采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法

摘要

采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法，属于异种难焊金属焊接领域。本发明解决了现有钛金属材料与不锈钢焊接方法无法避免脆性相生成问题。本发明方法是将纯铜和纯钒作为中间层组成由不锈钢-纯铜-纯钒-钛金属材料组成的待焊件，然后将待焊件用丙酮超声清洗，再经酸洗、水洗后烘干，然后真空条件下进行二次电子束焊接。本发明方法获得接头中无脆性相，接头的抗拉强度299MPa以上，屈服强度260MPa以上。本发明方法适用于航空发动机推力室身部、核工业核燃料处理设备、化工以及医疗设备中钛/钢复合构件及钛合金/钢复合构件的制造。

说明书

技术领域

本发明异种难焊金属焊接领域；具体涉及采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊焊缝中脆性相控制方法。

背景技术

航空航天业的发展对新一代发动机的性能提出了更高指标，要求发动机推力室工作压力和温度大幅度提高，同时还要提高发动机自身的推重比，进一步增强其快捷机动性能。采用钛合金取代部分钢质体与铜合金相连接用于发动机推力室身部制造，可实现局部减重10～15％，满足新一代液氧煤油大推力火箭发动机及高空分导发动机的高性能需求。同时，逐步在航天动力承载结构中使用钛合金替代部分钢质结构体亦成为今后航天器瘦身减重的重要手段之一。此外，在核动力装置中的核燃料后处理设备、卫星燃料喷注器及姿态推动控制系统中的部件、电极、电解槽、电镀、反应塔、强酸强碱容器、高尔夫球杆及医疗设备等也经常用到钛合金与不锈钢的复合构件。采用焊接技术实现钛合金与不锈钢的连接是最可靠的。对于钛合金与不锈钢的焊接，由于熔化焊时接头产生大量连续分布的脆性金属间化合物，焊后极易开裂，很难实现二者连接，而钎焊、扩散焊、摩擦焊接头则在使用中受到强度、接头形式、使用条件以及生产效率的限制，不能满足使用要求。

采用铜作中间层电子束焊钛金属材料与不锈钢通过改变钛金属材料板与不锈钢板直接电子束焊接接头内脆性相的分布形态和尺寸实现提高接头的韧性，并使接头无裂纹，但仍无法避免脆性相生成。

发明内容

本发明的目的为了解决现有钛金属材料与不锈钢焊接方法无法避免脆性相生成问题；而提供采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法。

本发明中采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法是通过下述步骤实现的：一、将厚度0.3～0.6mm的纯钒和厚度为0.5～1.0mm的纯铜作为中间层置于钛金属材料与不锈钢连接面之间，使纯铜靠近不锈钢，再用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.15mm，即得到由不锈钢-纯铜-纯钒-钛金属材料(见图1)组成的待焊件，钛金属材料为钛或钛合金；二、然后将待焊件用丙酮超声清洗，再经酸洗、水洗后烘干；三、采用刚性固定法将经步骤二处理的待焊件固定于夹具内，然后置于真空电子束焊机的真空室内，抽真空至真空度为4.5×10^-5Pa，分两次进行焊接，第一次焊接将电子束作用于铜上并控制电子束聚焦斑点距离纯铜与不锈钢对接中线的偏移距离为0～0.3mm，第一次焊接参数：焊接速度为300～500mm/min、加速电压为50～100kV、聚焦电流为2300～2500mA、电子束流为8～13mA，第二次焊接将电子束作用在纯钒的中部并控制电子束聚焦斑点距离第一次焊接电子束聚焦斑点的距离为0.4～1.0mm(见图2)，第二次焊接参数：焊接速度为300～500mm/min、加速电压为50～100kV、聚焦电流为2300～2500mA、电子束流为8～13mA，其中第一次焊接与第二次焊接时间间隔为0.5～2min；即完成了钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制。

