专利名称：一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法
技术领域：
本发明属于异种难熔金属焊接领域，具体涉及钛金属材料与不锈钢的电子 束焊接方法。
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 增强其快速机动性能。把发动机推力室身部的部分钢质体与铜合金采用钛金属
材料取代，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 金属材料替代部分钢质结构体也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、化工以及医疗设备也经常用到钛金属材料与不锈钢的复合构件。 采用焊接技术焊接钛金属材料与不锈钢或者先制备钛金属材料与不锈钢接头， 然后将其两端分别与各自相同的金属材料再焊接，从而形成一个完整的系统， 这样可以实现钛金属材料与不锈钢的可靠连接，对于钛金属材料与不锈钢的焊 接，钎焊、扩散焊、摩擦焊接头在使用中受到强度、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；气焊、电弧焊方法在两金属的接头处产 生大量连续分布的脆性金属间化合物，焊后极易开裂。
发明内容
本发明的目的是为了解决钛金属材料与不锈钢在焊接过程中易产生裂纹、 强度低、韧性差的问题，提供一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方 法。
本发明的焊接方法按以下步骤实现 一、将厚度为0.5mm 2.0mm、纯度 >99.95%(质量)的铜板作为中间层置于待焊钛金属材料板与不锈钢板3之间， 组成待焊件；二、将待焊件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点 悍固定，使中间层铜板与钛金属材料板和不锈钢板的对接面的间隙为0.05mm~0.25mm;三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗5min 30min， 再酸洗，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理后的待焊件固定于电子束焊接 真空室内，进行电子束焊接，所述真空室的真空度为10'5Pa~l(T4Pa，焊接时电 子束流正对铜板与不锈钢板间的焊缝或偏向不锈钢板一侧，焊接参数焊接速 度为200mm/min~600mm/min 、加速电压为30kV 60kV 、聚焦电流为 2000mA 3000mA、电子束流为5mA 15mA;五、采用散焦电子束流进行后热， 后热电子束流随时间阶梯状降低。上述的步骤三中的酸洗是按以下步骤实现的先按每升水溶液中含有 200g的HN03和30g的HF配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液 中lmin-4min，然后用蒸馏水冲洗干净。上述的步骤四中电子束流距铜板与不锈钢板接触面的偏束量为S ，其中 Omm《G《0.3mm。上述的步骤五中的后热参数速度为300mm/min~700mm/min、加速电压 为30kV 60kV、聚焦电流3000mA 4000mA。上述的步骤五中后热电子束流先以7mA 8mA保持7s，接着以5mA 6mA 保持7s，再以3mA 4mA保持7s，最后以lmA 2mA保持7s。上述的步骤一中的钛金属材料板为钛合金板或纯度》99.99%(质量)的纯 钛板，其中铜板的长度与被焊钛金属材料板或不锈钢板长度相同，铜板的宽度 与被焊钛金属材料板或不锈钢板的厚度相同，为lmm 20mm。本发明采用铜板作为中间层，能够改变钛金属材料板与不锈钢板直接电子 束焊接接头内脆性化合物的分布形态和尺寸，从而改善了接头的韧性，获得无 裂纹的电子束焊接接头；电子束焊接完成后再用散焦电子束进行后热，以降低 冷却速率，减小热应力；悍接时束流作用点偏向于不锈钢母材侧，从而有效控 制钛金属材料板和铜板的熔化量，提高接头的强度与韧性；本发明制备的钛金 属材料板与不锈钢板接头无裂纹，抗拉强度^230MPa，屈服强度^150MPa。
图1是待焊件的结构示意图，图2是电子束流作用位置示意图，图3是具 体实施方式二十一的焊件中不锈钢与侧焊缝区显微组织，图4是具体实施方式
二十一的焊件中铜与钛合金母材界面区显微组织。图1中的附图标记1是钛金属材料板，2是铜板，3是不锈钢板；图2中的附图标记1是钛金属材料板，2 是铜板，3是不锈钢板，4是电子束流。
具体实施方式
具体实施方式
一(参见图l、图2)本实施方式的焊接方法按以下步骤实现 一、将厚度为0.5mm 2.0mm、纯度》99.95%(质量)的铜板2作为中间层 置于待焊钛金属材料板1与不锈钢板3之间，组成待焊件；二、将待焊件刚性 固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点焊固定，使中间层铜板2与钛金 属材料板1和不锈钢板3的对接面的间隙为0.05mm 0.25mm;三、将固定好 的待焊件先放在丙酮中超声清洗5min 30min，再酸洗，然后烘千；四、用夹 具将经步骤三处理后的待焊件固定于电子束焊接真空室内，进行电子束焊接， 所述真空室的真空度为10-5Pa~l(T4Pa，焊接时电子束流4正对铜板2与不锈钢 板3间的焊缝或偏向不锈钢侧，焊接参数焊接速度为 200mm/min~600mm/min 、 加速电压为 30kV 60kV 、 聚焦电流为 2000mA 3000mA、电子束流为5mA 15mA;五、采用散焦电子束流4进行后 热，后热电子束流4随时间阶梯状降低。
