一种钼合金与钨合金的电子束焊焊接方法

摘要

本发明涉及一种钼合金与钨合金电子束焊焊接方法，属于焊接工艺技术领域。所述方法包括：分别对钼合金构件和钨合金构件进行热处理；将热处理后的钼合金构件和钨合金构件进行装配，装配间隙不大于0.04mm；对装配好的钼合金构件和钨合金构件进行电子束焊焊接，焊接时电子束流偏向所述钼合金构件，且与所述钼合金构件和钨合金构件的表面对接线相距0.05‑0.25mm；对焊接后的构件进行真空热处理。本发明提供的焊接方法冷却速度快，焊缝晶粒细小，第二相的尺寸较小，有利于改善焊缝性能，焊缝表面成型良好，焊缝内部质量较高、力学性能高，焊缝强度大于250MPa，密封性能高，焊缝宽度小，可靠性高。

说明书

技术领域

本发明属于焊接工艺技术领域，涉及一种采用真空电子束焊焊接异种难熔材料钼合金与钨合金工艺方法。

背景技术

难熔材料钼合金或钨合金的焊接主要采用钨极氩弧焊、激光焊、真空电子束焊、扩散焊等方法，主要针对同种难熔合金进行焊接。

异种难熔材料钼合金和钨合金由于具有以下问题而很难较好的进行焊接：

①钼合金及钨合金的塑-脆转变温度经常高于环境的温度；

②钼合金及钨合金起始再结晶温度在1000℃以上，而钼合金熔点在2600℃左右，钨合金熔点在3400℃左右，熔焊时焊点附近远高于再结晶温度，母材晶粒容易进行再结晶过程而长大；

③由于钨合金的熔点很高，抬高了钼合金焊接时的熔池的熔点，焊接时焊点区域因温度达到3000℃左右，显著增加了焊接难度，由此产生更大的热应力，形成显微缺陷，或微缺陷在热应力的作用下进一步发展；

④影响焊缝质量的因素较多，包括母材的晶粒大小、杂质元素的含量和焊接工艺参数等，这些因素的微小变化，很大程度上会对焊缝质量和一致性造成影响。

综上所述，在异种难熔材料焊接时，尤其钼合金与钨合金熔焊焊接时两者熔点相差800℃，并且焊接过程中使焊区温度急剧升高，随后急剧冷却，在几毫秒的时间内，熔融区的温度从约3000℃的熔点降到室温，促使冷热交界区域内热应力增加，焊接易于出现气孔和热裂纹等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种钼合金与钨合金电子束焊焊接方法，以解决焊接过程中焊缝处存在的裂纹和气孔等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钼合金与钨合金的电子束焊焊接方法，包括以下步骤：

步骤(1)：分别对钼合金构件和钨合金构件进行热处理；

步骤(2)：将热处理后的钼合金构件和钨合金构件进行装配，装配间隙不大于0.04mm；

步骤(3)：对装配好的钼合金构件和钨合金构件进行电子束焊焊接，焊接时电子束流偏向所述钼合金构件，且与所述钼合金构件和钨合金构件的表面对接线相距0.05-0.25mm；

步骤(4)：对焊接后的构件进行真空热处理。

在一可选实施例中，步骤(3)中电子束焊焊接时，真空度为1X10^-5～1X10^-1Pa，电子束流为8～20mA，电子束流在扫描时的偏转角度为1～5°，扫描频率为100～300Hz，焊接速度为200～700mm/min，加速电压为30～60KV，聚焦电流为400～1000mA。

