專利名稱：采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明異種難焊金屬焊接領(lǐng)域；具體涉及采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊焊縫中脆性相控制方法。
背景技術(shù)：
航空航天業(yè)的發(fā)展對新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了更高指標(biāo)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)推力室工作壓力和溫度大幅度提高，同時(shí)還要提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身的推重比，進(jìn)一步增強(qiáng)其快捷機(jī)動(dòng)性能。采用鈦合金取代部分鋼質(zhì)體與銅合金相連接用于發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部制造，可實(shí)現(xiàn)局部減重10 15%，滿足新一代液氧煤油大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及高空分導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能需求。同時(shí)，逐步在航天動(dòng)力承載結(jié)構(gòu)中使用鈦合金替代部分鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)體亦成為今后航天器瘦身減重的重要手段之一。此外，在核動(dòng)力裝置中的核燃料后處理設(shè)備、衛(wèi)星燃料噴注器及姿態(tài)推動(dòng)控制系統(tǒng)中的部件、電極、電解槽、電鍍、反應(yīng)塔、強(qiáng)酸強(qiáng)堿容器、高爾夫球桿及醫(yī)療設(shè)備等也經(jīng)常用到鈦合金與不銹鋼的復(fù)合構(gòu)件。采用焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦合金與不銹鋼的連接是最可靠的。對于鈦合金與不銹鋼的焊接，由于熔化焊時(shí)接頭產(chǎn)生大量連續(xù)分布的脆性金屬間化合物，焊后極易開裂，很難實(shí)現(xiàn)二者連接，而釬焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊接頭則在使用中受到強(qiáng)度、接頭形式、使用條件以及生產(chǎn)效率的限制，不能滿足使用要求。 采用銅作中間層電子束焊鈦金屬材料與不銹鋼通過改變鈦金屬材料板與不銹鋼板直接電子束焊接接頭內(nèi)脆性相的分布形態(tài)和尺寸實(shí)現(xiàn)提高接頭的韌性，并使接頭無裂紋，但仍無法避免脆性相生成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了解決現(xiàn)有鈦金屬材料與不銹鋼焊接方法無法避免脆性相生成問題；而提供采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法。
本發(fā)明中采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將厚度0. 3 0. 6mm的純釩和厚度為0. 5 1. 0mm的純銅作為中間層置于鈦金屬材料與不銹鋼連接面之間，使純銅靠近不銹鋼，再用TIG焊點(diǎn)焊固定，使每個(gè)對接面的間隙均小于O. 15mm，即得到由不銹鋼-純銅-純釩-鈦金屬材料(見圖1)組成的待焊件，鈦金屬材料為鈦或鈦合金；二、然后將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干；三、采用剛性固定法將經(jīng)步驟二處理的待焊件固定于夾具內(nèi)，然后置于真空電子束焊機(jī)的真空室內(nèi)，抽真空至真空度為4. 5 X 10—5Pa，分兩次進(jìn)行焊接，第一次焊接將電子束作用于銅上并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離純銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0 0. 3mm，第一次焊接參數(shù)焊接速度為300 500mm/min、加速電壓為50 100kV、聚焦電流為2300 2500mA、電子束流為8 13mA，第二次焊接將電子束作用在純釩的中部并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)的距離為0. 4 1. Omm(見圖2)，第二次焊接參數(shù)焊接速度為300 500mm/min、加速電壓為50 100kV、聚焦電流為2300 2500mA、電子束流為8 13mA，其中第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為0. 5 2min ;即完成了鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制。


圖l是帶焊件連接的示意圖；圖2是電子束作用位置示意圖；圖3是具體實(shí)施方式
九方法獲得近鈦側(cè)接頭顯微組織形貌圖；圖4是具體實(shí)施方式
