一种激光点焊-电子束钎焊复合焊接高氮钢的方法与流程

本发明涉及高氮钢焊接技术领域，尤其是涉及一种激光点焊-电子束钎焊复合焊接高氮钢的方法。

背景技术：

高氮钢具有耐腐蚀、耐氧化、耐磨损以及力学性能优异等优点，是航空、船舶及兵器等装备制造的重要材料之一，而高氮钢焊接技术则是决定其应用范畴的重要工艺环节。目前，高氮钢焊接技术主要以摩擦焊、搅拌摩擦焊、tig焊、mig焊、爆炸焊、气保焊、激光及其复合焊等为主，然而，由于焊接时温度较高，且高氮钢自身氮含量较高，焊接过程中常会出现母材氮析出引起的焊接气孔问题，进而诱发其他硬脆相出现，弱化材料性能，降低焊接接头的综合性能。

中国专利《高氮钢激光mig电弧复合焊接方法》（申请号201210385839.2），提供了一种利用激光-mig电弧复合焊接技术对高氮钢进行钎焊的方法；《解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法》（zl201610363272.7）则提供了一种改进的高氮钢激光-电弧复合焊接的新思路，通过磁控和温控复合的方法同时解决高氮钢焊接气孔和焊接热影响区韧性差的问题。然而，上述复合焊接的方法应用于厚度为1-2.5mm的高氮薄钢板时，仍会出现焊接时母材熔化、氮元素流失和焊缝宽度较大的问题，特别是焊接面变形较大的问题。

技术实现要素：

针对由0.9-2.1份n、51-65份fe、1.9-2.7份ni、23-28份cr、19-25份mn、1.2-1.6份mo、0.2-0.6份c、0.02-0.05份s、0.05-0.08份p和0.5-0.8份si组成（重量份计）的高氮薄钢板，本发明提供一种焊接时焊接面变形量较小、母材不熔化、氮元素不流失、无需选择焊缝深度和宽度比值的激光点焊-电子束钎焊复合焊接高氮钢的方法。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的激光点焊-电子束钎焊复合焊接高氮钢的方法，包括如下步骤：

第一步，对待焊件的待焊面进行预处理，之后采用激光点焊方式进行点焊固定，所述激光点焊的工艺参数如下：真空度0.1-8pa,激光功率为400-500w，透镜焦距为φ50×100-φ50×120mm，出光频率为10-15hz，焊接速度为5-8mm/s，点焊总时间为120-180ms；

第二步，将钎料膏涂覆在待焊件的待焊面上，采用电子束钎焊对除了第一步激光点焊以外的位置进行分侧焊接，包括：首先利用电子束虚焦焊钎焊待焊面a侧，焊接参变量如下：真空度为（2.5-5）×10^-8mpa，电子束流为25-45ma，电子束流的偏束量为1.2-3.6mm，焊接速度为8.5-11.5dm/min、加速电压为45-65kv，聚焦电流为2350-2760ma；再利用电子束实焦焊钎焊待焊面b侧，焊接参变量如下：电子束流为25-33ma，电子束流的偏束量为0.01-0.55mm，焊接速度为3.5-7.5dm/min、加速电压为45-65kv，聚焦电流为2180-2250ma。

所述待焊件包括厚度为1-2.5mm的第一高氮钢板和厚度为1.5-2mm的第二高氮钢板，所述第一高氮钢板和第二高氮钢板左右对置，通过夹具固定后进行激光点焊。

所述激光点焊时激光功率为100%全功率，持续时间为17-19ms。

以重量份计，所述钎料膏由25-28份pd、39-46份ni、36-39份cr、2.8-5.8份镀钒镍石墨烯、12-15份mn、7-11份re、6-9份si和2-5.5份b组成。

所述镀钒镍石墨烯以氧化石墨烯为原料，依次进行粗化、敏化、还原、洗涤、干燥，然后采用直流电沉积在石墨烯表面镀钒镍合金，再采用直流磁控溅射法在镀钒镍合金后的石墨烯表面沉积金属钼离子，研磨，制得镀钒镍石墨烯粉末。

