控制铜合金与钢对接焊接接头界面结构的接头强化方法

摘要

控制铜合金与钢对接焊接接头界面结构的接头强化方法，它属于焊接领域。针对现有铜钢电弧钎焊方法需要填加焊丝作为钎料、接头力学性能不稳定的缺陷，本发明是这样实现的：采用电子束作为焊接热源，电子束作用于铜工件一侧，控制电子束聚焦斑点距铜工件与钢工件对接中线的偏移距离为0.7～1.0mm，焊接后获得具有复合界面结构的高强度铜钢焊接接头，其中占深比为30～35％。本发明使用简单，操作简便，可靠性高，以精确可控的电子束作为焊接热源，无须外填焊丝，将内在界面结构的强化效应转变为外部焊接参数的可控操作，通过控制束偏量即可控制复合界面结构的占深比。

说明书

技术领域：

本发明属于焊接领域。

背景技术：

铜及铜合金具有高的导热、导电性能及良好的变形和耐蚀能力，而钢具备强度高、韧性好、良好的可焊性及价格便宜等优点，铜及铜合金与钢组件实现了两种材料之间的性能及结构优势互补。目前，铜/钢结构在原子能、航空航天制造工业及电力、机械、汽车、船舶、冶金、矿山等制造领域得到了广泛的应用。

铜/钢焊接为典型的异种材料连接。因铜、铁高温时晶格类型、晶格常数、原子半径、原子外层电子数目等比较接近，有利于在铜与铁之间形成金属联系，对焊接性有利。但铜与铁在物理化学性能(化学成分、熔点、热物理系数等)上的差异又恶化了二者间的焊接性。实现铜/钢异种材料永久性连接的方法主要分为固相焊接和熔化焊接两类，其中以固相焊接常见，但爆炸焊、钎焊、扩散焊及摩擦焊等固相焊接方法易受到产品及焊接接头几何形状和高温服役条件的限制。对熔化焊接而言，由于铜钢异种金属的焊接冶金过程复杂，常导致气孔、裂纹等缺陷的产生。目前，出现的铜钢电弧钎焊方法，虽然在一定程度上实现了铜钢连接，但需要额外填加焊丝作为钎料，使接头自重增加；同时电弧的热作用范围大，难以精确控制，对母材热影响较大且焊缝组织宏观均匀化程度很难保证，从而导致接头力学性能不稳定，同时增加了焊接工艺的复杂程度和成本。

发明内容：

针对现有铜钢电弧钎焊方法需要填加焊丝作为钎料、接头力学性能不稳定的缺陷，本发明提供一种通过控制铜合金与钢薄件对接焊接接头界面结构来实现提高接头强度的强化方法，它能有效提高铜钢焊接接头的整体强度。该方法是这样实现的：采用电子束作为焊接热源，电子束作用于铜工件一侧，控制电子束聚焦斑点距铜工件与钢工件对接中线的偏移距离为0.7～1.0mm，焊接后获得具有复合界面结构的高强度铜钢焊接接头，其中占深比为30～35％。

本发明的特点是以精确可控的电子束作为焊接热源，在无须外填焊丝(钎料)的基础上，通过控制电子束聚焦斑点作用于铜侧的偏移距离来控制铜钢熔钎焊接界面结构，从而同时保证钎缝组织的宏观均匀和界面连接强度，形成接头整体强度较高的铜钢接头。本方法适用于紫铜及铜合金(包括除黄铜以外的几乎所有铜合金)与钢(包括碳钢、结构钢、耐热钢及不锈钢等)异种金属焊接。同时，它也可用于两种熔点差异很大，且低熔点金属对高熔点金属有良好润湿性能的异种金属间的焊接接头强化。

试验研究表明，通过控制电子束作用于铜侧的偏移距离，可以获得具有熔合过渡层和钎合面复合界面结构的熔钎界面。如图1所示，熔钎界面上部形成了与焊缝及钢侧母材连结良好的熔合过渡层，下部为钎合面，在整个界面中熔合过渡层占焊缝深度方向的长度比(简称占深比)将直接影响到钎缝组织的宏观均化程度和熔钎界面处的连接强度。研究分析表明，对于厚度小于3mm的铜钢对接薄板，控制熔合过渡层在焊缝深度方向的占深比为30～35％之间时，既可保证熔钎界面足够的强度而不拉伸开裂，又可保证钎缝组织及成分分布的宏观均匀，从而使整个接头的强度提高。拉伸试验表明，该种接头大多断裂于铜侧热影响区及铜母材上，平均拉伸强度可达最低母材强度的90％以上。因此，对于整个铜钢焊接接头而言，具有某一占深比的复合界面结构的存在对整个接头起到了强化作用。