九方法獲得近鋼側(cè)接頭顯微組織形貌圖；圖1和2中1表示鈦金屬材料，2表示純釩，3表示純銅，4表示不銹鋼；圖2中5表示第二次焊接電子束，6表示第一次焊接電子束。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 本實(shí)施方式中采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將厚度0. 3 0. 6mm的純釩和厚度為0. 5 1. 0mm的純銅作為中間層置于鈦金屬材料與不銹鋼連接面之間，使純銅靠近不銹鋼，再用TIG焊點(diǎn)焊固定，使每個(gè)對接面的間隙均小于0. 15mm，即得到由不銹鋼_純銅_純釩-鈦金屬材料(見圖1)組成的待焊件，鈦金屬材料為鈦或鈦合金；二、然后將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干；三、采用剛性固定法將經(jīng)步驟二處理的待焊件固定于夾具內(nèi)，然后置于真空電子束焊機(jī)的真空室內(nèi)，抽真空至真空度為4. 5 X 10—5Pa，分兩次進(jìn)行焊接，第一次焊接將電子束作用于純銅上并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0 0. 3mm，第一次焊接參數(shù)焊接速度為300 500mm/min、加速電壓為50 100kV、聚焦電流為2300 2500mA、電子束流為8 13mA，第二次焊接將電子束作用在純釩的中部(純釩長向方向中心線附近)并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)的距離為0. 4 1. 0mm(見圖2)，第二次焊接參數(shù)焊接速度為300 500mm/min、加速電壓為50 100kV、聚焦電流為2300 2500mA、電子束流為8 13mA，其中第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為0. 5 2min ;即完成了鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制。 本實(shí)施方式方法所用純銅的純度在99. 95% (重量)以上，純釩的純度在99. 92%以上。本實(shí)施方式方法獲得接頭處冶金結(jié)合，無脆性相，接頭的抗拉強(qiáng)度299MPa以上，接頭的屈服強(qiáng)度260MPa以上。與銅作為中間層的焊接方法相比，接頭的抗拉強(qiáng)度提高50MPa以上，接頭的屈服強(qiáng)度提高60Mpa以上。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一所述純釩厚度為0. 4mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一所述的純釩厚度為O. 5mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。 具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟一所述的純
銅厚度為0. 6 0. 8mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟一所述的純銅
厚度為0. 7mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五不同的是步驟二酸洗是將待焊件放入由HN03和HF混合溶液中1 4min后蒸餾水沖洗干凈，其中HN03濃度為200g/L， HF濃度為30g/L。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六不同的是步驟二水洗是利 用高速水流沖洗。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至六相同。 高速水流是指流速較高而出現(xiàn)空化、摻氣、沖擊波、強(qiáng)烈脈動(dòng)等一種或多種特殊現(xiàn) 象的水流；一般高速水流的流速在15 20m/s。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的是步驟三第一次焊 接電子束聚焦斑點(diǎn)距離銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0. 1 0. 2mm。其它步驟和參數(shù) 與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式中采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束 焊接頭脆性相控制方法，以厚0.5mmX長50mmX寬2. 5mm的純度高于99. 95 %銅及厚 0. 5mmX長50mmX寬2. 5mm的純度高于99. 92%釩作為中間層，鈦合金與不銹鋼的規(guī)格為 50mmX25mmX2. 5mm，鈦合金牌號(hào)為TA15，鈦合金的成分為Ti-6. 5Al-2Zr-lMo-lV，不銹鋼 為0Crl8Ni9奧氏體不銹鋼，具體是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將純釩和純銅作為中間層置 于鈦合金與不銹鋼連接面之間，使純銅靠近不銹鋼，再用TIG焊點(diǎn)焊固定，使每個(gè)對接面的 間隙均小于O. lmm，即得到由不銹鋼-純銅-純釩-鈦合金(見圖1)組成的待焊件；二、然后 將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干，酸洗采用具體實(shí)施方式