所述钎料膏的制备方法如下：

第一步，按重量份计，称量蒸馏水15-30份、水基粘结剂15-30份和丙酮5-12份、摩尔浓度为15.97mol/l的酒精6-13份，并按照所述钎料比例配置pd、ni、cr、镀钒镍石墨烯、mn、re、si、b原料合金粉末，研磨至106-150微米后备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入烧杯中，搅拌，得到无沉淀溶液；

第三步、取第一步得到的原料合金粉末45-70份，加入辅助添加剂12-18份后，加入第二步得到的溶液中，搅拌，并抽真空，制得膏状钎料。

按重量份计，所述水基粘结剂由磷酸锌24-36份、氯化铵45-61份、聚乙二醇15-23份、氰基丙烯酸丁酯14-22份、过硫酸铵7-11份组成。

所述的辅助添加剂由酒石酸钠、钡玻璃粉、气相二氧化硅按2:3:7的重量比混合均匀组成。

本发明提供的激光点焊-电子束钎焊复合钎焊高氮钢的方法，先以激光作热源进行点焊，速度快、精度高，热输入量小，工件变形小；由于激光的可达性较好，可以减少点焊时位置与结构上的限制；激光点焊属于无接触焊接，焊点之间的距离、搭接量等参数的调节范围大；获得的焊接接头表面质量和性能比传统焊接方法高得多。接着，使用电子束钎焊，利用散焦电子束对真空中的待焊零件进行扫描加热焊接，由于能量集中、热效率高，可以将待焊材料的局部迅速加热至焊接温度，有利于减少钎料成分的挥发、消弱母材晶粒长大，且由于整个过程在真空环境进行，能够有效避免杂质元素参与反应过程，降低钎焊缺陷的产生，接头强度高、焊接质量好。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明高氮钢母材几乎不熔化，使得氮元素不流失，克服了传统焊接方式的气孔缺点，使得氮元素几乎无损失；

2)本发明钎焊过程中高氮钢母材几乎不熔化，即无变形，一定程度上提高了接头的连接强度和力学性能，焊接接头成形非常好；

3)本发明激光、电子束与母材、钎料不接触，通过辐射加热，在焊接过程中无需施加压力；

4)本发明中激光点焊和电子束钎焊均在真空环境下实施，使得焊接过程中杂质元素、外界气体无法参与反应，因而获得的接头无缺陷，性能优异；

5)本发明激光点焊-电子束钎焊复合焊接在连接高氮钢时由于温度较低，可以有效的防止接头处产生氮化物、碳化物、碳氮化物以降低其性能；

6)高氮钢在高温下容易产生高温蠕变、相变等，其组织性能将会变化，降低了焊接接头的性能，复合焊接过程中高氮钢几乎不熔化，可以避免上述组织性能变化问题；

7)本发明所用钎料膏中含有钯、镍、锰、铬等元素，不仅可以有效润湿母材高氮钢，而且与母材几乎无限固溶，形成冶金结合，增强接头的力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中待焊件进行点焊和炉中钎焊的位置关系示意图。

图2是本发明实施例1-4中钎焊接头的照片。（图中记号1-4分别对应实施例1-4）。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明所述的激光点焊-电子束钎焊复合焊接高氮钢的方法。

实施例1：

第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板均由0.9份n、65份fe、1.9份ni、23份cr、19份mn、1.2份mo、0.2份c、0.02份s、0.05份p和0.5份si（按重量份计）组成，其中，第一高氮薄钢板厚度为1mm，第二高氮薄钢板厚度为1.5mm。如图1所示，将左右对置的第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板对焊在一起，采用如下方法：

第一步，对第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板的待焊面进行打磨、抛光、酒精擦洗等表面预处理，然后用夹具将第一、二高氮薄钢板按照焊接位置关系分别进行固定，接着进行激光点焊，上述激光点焊的工艺参数如下：真空度0.1pa,激光功率为400w，透镜焦距为φ50×100mm，出光频率为10hz，焊接速度为5mm/s，点焊预热、焊接、冷却的总时间为120ms；具体地，在激光点焊步骤开始的0.5ms内，需使激光功率从0上升到100％全功率，然后使激光100％全功率持续17ms，并在该段时间内完成第一、二高氮薄钢板激光点焊连接工作，具体点焊位置如图1所示，一般在焊接面的中间和两端选取5-7个点进行焊接固定，完成后，在0.4ms内使激光功率迅速从100％全功率下降至0。