附图说明

图1是带焊件连接的示意图；图2是电子束作用位置示意图；图3是具体实施方式九方法获得近钛侧接头显微组织形貌图；图4是具体实施方式九方法获得近钢侧接头显微组织形貌图；图1和2中1表示钛金属材料，2表示纯钒，3表示纯铜，4表示不锈钢；图2中5表示第二次焊接电子束，6表示第一次焊接电子束。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法是通过下述步骤实现的：一、将厚度0.3～0.6mm的纯钒和厚度为0.5～1.0mm的纯铜作为中间层置于钛金属材料与不锈钢连接面之间，使纯铜靠近不锈钢，再用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.15mm，即得到由不锈钢-纯铜-纯钒-钛金属材料(见图1)组成的待焊件，钛金属材料为钛或钛合金；二、然后将待焊件用丙酮超声清洗，再经酸洗、水洗后烘干；三、采用刚性固定法将经步骤二处理的待焊件固定于夹具内，然后置于真空电子束焊机的真空室内，抽真空至真空度为4.5×10^-5Pa，分两次进行焊接，第一次焊接将电子束作用于纯铜上并控制电子束聚焦斑点距离铜与不锈钢对接中线的偏移距离为0～0.3mm，第一次焊接参数：焊接速度为300～500mm/min、加速电压为50～100kV、聚焦电流为2300～2500mA、电子束流为8～13mA，第二次焊接将电子束作用在纯钒的中部(纯钒长向方向中心线附近)并控制电子束聚焦斑点距离第一次焊接电子束聚焦斑点的距离为0.4～1.0mm(见图2)，第二次焊接参数：焊接速度为300～500mm/min、加速电压为50～100kV、聚焦电流为2300～2500mA、电子束流为8～13mA，其中第一次焊接与第二次焊接时间间隔为0.5～2min；即完成了钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制。

本实施方式方法所用纯铜的纯度在99.95％(重量)以上，纯钒的纯度在99.92％以上。本实施方式方法获得接头处冶金结合，无脆性相，接头的抗拉强度299MPa以上，接头的屈服强度260MPa以上。与铜作为中间层的焊接方法相比，接头的抗拉强度提高50MPa以上，接头的屈服强度提高60Mpa以上。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述纯钒厚度为0.4mm。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的纯钒厚度为0.5mm。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤一所述的纯铜厚度为0.6～0.8mm。其它步骤和参数与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是步骤一所述的纯铜厚度为0.7mm。其它步骤和参数与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：步骤二酸洗是将待焊件放入由HNO₃和HF混合溶液中1～4min后蒸馏水冲洗干净，其中HNO₃浓度为200g/L，HF浓度为30g/L。其它步骤和参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：步骤二水洗是利用高速水流冲洗。其它步骤和参数与具体实施方式一至六相同。

高速水流是指流速较高而出现空化、掺气、冲击波、强烈脉动等一种或多种特殊现象的水流；一般高速水流的流速在15～20m/s。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：步骤三第一次焊接电子束聚焦斑点距离铜与不锈钢对接中线的偏移距离为0.1～0.2mm。其它步骤和参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式中采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法，以厚0.5mm×长50mm×宽2.5mm的纯度高于99.95％铜及厚0.5mm×长50mm×宽2.5mm的纯度高于99.92％钒作为中间层，钛合金与不锈钢的规格为50mm×25mm×2.5mm，钛合金牌号为TA15，钛合金的成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，具体是通过下述步骤实现的：一、将纯钒和纯铜作为中间层置于钛合金与不锈钢连接面之间，使纯铜靠近不锈钢，再用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.1mm，即得到由不锈钢-纯铜-纯钒-钛合金(见图1)组成的待焊件；二、然后将待焊件用丙酮超声清洗，再经酸洗、水洗后烘干，酸洗采用具体实施方式六中的方法；三、采用刚性固定法将经步骤二处理的待焊件固定于夹具内，然后置于真空电子束焊机的真空室内，抽真空至真空度为4.5×10^-5Pa，分两次进行焊接，第一次焊接将电子束作用于铜上并控制电子束聚焦斑点距离铜与不锈钢对接中线的偏移距离为0mm，第一次焊接参数：焊接速度为420mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流为10mA，第二次焊接将电子束聚焦斑点距离第一次焊接电子束聚焦斑点的距离为0.8mm(见图2)，第二次焊接参数：焊接速度为420mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流为10mA，其中第一次焊接与第二次焊接时间间隔为1.5min；即完成了钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制。

