專利名稱：一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及錫青銅與鈦合金異種材料電子束焊接方法，屬于異種材料熔化焊接領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
TC4鈦合金是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、塑韌性好、耐熱耐蝕性 好、可加工性好等特點(diǎn)，在航空、航天、車輛工程、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用 價(jià)值。錫青銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、延展性和優(yōu)良的抗腐蝕性能。因而在電氣、電 子、化工、動(dòng)力、交通及航空航天等工業(yè)及軍事部門都得到了廣泛的應(yīng)用。異種材料的焊接 日益受到人們的重視。其特點(diǎn)是能夠最大限度地利用材料的各自優(yōu)點(diǎn)滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)材料 結(jié)構(gòu)性能多方面的要求，在某些情況下，異種材料的綜合性能甚至超過(guò)單一金屬結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn) TC4鈦合金與錫青銅合金異種材料的有效連接既能滿足導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性的要求，又 能滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的要求，在航空航天、造船、儀表等領(lǐng)域必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。但是，TC4/錫青銅電子束焊接焊縫中易形成由金屬間化合物組成的層狀組織結(jié) 構(gòu)，是接頭中的薄弱位置，使接頭抗拉強(qiáng)度降低，目前國(guó)內(nèi)外解決這一問(wèn)題的合理方法尚未 見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決TC4/錫青銅合金異種材料電子束焊接容易產(chǎn)生金屬間化 合物層狀結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。本發(fā)明所述的鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，是在采用現(xiàn)有的電子束焊接方法 對(duì)兩種母材的對(duì)接面進(jìn)行焊接完成之后，再采電子束焊接方法在偏向錫青銅合金母材一 側(cè)、與焊縫距離0. 2mm至1. Omm處進(jìn)行第二次焊接，所述焊接的母材為鈦合金母材和錫青 銅合金母材，其中鈦合金母材的成分為Al 6. 2% (重量)、V:3. 5% (重量)、雜質(zhì)<0.2% (重量)，余量為Ti ；錫青銅合金母材的成分為Sn :9. 0% (重量)、余量為Cu。本發(fā)明所述的焊接方法，通過(guò)設(shè)計(jì)電子束聚焦焊接位置，利用疊加焊接的方法改 善接頭組織結(jié)構(gòu)，減少或者消除金屬間化合物的不利影響，獲得優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)的連接接頭。當(dāng)所述鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚度為1. 5mm 5. Omm的板材時(shí)，所述 焊接的過(guò)程為步驟一、將待焊接的兩塊板材進(jìn)行預(yù)處理；步驟二、調(diào)整兩塊板材的相對(duì)位置，使所述兩塊板材的對(duì)接面之間的錯(cuò)邊小于 0. 2mm，并且所述對(duì)接面之間的縫隙小于0. Imm ；然后用夾具固定所述兩塊板材，使所述兩 塊板材不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；步驟三、將固定好的兩塊板材放入真空室內(nèi)開始抽真空，使該真空室的真空度在 5 X ICT2Pa 至 5 X ICT4Pa 之間；步驟四、將電子束的聚焦位置設(shè)定為兩塊板材的對(duì)接面之間的縫隙，然后開始焊
4接，焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為15mA 50mA，焊接速度為4mm/s 12mm/s ；步驟五、將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 2 1. 0mm，在此位置進(jìn)行 第二次焊接；焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為 12mA 45mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s ；步驟六、真空室冷卻8min至12min，焊接完成。當(dāng)所述鈦合金母材和錫青銅合金母材都是壁厚為1. 5mm 5. Omm的管材時(shí)，焊接 的焊縫為環(huán)形對(duì)接焊縫，則所述焊接方法的過(guò)程為步驟一、將待焊接的兩根管材進(jìn)行預(yù)處理；步驟二、調(diào)整兩根管材的相對(duì)位置，使所述兩根管材的對(duì)接面之間的錯(cuò)邊小于 0. 2mm，并且所述對(duì)接面之間的縫隙小于0. Imm ；然后用夾具固定所述兩根管材，使所述兩 根管材不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；步驟二中所述的用夾具固定的方式可以采用兩端均勻加載的固定方式實(shí)現(xiàn)?？梢?