在一可选实施例中，步骤(1)中对钼合金构件进行热处理，包括：

将钼合金构件在真空度不大于1X10^-3Pa、温度为850～1250℃下保温0.1～1h。

在一可选实施例中，步骤(1)中对钨合金构件进行热处理，包括：

将钨合金构件在真空度不大于1X10^-3Pa、温度为1050～1550℃下保温～1h。

在一可选实施例中，步骤(4)中对焊接后的构件进行热处理，包括：

将焊接后的构件在真空度不大于1X10^-3Pa、温度为900～1200℃下保温为0.1～1h。

在一可选实施例中，所述钼合金构件和/或所述钨合金构件的材料通过真空电弧熔炼制成。

在一可选实施例中，所述钼合金构件设有安装槽，所述钨合金设有凸起，步骤(2)中通过将所述凸起插入所述安装槽实现所述钼合金构件和所述钨合金构件的装配。

在一可选实施例中，步骤(2)中装配之前还包括：

将钼合金构件和钨合金构件放入王水中浸泡1-4min后取出，用有机溶剂清洗，然后用压力不小于0.3MPa的氮气吹干。

在一可选实施例中，步骤(2)中装配之前还包括：

用砂纸打磨钼合金构件和钨合金构件的待焊接部位，去除表面氧化层，用有机溶剂清洗，然后用压力不小于0.3MPa的氮气吹干。

在一可选实施例中，步骤(3)中进行电子束焊焊接之前还包括：

将装配好的钼合金构件和钨合金构件进行固定、找正，找正精度在0.05mm以内。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明提供的焊接方法冷却速度快，焊缝晶粒细小，第二相的尺寸较小，有利于改善焊缝性能，焊缝表面成型良好，焊缝内部质量较高、力学性能高，无气孔和热裂纹等缺陷，焊缝强度大于250MPa，密封性能高(在2MPa保压5min，焊缝漏率小于1×10^-4Pa·L/s)，焊缝宽度小(小于2mm)，可靠性高；

(2)本发明实施例提供的焊前真空热处理方法能很好的降低焊前钼合金与钨合金材料应力以及气体杂质元素含量，焊后真空热处理方法能在保证异种难熔材料焊缝强度的前提下，显著降低焊接应力，保证焊缝力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供了一种钼合金与钨合金的电子束焊焊接方法流程图；

图2是本发明实施例提供的待焊接构件结构示意图；

图3是本发明实施例提供的电子束流作用位置示意图；

图4是实施例4中焊缝处显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种钼合金与钨合金的电子束焊焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：分别对钼合金构件和钨合金构件进行热处理；

本发明实施例中，钼合金构件在真空加热炉中，炉内真空度不大于1X10^-3Pa，随炉升温至温度为850～1250℃，保温0.1～1h，然后随炉冷却，在温度低于100℃以下时出炉；钨合金构件在真空加热炉中，炉内真空度不大于1X10^-3Pa，随炉升温至温度为1050～1550℃，保温0.1～1h，然后随炉冷却，在温度低于100℃以下时出炉。

所述钼合金构件和/或所述钨合金构件的材料通过真空电弧熔炼制成，以保证材料的致密性。在其他实施例中，根据使用需要构件的合金材料还可以通过粉末烧结制备后锻造等方法制成。

步骤2：将热处理后的钼合金构件和钨合金构件进行装配，装配间隙不大于0.04mm；

具体地，本发明实施例中将钼合金构件和钨合金构件的待焊接部位对准定位，实现钼合金构件和钨合金构件的装配。

本发明实施例中在装配之前，合金材料经过打磨或者进行酸洗去除表面氧化层，具体包括：

将钼合金构件和钨合金构件放入王水中浸泡1-4min后取出，用有机溶剂清洗，然后用压力不小于0.3MPa的氮气吹干，其中王水为硝酸和氢氟酸的酒精溶液，溶液中硝酸的体积含量为10％，氢氟酸的体积含量为3％；

或者，用砂纸打磨钼合金构件和钨合金构件的待焊接部位，去除表面氧化层，用有机溶剂清洗，然后用压力不小于0.3MPa的氮气吹干。

在本发明的一实施例中，钼合金构件和钨合金构件的装配部位为锁底结构，焊缝的根部要保证清根，尖端保持直角，无根部空腔。具体地，参见图2，在一优选实施例中钼合金构件1设有安装槽，钨合金构件2设有凸起，通过将凸起插入安装槽实现所述钼合金构件和所述钨合金构件的装配。便于装配对齐，锁口较小时，焊后可避免留下未焊合的缝隙，同时钨合金构件2作为托底，能很好支撑焊接时高温熔池，避免焊穿。

步骤3：对装配好的钼合金构件和钨合金构件进行电子束焊焊接，焊接时电子束流偏向所述钼合金构件，且与所述钼合金构件和钨合金构件的表面对接线相距0.05-0.25mm；

参见图3，本发明实施例中，钼合金构件和钨合金构件的表面对接线如图3所示的从上表面向内部延伸的垂直线，电子束流3位于该线左侧的0.05-0.25mm。

通过偏移，可以避免金属熔池温度过热，焊后热应力较大和热影响区再结晶晶粒长大。

具体地，电子束焊焊接时，真空度为1X10^-5～1X10^-1Pa，电子束流为8～20mA，电子束流在扫描时偏移角度为1～5°，扫描频率为100～300Hz，焊接速度为200～700mm/min，加速电压为30～60KV，聚焦电流为400～1000mA。

本发明实施例中，在焊接前，将装配好的钼合金构件和钨合金构件通过焊接机床上的固定爪固定到焊接机床上，并通过打表等方法找正工件，确保找正工件的位置精度在0.05mm以内。