六中的方法；三、 采用剛性固定法將經(jīng)步驟二處理的待焊件固定于夾具內(nèi)，然后置于真空電子束焊機(jī)的真空 室內(nèi)，抽真空至真空度為4. 5 X 10—5Pa，分兩次進(jìn)行焊接，第一次焊接將電子束作用于銅上并 控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為Omm，第一次焊接參數(shù)焊接 速度為420mm/min、加速電壓為55kV、聚焦電流為2450mA、電子束流為10mA，第二次焊接將 電子束聚焦斑點(diǎn)距離第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)的距離為0. 8mm(見圖2)，第二次焊接參 數(shù)焊接速度為420mm/min、加速電壓為55kV、聚焦電流為2450mA、電子束流為10mA，其中第 一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為1. 5min ;即完成了鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭 脆性相控制。 對本實(shí)施方式的接頭進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3和4所示。圖3所示為近鋼側(cè)焊縫區(qū) 顯微組織形貌圖，由圖3可知，在靠近鈦合金母材的區(qū)域Ti-V固溶體和銅基固溶體組成，圖 4為不銹鋼側(cè)焊縫區(qū)形貌圖，在靠近鋼母材的區(qū)域由銅和鋼和混合物組成，靠近銅鋼混合物 的區(qū)域由Ti-V固溶體組成，從上面的分析可知，本實(shí)施方式焊接的接頭中無脆性化合物生 成。接頭抗拉強(qiáng)度為310MPa，屈服強(qiáng)度為263MPa。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式中采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束 焊接頭脆性相控制方法，以厚0.8mmX長50mmX寬2. 5mm的純度高于99. 95 %銅及厚 0. 4mmX長50mmX寬2. 5mm的純度高于99. 92%釩作為中間層，鈦合金與不銹鋼的規(guī)格為 50mmX25mmX2. 5mm，鈦合金牌號(hào)為TA15，鈦合金的成分為Ti-6. 5Al-2Zr-lMo-lV，不銹鋼 為0Crl8Ni9奧氏體不銹鋼，具體是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將純釩和純銅作為中間層置 于鈦合金與不銹鋼連接面之間，使純銅靠近不銹鋼，再用TIG焊點(diǎn)焊固定，使每個(gè)對接面的 間隙均小于O. 15mm，即得到由不銹鋼-純銅-純釩-鈦合金(見圖1)組成的待焊件；二、然 后將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干，酸洗采用具體實(shí)施方式
六中的方法；
三、采用剛性固定法將經(jīng)步驟二處理的待焊件固定于夾具內(nèi)，然后置于真空電子束焊機(jī)的 真空室內(nèi)，抽真空至真空度為4. 5 X 10—5Pa，分兩次進(jìn)行焊接，第一次焊接將電子束作用于銅上并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0. 3mm，第一次焊接參數(shù) 焊接速度為480mm/min、加速電壓為55kV、聚焦電流為2450mA、電子束流為llmA，第二次焊 接將電子束聚焦斑點(diǎn)距離第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)的距離為0. 5mm(見圖2)，第二次焊 接參數(shù)焊接速度為420mm/min、加速電壓為55kV、聚焦電流為2450mA、電子束流為llmA，其 中第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為1. 5min ;即完成了鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊 接頭脆性相控制。 本實(shí)施方式焊接的接頭中無脆性化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為300MPa，屈服強(qiáng)度 為257MPa。
具體實(shí)施方式
i^一 本實(shí)施方式中采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子 束焊接頭脆性相控制方法，以厚0. 5mmX長50mmX寬2. 5mm的純度高于99. 95%銅及厚 0. 5mmX長50mmX寬2. 5mm的純度高于99. 92 %釩作為中間層，鈦合金與不銹鋼的規(guī)格 為50mmX25mmX2. 5mm，鈦合金牌號(hào)為TB15，鈦合金的成分為Ti-15V-3Cr-3Al，不銹鋼為 0Crl8Ni9奧氏體不銹鋼，具體是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將純釩和純銅作為中間層置于 鈦合金與不銹鋼連接面之間，使純銅靠近不銹鋼，再用TIG焊點(diǎn)焊固定，使每個(gè)對接面的間 隙均小于O. lOmm，即得到由不銹鋼-純銅-純釩-鈦合金(見圖1)組成的待焊件；二、然后 將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干，酸洗采用具體實(shí)施方式