第二步，如图1所示，沿焊接面的中垂线将待焊面分为a侧和b侧，将预制钎料膏涂覆在第一、二高氮薄钢板待焊面的a、b两侧，然后采用电子束钎焊对除了第一步激光点焊以外的位置进行分侧同时焊接。

分侧焊接时可以避免产生残余热应力，防止焊缝开裂、不产生待焊工件变形，提高接头的连接强度和使用寿命，具体为：首先利用电子束虚焦焊钎焊待焊面a侧，焊接参变量如下：真空度为2.5×10^-8mpa，电子束流为25ma，电子束流的偏束量为1.2mm，焊接速度为8.5dm/min、加速电压为45kv，聚焦电流为2350ma；再利用电子束实焦焊钎焊待焊面b侧，焊接参变量如下：电子束流为25ma，电子束流的偏束量为0.01mm，焊接速度为3.5dm/min、加速电压为45kv，聚焦电流为2180ma。

上述钎料膏由25份pd、46份ni、36份cr、2.8份镀钒镍石墨烯、12份mn、7份re、6份si和2份b（按重量份计）组成的钎料，其制备方法具体如下：

第一步，利用fad5001电子天平，称量15g蒸馏水、15g水基粘结剂、摩尔浓度为15.97mol/l的酒精6g和5g丙酮，上述水基粘结剂由磷酸锌36重量份、氯化铵45重量份、聚乙二醇15重量份、氰基丙烯酸丁酯14重量份、过硫酸铵11重量份组成；同时，按比例配置pd、ni、cr、mn、镀钒镍石墨烯、re、si、b钎料原料合金粉末，通过qm0.5球磨机将其研磨至150微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000ml的烧杯中，用m350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末70g，加入辅助添加剂18g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5mpa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯以氧化石墨烯为原料，按照常规方法进行粗化、敏化处理后，放入还原剂中进行还原，然后洗涤、干燥，接着采用直流电沉积在石墨烯表面镀钒镍合金，再采用直流磁控溅射法在镀钒镍合金后的石墨烯表面沉积金属钼离子，将其放入球磨罐中研磨成粉末，制得镀钒镍石墨烯粉末。

上述辅助添加剂由酒石酸钠、钡玻璃粉、气相二氧化硅按2:3:7的重量比混合而成。

如图2所示，焊接后得到的复合焊接接头1焊缝周围母材不熔化、钎缝间隙为57μm，经2400tchns分析仪进行分析，氮元素含量为0.873%，氮元素流失率为0.0074%（可忽略不计）；使用mts万能拉力试验机检测，高氮钢接头的抗拉强度为983.6mpa。

实施例2：

第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板均由2.1份n、51份fe、2.7份ni、28份cr、25份mn、1.6份mo、0.6份c、0.05份s、0.08份p和0.8份si（按重量份计）组成，其中，第一高氮薄钢板厚度为2.5mm，第二高氮薄钢板厚度为2mm。将左右对置的第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板对焊在一起，采用如下方法：

第一步，对第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板的待焊面进行打磨、抛光、酒精擦洗等表面预处理，然后用夹具将第一、二高氮薄钢板按照焊接位置关系分别进行固定，接着进行激光点焊，上述激光点焊的工艺参数如下：真空度8pa,激光功率为500w，透镜焦距为φ50×120mm，出光频率为15hz，焊接速度为8mm/s，点焊预热、焊接、冷却的总时间为180ms；具体地，在激光点焊步骤开始的0.5ms内，需使激光功率从0上升到100％全功率，然后使激光100％全功率持续19ms，并在该段时间内完成第一、二高氮薄钢板激光点焊连接工作（同实施例1），然后在0.4ms内使激光功率迅速从100％全功率下降至0。

