[发明专利]一种钛金属材料与不锈钢的无裂纹电子束焊接方法

说明书

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焊固定，使中间层铜板分别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～10^-4Pa，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HNO₃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1min-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δ，其中0mm≤δ≤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1mA～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1mm～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；焊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。 

附图说明

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