分別對(duì)兩種材料管件的端點(diǎn)施加壓力，保證焊接過(guò)程中試件不發(fā)生移動(dòng)；步驟三、將固定好的兩根管材放入真空室內(nèi)開始抽真空，使該真空室的真空度在 5 X ICT2Pa 至 5 X ICT4Pa 之間；步驟四、將電子束的聚焦焊接的位置設(shè)定在兩根管材的對(duì)接面的縫隙處進(jìn)行焊 接，焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為15mA 50mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s，焊接行程為450度；步驟五、將電子束的聚焦位置向錫青銅合金管材側(cè)移動(dòng)0. 2 1. 0mm，在此位置進(jìn) 行第二次焊接，焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流 為12mA 45mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s，焊接行程為450度；步驟六、真空室冷卻，冷卻8min至12min去真空，焊接完成。采用常規(guī)的電子束焊接方法對(duì)TC4鈦合金與錫青銅合金進(jìn)行焊接接頭強(qiáng)度較低， 僅為錫青銅合金母材的40%左右。本發(fā)明與常規(guī)焊接方法不同之處在于利用疊加焊接的方 法，分別對(duì)TC4鈦合金與錫青銅合金的對(duì)接面、偏向錫青銅合金側(cè)一定距離進(jìn)行電子束焊 接。一方面可以使TC4鈦合金與錫青銅合金焊縫形成良好的冶金結(jié)合，接頭沒有氣孔、裂紋 等焊接缺陷；另一方面能夠?qū)⒑缚p與錫青銅合金側(cè)形成的金屬間化合物層狀結(jié)構(gòu)減弱或消 除，獲得連續(xù)分布的焊縫組織，從而可將接頭抗拉強(qiáng)度提高到錫青銅合金母材的70%以上。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，是在 采用現(xiàn)有的電子束焊接方法對(duì)兩種母材的對(duì)接面進(jìn)行焊接完成之后，再采電子束焊接方法 在偏向錫青銅合金母材一側(cè)、與焊縫距離0. 2mm至1. Omm處進(jìn)行第二次焊接，所述焊接的母 材為鈦合金母材和錫青銅合金母材，其中鈦合金母材的成分為Al 6.2% (重量)、V:3.5% (重量)、雜質(zhì)< 0. 2% (重量)，余量為Ti ；錫青銅合金母材的成分為Sn :9· 0% (重量)、 余量為Cu。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式是具體實(shí)施方式
一所述的一種鈦合金與錫青銅電子 束焊接方法的具體實(shí)施例。本實(shí)施方式中所述的鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚度為1. 5mm 5. Omm的板材時(shí)，所述焊接的過(guò)程為步驟一、將待焊接的兩塊板材進(jìn)行預(yù)處理；步驟二、調(diào)整兩塊板材的相對(duì)位置，使所述兩塊板材的對(duì)接面之間的錯(cuò)邊小于
0.2mm，并且所述對(duì)接面之間的縫隙小于0. Imm ；然后用夾具固定所述兩塊板材，使所述兩 塊板材不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；步驟三、將固定好的兩塊板材放入真空室內(nèi)開始抽真空，使該真空室的真空度在 5 X ICT2Pa 至 5 X ICT4Pa 之間；步驟四、將電子束的聚焦位置設(shè)定為兩塊板材的對(duì)接面之間的縫隙，然后開始焊 接焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為15mA 50mA，焊接速度為4mm/s 12mm/s ；步驟五、將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 2 1. 0mm，在此位置進(jìn)行 第二次焊接；焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為 12mA 45mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s ；步驟六、真空室冷卻8min至12min，焊接完成。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
二所述的一種鈦合金與錫青銅電 子束焊接方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟一中所述的預(yù)處理，是指對(duì)待焊接的兩塊板材的對(duì)接面 及其附近區(qū)域進(jìn)行機(jī)械打磨和化學(xué)清洗。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
二所述的一種鈦合金與錫青銅電 子束焊接方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟二中所述的用夾具固定的方式可以采用上表面加載的固 定方式。具體為，分別對(duì)兩種板材的端點(diǎn)施加壓力，保證焊接過(guò)程中兩塊板材不發(fā)生移動(dòng)。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
二所述的一種鈦合金與錫青銅電 子束焊接方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟五中所述的第二次焊接的焊接軌跡與步驟四中的焊接軌 跡相平行。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式中，鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚度為
