[发明专利]表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，更具体地说，本发明涉及一种表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法。

背景技术

钛与钢焊接接头因具有显著的经济效益和优异的结构性能而被广泛应用于航空、航天、石油化工、船舶等工业部门。但是，钛与钢的焊接难度较大，钛在高温下易与钢中的铁、碳元素形成FeTi、Fe₂Ti、Fe₂Ti₄O、TiC等化合物，增加了接头的脆性。此外，钢与钛的线膨胀系数相差较大，降低了接头的结合强度，影响了钢与钛焊接接头的使用性能。

目前，钢与钛的焊接一般采用钨极氩弧焊技术，工艺和操作均比较简单。但是，钨极氩弧焊技术的焊接温度高，钢和钛的物理性能(如线膨胀系数和热导率)差异，使得高温条件下会产生较大的应力，容易产生裂纹；同时，生成的Fe与Ti的金属间化合物会使焊接接头变硬变脆，性能下降。

申请号为02133239.8的发明专利申请“钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻隔扩散焊接方法”公开了一种钛铝基合金与钢的扩散焊接的方法，是将钛铝基合金与钢之间加入金属箔(如钛箔、镍箔、钒箔、铜箔、铌箔)，其厚度在10~100μm之间，在真空环境下可得到较好的钛铝基合金与钢的焊接接头。但是，这种方法引入了第三种材料中间层，不仅连接界面增加，同时也使得焊接接头的性能过度不连续且降低了焊接接头的耐腐蚀性。

有鉴于此，确有必要提供一种表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种可显著提高钢与钛或钛合金焊接接头性能的表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法，其包括以下步骤：

S1：通过离子注入法在钢基体的近表面和表面形成钛的离子注入层；以及

S2：以离子注入层表面作为待焊接面与钛或钛合金基体进行钎焊连接。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述离子注入层的厚度为50nm~3μm。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，在形成离子注入层前，对钢基体进行前处理，前处理工艺为：先对钢基体打磨、抛光，再分别用丙酮和酒精超声清洗5~15min后吹干，将待焊钢基体清洗后放入真空室，本底真空度2.0×10^-3Pa，随后进行Ar等离子体溅射清洗，其中，溅射电压-15kV～-10kV，溅射电压频率50~200Hz，脉冲宽度5~20μs，气压0.1Pa~1.0Pa，溅射时间5~20min。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，在所述步骤S1中，离子注入过程中的电压为-10~-45kV，频率10~20Hz，引出电流2~10mA，电弧电压30~70V，注入计量1.0×10¹⁵~7.0×10¹⁷/ion/cm²，注入时间10~120min。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述步骤S2进一步包括：把钛或钛合金基体放入碱性溶液中超声清洗以除去钛或钛合金基体表面的油污；然后，采用HNO₃、HF、乳酸的混合溶液进行化学抛光，以去除钛或钛合金基体表面的氧化膜，清洗后的钛或钛合金基体再用酒精冲洗烘干；将处理后的钛或钛合金基体放入真空炉中，与设有钛的离子注入层的钢基体组装并进行钎焊连接。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述钎焊连接在真空下进行。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述钎焊连接在保护气氛下进行，保护气氛为全氩、全氦，或者氩、氦联合气氛。

作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述钎焊方法为炉中钎焊、感应钎焊、超声波钎焊、红外线钎焊或三束钎焊。

本发明采用离子注入法在钢基体的表面注入钛后，与钛或钛合金基体进行钎焊，很大程度上阻隔了高温条件下两种母材中Fe和Ti的直接接触和扩散，金属间化合物如FeTi、Fe₂Ti等的形成大为减少，避免了钢与钛或钛合金直接焊接出现的脆性，实现了钢与钛或钛合金的冶金连接，降低了异种材料线膨胀系数的差异而出现裂纹的可能性，提高了钢与钛或钛合金焊接接头的性能。

附图说明

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法作进一步说明，其中：