热应力，从而降低了微裂纹的形成概率，这也可能是为何退火后强度几乎不降低的重要原因。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。

附图说明

图1为本申请第一实施例提出的一种基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法的流程图；

图2为本申请第一实施例中为钽板和不锈钢板两种材料的固定方式图；

图3为本申请第一实施例中添加Ag中间层的组织图以及铁钽相图；

图4为本申请第一实施例的测试结果图；

图5为本申请第二实施例中添加铜银合金层后的测试结果图；

图6为本申请第二实施例中含银量为40%时的组织图以及铜银相图；

图7为本申请第三实施例热处理后相应的测试结果图以及组织图；

图8为本申请第三实施例的XRD图谱。

以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在航空航天领域，电力推进技术因其推力控制、高比冲和稳定性备受青睐，成为商业航天工业中不可或缺的技术之一。空心阴极在电力推进系统中扮演关键角色，由钽和不锈钢制成加热器和支撑管，分别因其稳定的机械性能和耐热特性以及高强度和成本效益而选用。因此，实现钽与不锈钢之间有效连接的方法至关重要，而焊接被认为是一种可靠的实现途径。

实施例一

请参阅图1，所示为本申请第一实施例中的一种钽材与不锈钢材的焊接方法的流程图，该方法包括步骤S01至步骤S03，其中：

步骤S01：获取钽板、不锈钢板以及中间层，并分别对所述钽板、所述不锈钢板以及所述中间层的待焊接区域进行预处理，以使所述钽板、所述不锈钢板以及所述中间层的待焊接区域均干燥、无金属氧化膜以及无油污；

需要说明的是，获取的钽板和不锈钢板均是通过外购的常规板材，为了确保钽板和不锈钢板的焊接效果，首先需对两种材料进行预处理，以去除待焊接区域可能存在的氧化膜、油污灯，同时需使得待焊接区域保持干燥。

进一步地，该待焊接区域可以只是钽板与不锈钢板在后续搭接部分的表面，也可以只是标记焊缝区域的重叠面，也可以包含钽板与不锈钢板在后续搭接部分的表面，甚至是钽板和不锈钢板的整个表面。

步骤S02：将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，并将所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板的搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力；

在一些实施例中，请参阅图2，所示为钽板和不锈钢板两种材料的固定方式图，其中，所述固定装置包括底板10、位于所述不锈钢板30下表面的第一垫板40、位于所述钽板20上表面的第二垫板50、位于所述不锈钢板30上表面的第一盖板60以及位于所述第二垫板50上表面的第二盖板70；

所述中间层80分别与所述不锈钢板30的下表面以及钽板20的上表面贴合，所述第二垫板50的上表面与所述不锈钢板30上表面位于同一平面，所述第一盖板60以及所述第二盖板70分别通过压在所述不锈钢板30以及所述第二垫板50上为所述搭接部分提供预紧力。示例性地，在本实施例中，预紧力大约为120N。

步骤S03：在所述钽板或所述不锈钢板的表面上标记预设焊缝，设定激光焊接设备的焊接参数，并控制激光焊接设备的激光运动路径与所述预设焊缝在同一条直线上，启动激光焊接设备以对所述预设焊缝进行振荡激光焊接。

需要说明的是，在确定预设搭接方式后，预设焊缝的标记也随之确定，具体为：所述预设焊缝标记在钽板或不锈钢的表面

需要指出的是，在焊接过程中，保护气流量对焊接接头有着重要的影响。一方面，通过控制保护气流量，可以影响焊接熔池的形成和稳定性。过低的气流量可能导致气体保护不足，熔池周围的气氛不稳定，从而影响焊接质量；而过高的气流量可能会造成气体的浪费，同时也可能使熔池不稳定。另一方面，保护气流量的调整可以影响焊缝的外观，过低的气流量可能导致焊缝表面出现氧化、孔洞或飞溅等缺陷，而适当的气流量则有助于获得光滑均匀的焊缝外观。