对本实施方式的接头进行测试，结果如图3和4所示。图3所示为近钢侧焊缝区显微组织形貌图，由图3可知，在靠近钛合金母材的区域Ti-V固溶体和铜基固溶体组成，图4为不锈钢侧焊缝区形貌图，在靠近钢母材的区域由铜和钢和混合物组成，靠近铜钢混合物的区域由Ti-V固溶体组成，从上面的分析可知，本实施方式焊接的接头中无脆性化合物生成。接头抗拉强度为310MPa，屈服强度为263MPa。

具体实施方式十：本实施方式中采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法，以厚0.8mm×长50mm×宽2.5mm的纯度高于99.95％铜及厚0.4mm×长50mm×宽2.5mm的纯度高于99.92％钒作为中间层，钛合金与不锈钢的规格为50mm×25mm×2.5mm，钛合金牌号为TA15，钛合金的成分为：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，具体是通过下述步骤实现的：一、将纯钒和纯铜作为中间层置于钛合金与不锈钢连接面之间，使纯铜靠近不锈钢，再用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.15mm，即得到由不锈钢-纯铜-纯钒-钛合金(见图1)组成的待焊件；二、然后将待焊件用丙酮超声清洗，再经酸洗、水洗后烘干，酸洗采用具体实施方式六中的方法；三、采用刚性固定法将经步骤二处理的待焊件固定于夹具内，然后置于真空电子束焊机的真空室内，抽真空至真空度为4.5×10^-5Pa，分两次进行焊接，第一次焊接将电子束作用于铜上并控制电子束聚焦斑点距离铜与不锈钢对接中线的偏移距离为0.3mm，第一次焊接参数：焊接速度为480mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流为11mA，第二次焊接将电子束聚焦斑点距离第一次焊接电子束聚焦斑点的距离为0.5mm(见图2)，第二次焊接参数：焊接速度为420mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流为11mA，其中第一次焊接与第二次焊接时间间隔为1.5min；即完成了钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制。

本实施方式焊接的接头中无脆性化合物生成。接头抗拉强度为300MPa，屈服强度为257MPa。

具体实施方式十一：本实施方式中采用复合中间层的钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制方法，以厚0.5mm×长50mm×宽2.5mm的纯度高于99.95％铜及厚0.5mm×长50mm×宽2.5mm的纯度高于99.92％钒作为中间层，钛合金与不锈钢的规格为50mm×25mm×2.5mm，钛合金牌号为TB15，钛合金的成分为：Ti-15V-3Cr-3Al，不锈钢为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，具体是通过下述步骤实现的：一、将纯钒和纯铜作为中间层置于钛合金与不锈钢连接面之间，使纯铜靠近不锈钢，再用TIG焊点焊固定，使每个对接面的间隙均小于0.10mm，即得到由不锈钢-纯铜-纯钒-钛合金(见图1)组成的待焊件；二、然后将待焊件用丙酮超声清洗，再经酸洗、水洗后烘干，酸洗采用具体实施方式六中的方法；三、采用刚性固定法将经步骤二处理的待焊件固定于夹具内，然后置于真空电子束焊机的真空室内，抽真空至真空度为4.5×10^-5Pa，分两次进行焊接，第一次焊接将电子束作用于铜上并控制电子束聚焦斑点距离铜与不锈钢对接中线的偏移距离为0.2mm，第一次焊接参数：焊接速度为420mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流为10mA，第二次焊接将电子束聚焦斑点距离第一次焊接电子束聚焦斑点的距离为0.7mm(见图2)，第二次焊接参数：焊接速度为400mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流为11mA，其中第一次焊接与第二次焊接时间间隔为1.5min；即完成了钛金属材料与不锈钢电子束焊接头脆性相控制。

本实施方式焊接的接头中无脆性化合物生成。接头抗拉强度为299MPa，屈服强度为250MPa。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：钛替代钛合金。其它步骤和参数与具体实施方式十一相同。

本实施方式焊接的接头中无脆性化合物生成。接头抗拉强度为320MPa，屈服强度为269MPa。