进一步地，为了提高焊缝的美观度，本发明实施例在焊接完成后还可以对焊接构件进行外观修饰。

步骤4：对焊接后的构件进行真空热处理。

本发明实施例中，焊接后的构件在真空加热炉中，炉内真空度不大于1X10^-3Pa，随炉升温至温度为900～1200℃，保温0.1～1h，然后随炉冷却，在温度低于100℃以下时出炉。

本发明实施例提供的钼合金与钨合金的电子束焊焊接方法，通过进行焊前真空热处理及焊后真空热处理释放焊接应力以及去除母材气体杂质；通过调整焊接参数保证焊接过程中的焊接质量；通过选择待焊接构件的材料保证材料的致密性，提高待焊接材料间的装配精度，进一步提高焊接质量。

本发明实施例提供的钼合金与钨合金的电子束焊焊接方法，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的焊接方法冷却速度快，焊缝晶粒细小，第二相的尺寸较小，有利于改善焊缝性能，焊缝表面成型良好，焊缝内部质量较高、力学性能高，无气孔和热裂纹等缺陷，焊缝强度大于250MPa，密封性能高(在2MPa保压5min，焊缝漏率小于1×10^-4Pa·L/s)，焊缝宽度小(小于2mm)，可靠性高；

(2)本发明实施例提供的焊前真空热处理方法能很好的降低焊前钼合金与钨合金材料应力以及气体杂质元素含量，焊后真空热处理方法能在保证异种难熔材料焊缝强度的前提下，显著降低焊接应力，保证焊缝力学性能。

以下为本发明的几个具体实施例：

实施例1

待焊接构件如图2所示，钼合金构件1为空心圆柱形结构，且右侧端面设有安装槽，安装槽在加工时进行了清根处理，槽底拐角为直角；钨合金构件2为空心圆柱结构，且左侧端面设有与安装槽匹配的凸起。钼合金构件1为TZM合金，通过粉末冶金锻造方法制得，钨合金构件2为WRe25合金，通过真空电弧熔炼方法制得。

对钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，包括以下步骤：

步骤(1)：将钼合金构件1和钨合金构件2放入王水中浸泡1min后取出，用有酒精清洗，然后用压力为0.4MPa的氮气吹干；

步骤(2)：将钼合金构件1放入真空加热炉中，炉内真空度为1X10^-3Pa，升温至温度为850℃，保温1h，然后冷却至温度为80℃，取出钼合金构件1；将钨合金构件2放入真空加热炉中，炉内真空度为2X10^-4Pa，升温至温度为1050℃，保温1h，然后冷却至90℃，取出钨合金构件2；

步骤(3)：将热处理后的钨合金构件2的凸起插入钼合金构件1的安装槽内，装配间隙为0.01mm；

步骤(4):将装配好的钼合金构件1和钨合金构件2固定到焊接机床上并进行找正，找正精度不超过0.05mm，进行电子束焊焊接，焊接时,真空度为1X10^-1Pa，电子束流为8A，电子束流偏转角度1°，扫描频率为100Hz，焊接速度为200mm/min，加速电压为30KV，聚焦电流为1000mA，电子束流3偏向钼合金构件1，且与钼合金构件1和钨合金构件2的表面对接线相距0.05mm；焊后进行外观修饰；

步骤(5)：将步骤(4)得到的焊接后的构件放入真空加热炉中，炉内真空度为2X10^-4Pa，升温至温度为900℃，保温1h，然后冷却至70℃，取出焊接构件。

实施例2

待焊接构件如图2所示，钼合金构件1为空心圆柱形结构，且右侧端面设有安装槽，安装槽在加工时进行了清根处理，槽底拐角为直角；钨合金构件2为空心圆柱结构，且左侧端面设有与安装槽匹配的凸起。钼合金构件1为TZC合金，通过粉末冶金制备后锻造方法制得，钨合金构件2为WRe3合金，通过粉末冶金制备后锻造方法制得。

对钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，包括以下步骤：

步骤(1)：将钼合金构件1和钨合金构件放入王水中浸泡4min后取出，用有丙酮清洗，然后用压力为0.5MPa的氮气吹干；

步骤(2)：将钼合金构件1放入真空加热炉中，炉内真空度为2X10^-4Pa，升温至温度为1250℃，保温0.1h，然后冷却至温度为50℃，取出钼合金构件1；将钨合金构件2放入真空加热炉中，炉内真空度为1X10^-3Pa，升温至温度为1550℃，保温0.1h，然后冷却至60℃，取出钨合金构件2；

步骤(3)：将热处理后的钨合金构件2的凸起插入钼合金构件1的安装槽内，装配间隙为0.04mm；

步骤(4):对装配好的钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，焊接时,真空度为1X10^-4Pa，电子束流为20A，电子束流在扫描时偏转角度5°，扫描频率为300Hz，焊接速度为700mm/min，加速电压为60KV，聚焦电流为400mA，电子束流3偏向钼合金构件1，且与钼合金构件1和钨合金构件2的表面对接线相距0.25mm；焊后进行外观修饰；