第二步，将预制钎料膏涂覆在第一、二高氮薄钢板的待焊面上，采用电子束钎焊对除了第一步激光点焊以外的位置进行分侧焊接（同实施例1），具体为：首先利用电子束虚焦焊钎焊待焊面a侧，焊接参变量如下：真空度为5×10^-8mpa，电子束流为45ma，电子束流的偏束量为3.6mm，焊接速度为11.5dm/min、加速电压为65kv，聚焦电流为2760ma；再利用电子束实焦焊钎焊待焊面b侧，焊接参变量如下：电子束流33ma，电子束流的偏束量为0.55mm，焊接速度为7.5dm/min、加速电压为65kv，聚焦电流为2250ma。

上述钎料膏由28份pd、39份ni、39份cr、15份mn、5.8份镀钒镍石墨烯、11份re、9份si和5.5份b（按重量份计）组成的钎料，其制备方法具体如下：

第一步，利用fad5001电子天平，称量30g蒸馏水、30g水基粘结剂、13g摩尔浓度为15.97mol/l的酒精和12g丙酮，上述水基粘结剂由由磷酸锌24重量份、氯化铵61重量份、聚乙二醇23重量份、氰基丙烯酸丁酯22重量份、过硫酸铵7重量份组成；同时，按比例配置pd、ni、cr、镀钒镍石墨烯、mn、re、si、b钎料原料合金粉末，通过qm0.5球磨机将其研磨至106微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000ml的烧杯中，用m350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末45g，加入辅助添加剂12g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5mpa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯的制法、辅助添加剂的成分和配比同实施例1。

如图2所示，焊接后得到的复合焊接接头2钎缝周围母材不熔化、钎缝间隙为61μm，经2400tchns分析仪进行分析，氮元素含量为1.892%，氮元素流失率为0.0076%（可忽略不计）；使用mts万能拉力试验机检测，高氮钢钎焊接头的抗拉强度为1019.7mpa。

实施例3：

第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板均由1.5份n、58份fe、2.3份ni、25.5份cr、22份mn、1.4份mo、0.4份c、0.035份s、0.065份p和0.65份si（按重量份计）组成，其中，第一、二高氮薄钢板厚度均为1.75mm。将左右对置的第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板对焊在一起，采用如下方法：

第一步，对第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板的待焊面进行打磨、抛光、酒精擦洗等表面预处理，然后用夹具将第一、二高氮薄钢板按照焊接位置关系分别进行固定，接着进行激光点焊，上述激光点焊的工艺参数如下：真空度3pa,激光功率为450w，透镜焦距为φ50×110mm，出光频率为12.5hz，焊接速度为6.5mm/s，点焊预热、焊接、冷却的总时间为150ms；具体地，在激光点焊步骤开始的0.5ms内，需使激光功率从0上升到100％全功率，然后使激光100％全功率持续18ms，并在该段时间内完成第一、二高氮薄钢板激光点焊连接工作（同实施例1），然后在0.4ms内使激光功率迅速从100％全功率下降至0。

第二步，将预制钎料膏涂覆在第一、二高氮薄钢板的待焊面上，采用电子束钎焊对除了第一步激光点焊以外的位置进行分侧焊接（同实施例1），具体为：首先利用电子束虚焦焊钎焊待焊面a侧，焊接参变量如下：真空度为3.75×10-8mpa，电子束流为35ma，电子束流的偏束量为2.4mm，焊接速度为10dm/min、加速电压为55kv，聚焦电流为2550ma；再利用电子束实焦焊钎焊待焊面b侧，焊接参变量如下：电子束流29ma，电子束流的偏束量为0.28mm，焊接速度为5.5dm/min、加速电压为55kv，聚焦电流为2215ma。

上述钎料膏由26.5份pd、42.5份ni、37.5份cr、4.3份镀钒镍石墨烯、13.5份mn、9份re、7.5份si和3.75份b（按重量份计）组成的钎料，其制备方法具体如下：

第一步，利用fad5001电子天平，称量15g蒸馏水、15g水基粘结剂、9.5g摩尔浓度为15.97mol/l的酒精和5g丙酮，上述水基粘结剂由由磷酸锌36重量份、氯化铵45重量份、聚乙二醇15重量份、氰基丙烯酸丁酯14重量份、过硫酸铵8重量份组成；同时，按比例配置pd、ni、cr、镀钒镍石墨烯、mn、re、si、b钎料原料合金粉末，通过qm0.5球磨机将其研磨至128微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000ml的烧杯中，用m350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末70g，加入辅助添加剂15g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5mpa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯的制法、辅助添加剂的成分和配比同实施例1。