本发明的优点在于采用精确可控的电子束作为焊接热源，通过对铜侧偏移量的控制来达到控制铜钢接头复合界面结构的目的，从而保证接头整体强度的提高。该方法使用简单，操作简便，可靠性高，将内在界面结构的强化效应转变为外部焊接参数的可控操作，通过控制束偏量即可控制复合界面结构的占深比。

附图说明：

图1为电子束作用及强化铜钢焊接接头、形成复合界面结构的形态示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式是这样对铜合金与钢薄件对接焊接接头进行强化的：采用精确可控的电子束作为焊接热源，通过控制电子束斑点在母材两侧的热作用程度来控制铜钢熔钎界面的结构，从而保证接头的高强连接，在实际焊接过程中，电子束作用于铜工件一侧，控制电子束斑点偏移铜工件与钢工件对接中线的距离为0.7～1.0mm，这样可以控制最佳连接形式的复合界面结构的占深比为30～35％，从而保证接头整体强度的提高。本实施方式中，铜工件与钢工件的厚度均小于3mm，其中钢工件为碳钢、结构钢、耐热钢或不锈钢，铜工件为紫铜或铜合金(除黄铜外，例如：锡青铜、铝青铜、铬青铜或白铜等)。

具体实施方式二：将厚度为2.0mm的铜合金QCr0.5与不锈钢1Cr18Ni9Ti的对接试件的待焊端面及其上下表面局部区域进行机械或酸洗处理后，用丙酮和酒精擦拭，然后放入夹具中对接贴合压靠并置入真空室中。焊接时，采用的工艺条件为：加速电压60kV，焊接束电流44～46mA，聚焦电流1990mA，焊接速度17～19mm/s，工作距离376mm。电子束作用于铜工件一侧，控制电子束聚焦斑点距离铜工件与钢工件对接中线的偏移距离为0.7～0.9mm，连续焊接后即可获得具有占深比为30～35％的复合界面结构的高强铜钢焊接接头，接头拉伸强度可达310MPa。焊后的铜钢接头，在保证占深比为30～35％的情况下，接头最高拉伸强度可达到最低母材(铜合金)强度的90％以上。

具体实施方式三：将厚度为1.5mm的纯铜T2与不锈钢1Cr21Ni5Ti的对接试件进行焊前处理后(处理方法同具体实施方式二)，放入夹具中对接贴合压靠并置入真空室中。焊接时，采用的工艺条件为：加速电压55kV，焊接束电流42～44mA，聚焦电流1980mA，焊接速度17～19mm/s，工作距离376mm。电子束作用于铜工件一侧，控制电子束聚焦斑点距离铜工件与钢工件对接中线的偏移距离为0.8～1.0mm，连续焊接后即可获得具有占深比为30～35％的复合界面结构的高强铜钢焊接接头，接头拉伸强度可达280MPa。焊后的铜钢接头，在保证占深比为30～35％的情况下，接头最高拉伸强度可达到最低母材(铜合金)强度的90％以上。

具体实施方式四：考虑到铜侧金属的烧损和更良好的焊缝成形，根据结构需要也可将对接接头设计成不等厚的形式。将厚度为2.0mm的铜合金QCr0.5与厚度为1.5mm不锈钢1Cr18Ni9Ti的不等厚对接试件进行焊前处理后(处理方法同具体实施方式二)，放入夹具中对接贴合压靠并置入真空室中。焊接时，采用的工艺条件为：加速电压55～60kV，焊接束电流43～45mA，聚焦电流1990mA，焊接速度17～19mm/s，工作距离376mm。电子束作用于铜工件一侧，控制电子束聚焦斑点距离铜工件与钢工件对接中线的偏移距离为0.7～0.9mm，连续焊接后即可获得具有占深比为30～35％的复合界面结构的高强铜钢焊接接头，接头拉伸强度可达330MPa。焊后的铜钢接头，在保证占深比为30～35％的情况下，接头最高拉伸强度可达到最低母材(铜合金)强度的90％以上。