基于此，通过在实验过程中对结果的观测以及分析，对所述步骤S03中，所述保护气流量进行了总结，基本符合下述公式：

根据以下公式计算得到所述保护气的流量：

其中，Q表示保护气体的流量，单位为L/min；V表示焊接速度，单位为mm/s；P表示激光功率，单位为kw；H表示焊接时氩气喷嘴离板材的距离，单位为mm；C表示一个经验系数，大小取决于焊接环境和特定的焊接任务。

类似的，激光功率的变化也会影响焊接熔池的温度和流动性，从而影响焊缝的形成和质量。过低的功率可能导致不充分的熔化和结合，而过高的功率可能导致焊接区域过度熔化和烧穿。同时，激光功率的变化可能会影响焊接接头的热量输入和冷却速率，进而影响焊接接头的变形和残余应力。过高的功率可能导致焊接接头过度加热，增加变形和残余应力的风险。

通过在实验过程中对结果的观测以及分析，对所述步骤S03中，所述焊接参数进行了总结，基本符合下述公式：

即根据以下公式计算得到激光功率：

其中，P表示激光功率，单位为kw；T _Ta 、T _SS 、T _中间层分别表示钽板、不锈钢板以及中间层的厚度，单位均为mm；V表示焊接速度，单位为mm/s；R也表示经验系数，跟材料熔点以及散热条件有关。

示例性地，在本实施例中，还进行了相关测试用以说明本申请的实质性效果。具体的，所述钽板与所述不锈钢板尺寸均为：70mmx20mmx0.7mm，搭接量为20mm，所述中间层为银层，其厚度为0.1mm，纯度为99.99%以上。所述中间层的形状与所述搭接部分相同，厚度为0.1mm，所述焊接参数为：激光功率为700W，焊接速度为20mm/s，摆动直径为1.5mm，振动频率为200HZ，斑点形状为“O”形，保护气流量为30L/min。

请参阅图3，所示为本实施例中添加Ag中间层的组织图以及铁钽相图，从图3中的（a）可以看出，当熔池中含有铁钽时，必定会存在FeTa以及Fe2Ta中间化合物进而影响接头性能，因此，焊接过程中，金属间化合物的数量以及分布情况将大大影响焊接接头的性能。同时，焊接过程中，防止焊接接头的氧化也非常重要，因为氧化膜的形成会导致焊接接头的机械性能降低，使其易于发生脆性断裂。这是因为氧化膜通常较脆，无法承受较大的瞬时应力，尤其在焊接过程中，焊接接头处于高温环境，氧化速度加快，氧化膜的厚度增加，进一步削弱了接头的强度和韧性。然而从图3中的（b）可以发现，当加入Ag中间层后，在熔合线附近，未发现裂纹的出现，同时，熔池顶部与空气接触的表面有大量Ag平铺在焊接接头处，防止了焊接接头冷却过程中被进一步氧化。

需要说明的是，本申请采用了振荡激光焊接的方式。当激光束不振荡时，激光作用范围较小，焊缝宽度较小，能量峰值较高，导致飞溅、坍塌等焊接缺陷，不利于接头性能的提高。当振荡频率为200 Hz时，改善焊接接头性能主要有两个原因。激光束的振荡一方面增加了激光的作用范围和焊缝的宽度，这提高了接头的界面强度。另一方面，激光束的振荡增强了熔池的搅拌。此外，锁孔的加速旋转增强了熔池的对流和涡流效应。小湍流从熔池尾部流向糊状区，作用于枝晶的根部。枝晶的根部断裂，因此晶粒尺寸减小。根据Hall-Petch公式，晶粒细化增加了晶界的数量，晶粒面间距的减小阻碍了位错缺陷的发生。

从图3中的（b）还可以明显看出，熔池呈现涡流的趋势，因此，熔池内部液体流动能力加强，促进了原子相互之间的扩散，可以预见的，熔池内部的铁钽化合物将在熔池中分布更加均匀。从图3中的（c）熔池中央的组织图可以看出，熔池中央反应均匀，然而由于铁含量较多，因此仍然有少量的不锈钢由于振荡作用，未参与与钽的反应。这进一步说明了振荡激光焊接促进了熔池内部液体的流动，另一方面也促进了银扩散至熔池顶部，为焊接接头的抗氧化性提供重要作用。