具体实施方式
二(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一的不同 点是步骤一中铜板2的厚度为0.7mm 1.5mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一的不同 点是步骤一中铜板2的厚度为l.Omm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式
一、二或 三的不同点是步骤二中中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接 面间的间隙为0.08mm 0.20mm。其它与具体实施方式
一、二或三相同。
具体实施方式
五(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式
一、二或 三的不同点是步骤二中中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接 面间的间隙为0.15mm。其它与具体实施方式
一、二或三相同。
具体实施方式
六(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至五的 不同点是步骤三中先将固定好的待焊件放在丙酮中超声清洗10min 25min， 然后按如下步骤进行酸洗先按每升水溶液中含有200g的HN03和30g的HF 配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液中1 min -4min，然后用蒸馏水冲洗干净。其它与具体实施方式
一至五相同。
具体实施方式
七(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至五的 不同点是步骤三中将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗20min，然后按 如下步骤进行酸洗先按每升水溶液中含有200g的HNCb和30g的HF配制 酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸洗液中3min，然后用蒸馏水冲洗干 净。其它与具体实施方式
一至五相同。
具体实施方式
八(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至七的 不同点是步骤四中真空室的真空度为2.0xl0-spa 8xl0-spa。其它与具体实施 方式一至七相同。
具体实施方式
九(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至七的 不同点是步骤四中真空室的真空度为4.5xl(^Pa。其它与具体实施方式
一至 七相同。
具体实施方式
十(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至九的 不同点是步骤四中焊接时电子束流4距铜板2与不锈钢板3接触面的偏束量 为S，其中0mm《S《0.3mm。其它与具体实施方式
一至九相同。
具体实施方式
十一(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式
一至九 的不同点是步骤四中焊接时电子束流4距铜板2与不锈钢板3接触面的偏束 量S为0.15mm。其它与具体实施方式
一至九相同。
具体实施方式
十二(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十 一的不同点是步骤四中焊接参数焊接速度为300mm/min~500mm/min、加 速电压为35kV 55kV、聚焦电流为2300mA 2800mA、电子束流4为 6mA 13mA。其它与具体实施方式
一至H"^—相同。
具体实施方式
十三(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十 一的不同点是:步骤四中焊接参数:焊接速度为400mm/min、加速电压为45kV、 聚焦电流为2500mA、电子束流4为9mA。其它与具体实施方式
一至^^一相同。
具体实施方式
十四(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十 三的不同点是步骤五中后热参数速度为300mm/min~700mm/min、加速电 压为30kV 60kV、聚焦电流3000mA 4000mA。其它与具体实施方式
一至十三 相同。
具体实施方式
十五(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十三的不同点是步骤五中后热参数速度为500mm/min,加速电压为45kV，聚 焦电流为3500mA。其它与具体实施方式
一至十三相同。
具体实施方式
十六(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十 五的不同点是步骤五中后热电子束流4先以7mA 8mA保持7s，接着以 5mA 6mA保持7s，再以3mA 4mA保持7s，最后以lmA 2mA保持7s。其 它与具体实施方式