如图2所示，焊接后得到的复合焊接接头3钎缝周围母材不熔化、钎缝间隙为62μm、经2400tchns分析仪进行分析，氮元素含量为1.354%，氮元素流失率为0.013%（可忽略不计）；使用mts万能拉力试验机检测，高氮钢钎焊接头的抗拉强度为1003.9mpa。

实施例4：

第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板均由1.2份n、55份fe、2.1份ni、26份cr、23份mn、1.5份mo、0.5份c、0.03份s、0.06份p和0.7份si（按重量份计）组成，其中，第一高氮薄钢板厚度为2mm，第二高氮薄钢板厚度为1.8mm。将左右对置的第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板对焊在一起，采用如下方法：

第一步，对第一高氮薄钢板和第二高氮薄钢板的待焊面进行打磨、抛光、酒精擦洗等表面预处理，然后用夹具将第一、二高氮薄钢板按照焊接位置关系分别进行固定，接着进行激光点焊，上述激光点焊的工艺参数如下：真空度5pa,激光功率为475w，透镜焦距为φ50×105mm，出光频率为13.5hz，焊接速度为7mm/s，点焊预热、焊接、冷却的总时间为160ms；具体地，在激光点焊步骤开始的0.5ms内，需使激光功率从0上升到100％全功率，然后使激光100％全功率持续18.5ms，并在该段时间内完成第一、二高氮薄钢板激光点焊连接工作（同实施例1），然后在0.4ms内使激光功率迅速从100％全功率下降至0。

第二步，将预制钎料膏涂覆在第一、二高氮薄钢板的待焊面上，采用电子束钎焊对除了第一步激光点焊以外的位置进行分侧焊接（同实施例1），具体为：首先利用电子束虚焦焊钎焊待焊面a侧，焊接参变量如下：真空度为4×10-8mpa，电子束流为30ma，电子束流的偏束量为2mm，焊接速度为9dm/min、加速电压为50kv，聚焦电流为2450ma；再利用电子束实焦焊钎焊待焊面b侧，焊接参变量如下：电子束流30ma，电子束流的偏束量为0.15mm，焊接速度为5dm/min、加速电压为50kv，聚焦电流为2200ma。

上述钎料膏由27份pd、45份ni、37份cr、3.5份镀钒镍石墨烯、14份mn、10份re、8份si和5份b（按重量份计）组成的钎料，其制备方法具体如下：

第一步，利用fad5001电子天平，称量20g蒸馏水、25g水基粘结剂、10g摩尔浓度为15.97mol/l的酒精和10g丙酮，上述水基粘结剂由磷酸锌25重量份、氯化铵50重量份、聚乙二醇20重量份、氰基丙烯酸丁酯20重量份、过硫酸铵10重量份组成；同时，按比例配置pd、ni、cr、镀钒镍石墨烯、mn、re、si、b钎料原料合金粉末，通过qm0.5球磨机将其研磨至135微米备用；

第二步，将第一步得到的丙酮、酒精、水基粘结剂和蒸馏水置入1000ml的烧杯中，用m350磁力搅拌器搅拌均匀，得到无沉淀溶液；

第三步，取第一步得到的原料合金粉末60g，加入辅助添加剂16g后，加入第二步得到的溶液中，搅拌均匀，并利用真空扩散炉对其抽真空（真空度0.5×10^-5mpa），制得膏状钎料。

上述镀钒镍石墨烯的制法、辅助添加剂的成分和配比同实施例1。

如图2所示，焊接后得到的复合焊接接头4钎缝周围母材不熔化、钎缝间隙为65μm，经2400tchns分析仪进行分析，氮元素含量为1.092%，氮元素流失率为0.025%（可忽略不计）；使用mts万能拉力试验机检测，高氮钢钎焊接头的抗拉强度为993.5mpa。