此外，为了进一步阐述添加Ag中间层的效果，请参阅图4，所示为本实施例的测试结果图。从图4中的（a）可以看出，强度高达2696.2N，变形量约为4.64mm。图4中的（b）为DIC实际变形图。需要说明的是，DIC是一种可以用于测量试样表面的变形情况的技术。通常，将试样表面喷涂或贴附具有对比度的图案，然后使用摄像机或其他图像采集设备拍摄试验过程中的连续图像。通过对这些图像序列进行处理，DIC软件可以分析图案在不同加载阶段之间的位移和变形，从而得出试样的应变场、应力场等信息。因此，图4中的（b）中示出的拉伸过程中三个时刻的应变情况为材料在拉伸过程中的实际变形情况。初始时刻，焊缝位置受力最大，随着拉伸的进行，母材开始发生应变，最终，由于使得母材发生较大应变后，接头的强度才不足以继续使母材发生应变，发生断裂。

综上，本申请实施例具有以下优点：

首先，通过使用振荡激光焊接并控制了相关工艺参数，加快了熔池内部原子的扩散，使得熔池内部组织更加均匀，防止了脆硬金属间化合物聚集产生裂纹等缺陷，而从图3中的（b）也确实未观测到宏观裂纹，因此，可以证明效果良好。

其次，通过添加银中间层，在实际焊接过程中，银中间层融化后能够在熔池顶部形成银层，这很大程度上保护了焊接接头，防止了焊接接头在冷却过程中的高温氧化现象，降低了焊接接头的脆性。

最后，从图4中的（a）拉伸曲线图可以看出，添加Ag中间层后，能够得到较大的拉伸强度以及较大的塑形变形。而从图4中的（b）瞬时应变图可以看出，在断裂时，钽母材已经发生了较大变形，说明焊接接头的强度和母材的强度几乎在一个量级。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于：中间层为铜银合金层，银的质量分数为20%—50%。

请参阅图5，所示为本实施例中添加铜银合金层后的测试结果图，如图5中的（a）至（c）所示分别为含银量为20%、40%以及50%时的拉伸曲线图，从图中可以看出，当含银量为40%时，综合力学性能最佳。强度达到了2851N，塑形变形达到了6.15mm左右，从图5中的（d）至（f）实际应变也可以看出，在最后断裂阶段母材的变形均大于纯Ag中间层时的应变。尤其在含银量为40%时，母材变形量最大，因此其表现的力学性能最佳。

请参阅图6，所示为本实施例中含银量为40%时的组织图以及铜银相图。从图6中的（c）铜银合金相图可知，此时中间层成分处于过共晶成分区域。同时，从图6中的（a）发现，此时的熔合线附近未发现裂纹以及孔洞等缺陷，焊接效果良好。在熔合线附近含有多处黑点，经过分析主要含铜。说明铜在熔合线附近起到了控制缺陷的作用。从图6中的（d）光镜图也可看出，熔池中基本均匀分布有铜颗粒。而从图6中的（b）熔池中央的电镜图可以看出，由于振荡激光焊接的作用，使得钽原子加速了扩散，避免了在熔合线附近聚集，熔池中央钽与铁在枝晶间形成了金属间化合物均匀分布，避免了金属间化合物聚集产生裂缝的风险。