一至十五相同。
具体实施方式
十七(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十 五的不同点是步骤五中后热电子束流4先以7.5mA保持7s，接着以5.5mA保 持7s，再以3.5mA保持7s,最后以1.5mA保持7s。其它与具体实施方式
一至 十五相同。
具体实施方式
十八(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
一至十 七的不同点是步骤一中所述的钛金属材料板1为钛合金板或纯度^ 99.99%(质量)的纯钛板，其中铜板2的长度与被焊钛金属材料板1或不锈钢板 3长度相同，为10mm 500mm，铜板2的宽度与被焊钛金属材料板1或不锈 钢板3的厚度相同，为lmm 20mm,钛金属材料板1或不锈钢板3的宽度为 5mm 200mm，钛金属材料板1或不锈钢板3的长度与宽度与真空室的小大相 适应。其它与具体实施方式
一至十七相同。
具体实施方式
十九(参见图l、图2)本实施方式的焊接方法按以下步骤 实现 一、钛金属材料板1的牌号为TA15，成分为Ti-6.5Al-2Zr-lMo-lV， 不锈钢板3为0Crl8Ni9奥氏体不锈钢，钛金属材料板1与不锈钢板3的长度 分别为50mm，钛金属材料板l与不锈钢板3的宽度分别为25mm，钛金属材 料板l与不锈钢板3的厚度分别为2.5mm;纯度》99.95%铜板2的长度为 50mm、宽度为2.5mm、厚度为l.Omm;将铜板2置于钛金属材料板1和不锈 钢板3之间，组成待焊件；二、将待悍件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气 体焊在两端点焊固定，使中间层铜板2与钛金属材料板1和不锈钢板3的对接 面间的间隙分别为O.lOmm;三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗 10min，再将待焊件浸没于酸洗液中酸洗lmin-4min，其中酸洗液是按每升水 溶液中含有200g的HN03和30g的HF配制的，酸洗之后用蒸馏水冲洗干净，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理过的待焊件固定于电子束焊接真空室内 进行电子束焊接，所述真空室的真空度为4.5xlO-5Pa，焊接时电子束流4作用 正对铜板与不锈钢板间的焊缝，焊接参数焊接速度为300mm/min、加速电 压为55kV、聚焦电流为2450mA、电子束流4为9mA;五、采用散焦电子束 流进行后热，后热参数速度为500mm/min、加速电压为55kV、聚焦电流为 3350mA，电子束流4随时间阶梯状降低，先以8mA保持7s，再以6mA保持 7s，再以4mA保持7s，最后以2mA保持7s。本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板1与不锈钢板3的电子束焊接接 头，焊接接头抗拉强度为234MPa，屈服强度为150MPa。
具体实施方式
二十(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
十八不 同的是中间层铜板2的厚度为0.8mm;焊接时电子束流4作用的偏束量S为 O.lmm。其它与具体实施方式
十九相同。本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板与不锈钢板的电子束焊接接头，焊 接接头抗拉强度为200MPa，屈服强度为138MPa。
具体实施方式
二十一(参见图l、图2、图3、图4)本实施方式与具体 实施方式十九不同的是中间层铜板2的厚度为0.5mm;焊接时电子束流4 作用的偏束量5为0.2mm、焊接速度为500mm/min、电子束流为UmA。其它 步骤与参数与具体实施方式
十九相同。本实施方式所得的钛金属材料板1与不锈钢板3的电子束焊接接头，熔池 在不锈钢板母材侧形成，只有少量铜熔化进入熔池，因此熔池中为奥氏体与少 量铜基固溶体的混合物，而在钛金属材料板1与中间层铜板2接触面，由于二 者能形成熔点低于铜合金的共晶组织，主要为112013， TiQi4以及Cu基固溶体 的混合物，由于该化合物层较薄，并有少数Cu基固溶体存在，得到无裂纹的 钛金属材料板与不锈钢板的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为288MPa， 屈服强度为176MPa。
具体实施方式
二十二(参见图l、图2)本实施方式与具体实施方式
十九 不同的是钛金属材料板1的牌号为TB5，成分为Ti-15V-3Cr-3Al;焊接速 度为500mm/min、焊接时电子束流4为llmA。其它与具体实施方式
十九相同。本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板与不锈钢板的电子束焊接接头，焊接接头抗拉强度为280MPa，屈服强度为170MPa。
具体实施方式
二十二(参见图1、图2)本实施方式与具体实施方式
二十 一不同的是钛金属材料板1为纯度》99.99%(质量)纯钛板。其它步骤与参数 与具体实施方式
二十一相同。