步骤(5)：将步骤(4)得到的焊接后的构件放入真空加热炉中，炉内真空度为3X10^-4Pa，升温至温度为1200℃，保温0.25h，然后冷却至70℃，取出焊接构件。

实施例3

待焊接构件如图2所示，钼合金构件1为空心圆柱形结构，且右侧端面设有安装槽，安装槽在加工时进行了清根处理，槽底拐角为直角；钨合金构件2为空心圆柱结构，且左侧端面设有与安装槽匹配的凸起。钼合金构件1为TZC合金，通过真空电弧熔炼方法制得，钨合金构件2为WRe3合金，通过粉末冶金制备后锻造方法制得。

对钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，包括以下步骤：

步骤(1)：将钼合金构件1和钨合金构件放入王水中浸泡1min后取出，用有酒精清洗，然后用压力为0.3MPa的氮气吹干；

步骤(2)：将钼合金构件1放入真空加热炉中，炉内真空度为5X10^-4Pa，升温至温度为1050℃，保温0.5h，然后冷却至温度为80℃，取出钼合金构件1；将钨合金构件2放入真空加热炉中，炉内真空度为5X10^-4Pa，升温至温度为1250℃，保温0.5h，然后冷却至90℃，取出钨合金构件2；

步骤(3)：将热处理后的钨合金构件2的凸起插入钼合金构件1的安装槽内，装配间隙为0.02mm；

步骤(4):对装配好的钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，焊接时,真空度为1X10^-5Pa，电子束流为15A，电子束流偏转角度3°，扫描频率为200Hz，焊接速度为400mm/min，加速电压为45KV，聚焦电流为800mA，电子束流3偏向钼合金构件1，且与钼合金构件1和钨合金构件2的表面对接线相距0.1mm；焊后进行外观修饰；

步骤(5)：将步骤(4)得到的焊接后的构件放入真空加热炉中，炉内真空度为5X10^-4Pa，升温至温度为1100℃，保温0.5h，然后冷却至70℃，取出焊接构件。

实施例4

待焊接构件如图2所示，钼合金构件1为空心圆柱形结构，且右侧端面设有安装槽，安装槽在加工时进行了清根处理，槽底拐角为直角；钨合金构件2为空心圆柱结构，且左侧端面设有与安装槽匹配的凸起。钼合金构件1为TZM合金，通过真空电弧熔炼方法制得，钨合金构件2为WRe25合金，通过真空电弧熔炼方法制得。

对钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，包括以下步骤：

步骤(1)：将钼合金构件1和钨合金构件放入王水中浸泡1min后取出，用有酒精清洗，然后用压力为0.4MPa的氮气吹干；

步骤(2)：将钼合金构件1放入真空加热炉中，炉内真空度为8X10^-4Pa，升温至温度为1150℃，保温0.45h，然后冷却至温度为90℃，取出钼合金构件1；将钨合金构件2放入真空加热炉中，炉内真空度为8X10^-4Pa，升温至温度为1350℃，保温0.45h，然后冷却至90℃，取出钨合金构件2；

步骤(3)：将热处理后的钨合金构件2的凸起插入钼合金构件1的安装槽内，装配间隙为0.02mm；

步骤(4):对装配好的钼合金构件1和钨合金构件2进行电子束焊焊接，焊接时,真空度为1X10^-5Pa，电子束流为17A，电子束流偏转角度4°，扫描频率为250Hz，焊接速度为550mm/min，加速电压为50KV，聚焦电流为600mA，电子束流3偏向钼合金构件1，且与钼合金构件1和钨合金构件2的表面对接线相距0.15mm；焊后进行外观修饰；

步骤(5)：将步骤(4)得到的焊接后的构件放入真空加热炉中，炉内真空度为5X10^-4Pa，升温至温度为1100℃，保温0.5h，然后冷却至90℃，取出焊接构件。

对本发明各具体实施例提供的焊接构件进行性能测试，测试方法如下：

(1)进行外观检查；

(2)密封性能检测：用真空氦质谱仪，保压2min，检测漏率：

(3)内部质量分析：经过CT进行探伤分析；

(4)金相组织分析：经过打磨，随机剖切焊缝处进行检查。

表1本发明实施例1-4提供的焊接构件焊缝性能参数表

测试结果：焊接后外观圆滑、无咬边，漏率小于1×10^-4Pa·L/s，焊缝质量符合GJB1718A-2005Ⅰ级焊缝质量要求，剖切焊缝处无裂纹和气孔(如图4所示)。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。