综上，本实施例采用不同含银量的铜银合金作为中间层，具有以下优点：

首先，铜银合金中的铜主要分布于熔合线以及熔池，且不会产生偏析，对材料起到了过渡作用，避免了两种材料相差过大产生裂纹。而银对焊接接头起到了抗氧化性的作用。

其次，不同含银量的中间层对焊接效果作用不同，当含银量为40%时，力学性能最佳。相对于含银的中间层，强度提高了约5.8%，塑性提升了约32.8%。

最后，由于采用了振荡激光焊接，使得熔合线附近的钽不会大量聚集，避免了在熔合线附近产生裂缝的风险，而进入熔池中的钽与铁反应后，均布在枝晶间，避免了焊接接头偏析。

实施例三

本实施例与实施例二基本相同，其不同之处在于：在施加预紧力之后，并将固定装置、钽板、不锈钢板、中间层置于加热炉进行预热处理，预热处理的温度为350℃,预热处理的保温时间为10min，此温度下不仅可以减少焊接时的热应力，又不至于导致过度的热变形。预热时间为10min，以确保材料的整体温度达到预定的预热温度，并且保持稳定。预热可以使材料的温度逐渐升高，减少焊接时的温度梯度，从而减少焊接过程中产生的热应力，降低变形和裂纹的风险。

此外，焊接完成后进行退火处理；

根据以下公式计算得到退火处理的温度：

其中，T _退火表示计算出的退火温度；T _中间层表示中间层材料再结晶的最低温度；T _不锈钢表示不锈钢的再结晶温度；T _钽表示钽的再结晶温度；K表示一个调整系数，用于平衡不同材料之间的再结晶温度差异。

在一些实施例中，所述退火处理包括第一升温阶段以及第二升温阶段，所述第一升温阶段的升温速率为每分钟10℃，升温到600℃；

所述第二升温阶段的升温速率为每分钟5℃，升温至到900℃，所述退火温度为900℃。

请参阅图7，所示为本实施例热处理后相应的测试结果图以及组织图。从图7中的（a）可以看出，相对于本申请其他两个实施例，本实施例经过预热处理以及退火处理以后，强度几乎不变，塑形得到了进一步提高，达到了7.45mm左右的应变量。从图7中的（b）可以看出，钽母材几乎整体发生了塑性变形。而从图7中的（c）表明，热处理后组织析出了纳米相，同时，在晶界处富集铜，这也是热处理后塑形得到了提升的原因。从图7中的（d）和（e）可以看出，对在熔合线区域进行EDS线扫描，熔合线区域含有铜，这在很大程度上降低了熔合线附近的脆性，而从熔合线图也能看出，该区域并无裂纹。另外，从图8的XRD图谱中，结合jade软件，已经无法检测到金属间化合物的衍射峰，图8中的衍射峰均为热镶料的峰，这进一步说明了此焊接方法对金属间化合物的抑制作用。

综上，本实施例采用第二实施例焊接效果最佳的含银量为40%的铜银中间层，同时还需进行预热处理以及退火处理，具有以下进一步的优势：

首先，一方面，通过预热，在焊接时，可以减缓焊接区域的温度梯度，减少热应力集中，从而降低热裂纹的产生风险。另一方面，通过预热，可以减缓焊接接头的冷却速度，使焊接接头的温度梯度减小，减少了由于快速冷却引起的热应力，从而降低了裂纹的形成概率。这也可能是为何退火后强度几乎不降低的重要原因。

其次，不仅提出了热处理的经验公式，还通过采用分段加热的方式，并控制了900摄氏度的保温温度。通过分段加热，可以减少材料在升温过程中的热应力，避免由于温度梯度过大而导致的热裂纹和变形，同时，可以控制晶粒的生长速率，防止晶粒长大过快，从而保持材料的细晶粒结构，提高其力学性能和耐热性。最终，使得实施例三的塑性相对于实施例二的最佳力学性能得到了进一步提高，这说明焊接接头的内部组织发生了变化，塑性的提升主要归因于焊接接头。

最后，结合XRD图谱中，已经无法检测到金属间化合物的衍射峰，这进一步说明了此焊接方法对金属间化合物的抑制作用。

因此，从上述若干实施例可以看出，在实际激光焊接过程中，优选的工艺参数、中间层成分以及热处理方式能够有效地提高焊接接头的质量和性能，减少变形和裂纹的产生，为焊接工艺的稳定性和可靠性提供了有力的支持。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，所述方法包括：