本实施方式得到无裂纹的钛金属材料板1与不锈钢板3的电子束焊接接 头，焊接接头抗拉强度为280MPa，屈服强度为180MPa。
权利要求
1、一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，其特征在于该方法按以下步骤实现一、将厚度为0.5mm～2.0mm、纯度≥99.95％(质量)的铜板(2)作为中间层置于待焊钛金属材料板(1)与不锈钢板(3)之间，组成待焊件；二、将待焊件刚性固定在夹具上，采用钨极惰性气体焊在两端点焊固定，使中间层铜板(2)与钛金属材料板(1)和不锈钢板(3)的对接面的间隙为0.05mm～0.25mm；三、将固定好的待焊件先放在丙酮中超声清洗5min～30min，再酸洗，然后烘干；四、用夹具将经步骤三处理后的待焊件固定于电子束焊接真空室内，进行电子束焊接，所述真空室的真空度为10-5Pa～10-4Pa，焊接时电子束流(4)正对铜板(2)与不锈钢板(3)间的焊缝或偏向不锈钢板(3)一侧，焊接参数焊接速度为200mm/min～600mm/min、加速电压为30kV～60kV、聚焦电流为2000mA～3000mA、电子束流为5mA～15mA；五、采用散焦电子束流(4)进行后热，后热电子束流(4)随时间阶梯状降低。
2、 根据权利要求1所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接 方法，其特征在于步骤一中铜板(2)的厚度为0.7mm 1.5mm。
3、 根据权利要求1或2所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束 焊接方法，其特征在于步骤二中铜板(2)与钛金属材料板(1)和不锈钢板(3) 的对接面的间隙为0.08mm 0.20mm。
4、 根据权利要求3所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接 方法，其特征在于步骤三中的酸洗是按以下步骤完成的先按每升水溶液中含 有200g的HN03和30g的HF配制酸洗液，然后将固定好的待焊件浸没于酸 洗液中lmin-4min，然后用蒸馏水冲洗干净。
5、 根据权利要求1、 2或4所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子 束焊接方法，其特征在于步骤四中电子束焊接真空室的真空度为 2.0xl(r5Pa 8xl(T5Pa。
6、 根据权利要求5所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接 方法，其特征在于步骤四中焊接时电子束流(4)距铜板(2)与不锈钢板(3) 接触面的偏束量为S ，其中0mm《S《0.3mm。
7、 根据权利要求l、 2、 4或6所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹 电子束焊接方法，其特征在于步骤四中焊接参数焊接速度为 300mm/min 500mm/min 、力卩速电压为 35kV 55kV 、 聚焦电流为 2300mA 2800mA、电子束流(4)为6mA 13mA。
8、 根据权利要求7所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接 方法，其特征在于步骤五中后热参数速度为300mm/min~700mm/min、加速 电压为30kV 60kV、聚焦电流为3000mA 4000mA。
9、 根据权利要求l、 2、 4、 6或8所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂 纹电子束焊接方法，其特征在于步骤五中后热电子束流(4)以阶梯状降低的 形式是先以7mA 8mA保持7s，接着以5mA 6mA保持7s，再以3mA 4mA 保持7s，最后以lmA 2mA保持7s。
10、 根据权利要求9所述的一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接 方法，其特征在于步骤一中所述的钛金属材料板(1)为钛合金板或纯度^ 99.99%(质量)的纯钛板，其中铜板(2)的长度与被焊钛金属材料板(1)或不 锈钢板(3)长度相同，铜板(2)的宽度与被焊钛金属材料板(1)或不锈钢 板(3)的厚度相同，为lmm 20m'm。
全文摘要
一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法，它属于异种难熔金属材料的焊接领域。本发明解决了现有钛金属材料与不锈钢焊件易产生裂纹、强度低、韧性差的问题。本发明的步骤如下将铜板作为钛金属材料板与不锈钢板之间的中间层组成待焊件，电子束焊接时，电子束流正对铜板与不锈钢板间的焊缝或偏向不锈钢侧，焊接速度为200mm/min～600mm/min、加速电压为30KV～60KV、聚焦电流为2000mA～3000mA、电子束流为5mA～15mA，焊接完成再用散焦电子束后热。该法能够得到无裂纹的钛金属材料与不锈钢的焊接接头，抗拉强度≥230MPa，屈服强度≥150MPa。
文档编号B23K15/00GK101648315SQ20091007278
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月3日 优先权日2009年9月3日
发明者冯吉才, 张秉刚, 廷 王, 陈国庆 申请人:哈尔滨工业大学