六中的方法；三、 采用剛性固定法將經(jīng)步驟二處理的待焊件固定于夾具內(nèi)，然后置于真空電子束焊機(jī)的真空 室內(nèi)，抽真空至真空度為4. 5 X 10—5Pa，分兩次進(jìn)行焊接，第一次焊接將電子束作用于銅上并 控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0. 2mm，第一次焊接參數(shù)焊 接速度為420mm/min、加速電壓為55kV、聚焦電流為2450mA、電子束流為10mA，第二次焊接 將電子束聚焦斑點(diǎn)距離第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)的距離為O. 7mm(見圖2)，第二次焊接 參數(shù)焊接速度為400mm/min、加速電壓為55kV、聚焦電流為2450mA、電子束流為llmA，其中 第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為1. 5min ;即完成了鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接 頭脆性相控制。 本實(shí)施方式焊接的接頭中無脆性化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為299MPa，屈服強(qiáng)度 為250MPa。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
i^一不同的是鈦替代鈦合金。 其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十一相同。 本實(shí)施方式焊接的接頭中無脆性化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為320MPa，屈服強(qiáng)度 為269MPa。
權(quán)利要求
采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將厚度0.3～0.6mm的純釩和厚度為0.5～1.0mm的純銅作為中間層置于鈦金屬材料與不銹鋼連接面之間，使純銅靠近不銹鋼，再用TIG焊點(diǎn)焊固定，使每個(gè)對接面的間隙均小于0.15mm，即得到由不銹鋼-純銅-純釩-鈦金屬材料組成的待焊件；二、然后將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干；三、采用剛性固定法將經(jīng)步驟二處理的待焊件固定于夾具內(nèi)，然后置于真空電子束焊機(jī)的真空室內(nèi)，抽真空至真空度為4.5×10-5Pa，分兩次進(jìn)行焊接，第一次焊接將電子束作用于銅上并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離純銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0～0.3mm，第一次焊接參數(shù)焊接速度為300～500mm/min、加速電壓為50～100kV、聚焦電流為2300～2500mA、電子束流為8～13mA，第二次焊接將電子束作用在純釩的中部并控制電子束聚焦斑點(diǎn)距離第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)的距離為0.4～1.0mm，第二次焊接參數(shù)焊接速度為300～500mm/min、加速電壓為50～100kV、聚焦電流為2300～2500mA、電子束流為8～13mA，其中第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為0.5～2min；即完成了鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟一所述的純釩厚度為0. 4mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟一所述的純釩厚度為0. 5mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟一所述的純銅厚度為0. 6 0. 8mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟一所述的純銅厚度為0. 7mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟二酸洗是將待焊件放入由HN03和HF混合溶液中1 4min后蒸餾水沖洗干凈，其中HN03濃度為200g/L， HF濃度為30g/L。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或6所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟二水洗是利用高速水流沖洗。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，其特征在于步驟三第一次焊接電子束聚焦斑點(diǎn)距離銅與不銹鋼對接中線的偏移距離為0. 1 0. 2mm。
全文摘要
采用復(fù)合中間層的鈦金屬材料與不銹鋼電子束焊接頭脆性相控制方法，屬于異種難焊金屬焊接領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有鈦金屬材料與不銹鋼焊接方法無法避免脆性相生成問題。本發(fā)明方法是將純銅和純釩作為中間層組成由不銹鋼-純銅-純釩-鈦金屬材料組成的待焊件，然后將待焊件用丙酮超聲清洗，再經(jīng)酸洗、水洗后烘干，然后真空條件下進(jìn)行二次電子束焊接。本發(fā)明方法獲得接頭中無脆性相，接頭的抗拉強(qiáng)度299MPa以上，屈服強(qiáng)度260MPa以上。本發(fā)明方法適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部、核工業(yè)核燃料處理設(shè)備、化工以及醫(yī)療設(shè)備中鈦/鋼復(fù)合構(gòu)件及鈦合金/鋼復(fù)合構(gòu)件的制造。
文檔編號(hào)B23K15/06GK101722356SQ20091031247
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者馮吉才, 劉玉龍, 張秉剛, 王廷, 陳國慶 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)