获取钽板、不锈钢板以及中间层，并分别对所述钽板、所述不锈钢板以及所述中间层的待焊接区域进行预处理，以使所述钽板、所述不锈钢板以及所述中间层的待焊接区域均干燥、无金属氧化膜以及无油污；

所述中间层为银层，其厚度为0.1mm，纯度至少为99.99%；或者，所述中间层为铜银合金层，其中，银的质量分数为20%-50%；

将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，并将所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板的搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力；

在所述钽板或所述不锈钢板的表面上标记预设焊缝，设定激光焊接设备的焊接参数，并控制激光焊接设备的激光运动路径与所述预设焊缝在同一条直线上，启动激光焊接设备以对所述预设焊缝进行振荡激光焊接。

2.根据权利要求1所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，在所述将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，并将所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板的搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力的步骤中：

所述固定装置包括底板、位于所述不锈钢板下表面的第一垫板、位于所述钽板上表面的第二垫板、位于所述不锈钢板上表面的第一盖板以及位于所述第二垫板上表面的第二盖板；

所述中间层分别与所述不锈钢板的下表面以及钽板的上表面贴合，所述第二垫板的上表面与所述不锈钢板上表面位于同一平面，所述第一盖板以及所述第二盖板分别通过压在所述不锈钢板以及所述第二垫板上为所述搭接部分提供预紧力。

3.根据权利要求1所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，所述将所述不锈钢板搭接在所述钽板上方，并将所述中间层置于所述不锈钢板以及所述钽板的搭接部分之间，通过固定装置对所述搭接部分施加预紧力的步骤之后还包括：

将所述固定装置、所述钽板、所述不锈钢板、所述中间层置于加热炉进行预热处理，预热处理的温度为350℃，预热处理的保温时间为10min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，所述焊接参数包括保护气的流量和激光功率，在所述设定激光焊接设备的焊接参数的步骤中：

根据以下公式计算得到所述保护气的流量：

其中，Q表示保护气体的流量，单位为L/min；V表示焊接速度，单位为mm/s；P表示激光功率，单位为kw；H表示焊接时氩气喷嘴离板材的距离，单位为mm；C表示一个经验系数。

5.根据权利要求4所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，在所述设定激光焊接设备的焊接参数的步骤中：

根据以下公式计算得到所述激光功率：

其中，P表示激光功率，单位为kw；T _Ta 、T _SS 、T _中间层分别表示钽板、不锈钢板以及中间层的厚度，单位均为mm；V表示焊接速度，单位为mm/s；R表示经验系数。

6.根据权利要求4所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，所述钽板与所述不锈钢板尺寸均为70mmx20mmx0.7mm，搭接量为20mm，所述中间层的形状与所述搭接部分相同，所述中间层的厚度为0.1mm，所述焊接参数还包括：激光功率为700-800W、摆动直径为1.5mm、振动频率为200HZ、斑点形状为“O”形。

7.根据权利要求1所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，所述并控制激光焊接设备的激光运动路径与所述预设焊缝在同一条直线上，启动激光焊接设备以对所述预设焊缝进行振荡激光焊接的步骤之后还包括：

焊接完成后进行退火处理；

根据以下公式计算得到退火处理的温度：

其中，T _退火表示计算出的退火温度；T _中间层表示中间层材料再结晶的最低温度；T _不锈钢表示不锈钢的再结晶温度；T _钽表示钽的再结晶温度；K表示一个调整系数，用于平衡不同材料之间的再结晶温度差异。

8.根据权利要求7所述的基于添加中间层的钽与钢的振荡激光焊接方法，其特征在于，所述退火处理包括第一升温阶段以及第二升温阶段，所述第一升温阶段的升温速率为每分钟10℃，升温到600℃；

所述第二升温阶段的升温速率为每分钟5℃，升温至900℃，所述退火温度为900℃；

当达到退火温度时，保温时间为一小时，冷却方式为随炉冷却。