1.5mm 3. Omm的板材，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二所述的一種鈦合金與錫青銅電子束 焊接方法的區(qū)別在于，在步驟四中，電子束流為15mA 30mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s ；在步驟五中，將電子束聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 2 0. 6mm ；焊接時(shí)的電子 束流為12mA 25mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式中，鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚度為 3. Omm 5. Omm的板材，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二所述的一種鈦合金與錫青銅電子束 焊接方法的區(qū)別在于，在步驟四中，電子束流為30mA 50mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s ；在步驟五中，將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 6 1. Omm ；焊接時(shí)電子 束流為25mA 45mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式是具體實(shí)施方式
一所述的一種鈦合金與錫青銅電子 束焊接方法的具體實(shí)施例。本實(shí)施方式中所述的鈦合金母材和錫青銅合金母材都是壁厚為 1. 5mm 5. Omm的管材，焊接的焊縫為環(huán)形對(duì)接焊縫，本實(shí)施方式所述的焊接過(guò)程為步驟一、將待焊接的兩根管材進(jìn)行預(yù)處理；
6
步驟二、調(diào)整兩根管材的相對(duì)位置，使所述兩根管材的對(duì)接面之間的錯(cuò)邊小于 0. 2mm，并且所述對(duì)接面之間的縫隙小于0. Imm ；然后用夾具固定所述兩根管材，使所述兩 根管材不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；步驟三、將固定好的兩根管材放入真空室內(nèi)開始抽真空，使該真空室的真空度在 5 X ICT2Pa 至 5 X ICT4Pa 之間；步驟四、將電子束的聚焦焊接的位置設(shè)定在兩根管材的對(duì)接面的縫隙處進(jìn)行焊 接，焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為15mA 50mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s，焊接行程為450度；步驟五、將電子束的聚焦位置向錫青銅合金管材側(cè)移動(dòng)0. 2 1. 0mm，在此位置進(jìn) 行第二次焊接，焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流 為12mA 45mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s，焊接行程為450度；步驟六、真空室冷卻，冷卻8min至12min去真空，焊接完成。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
八所述的一種鈦合金與錫青銅電 子束焊接方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟一中所述的預(yù)處理，是指對(duì)待焊接的兩根管材的對(duì)接面 及其附近區(qū)域進(jìn)行機(jī)械打磨和化學(xué)清洗。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
八所述的一種鈦合金與錫青銅電 子束焊接方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟二中所述的用夾具固定的方式采用兩端均勻加載的固定 方式實(shí)現(xiàn)?？梢苑謩e對(duì)兩種材料管件的端點(diǎn)施加壓力，保證焊接過(guò)程中試件不發(fā)生移動(dòng)。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
八所述的一種鈦合金與錫青銅 電子束焊接方法的進(jìn)一步說(shuō)明，步驟五中所述的第二次焊接的焊接軌跡與步驟四中的焊接 軌跡相平行。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式中所述的鈦合金母材和錫青銅合金母材都是壁厚 為1. 5mm 3. Omm的管材，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八所述的焊接方法的的區(qū)別在于在步驟四中，電子束流為15mA 30mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s ；在步驟五中，將電子束的聚焦位置向錫青銅合金管件側(cè)移動(dòng)0. 2 0. 6mm ；焊接時(shí) 電子束流為12mA 25mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式中所述的鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚為 3. Omm 5. Omm的管材，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八所述的焊接方法的區(qū)別在于在步驟四中，電子束流為30mA 50mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s ；在步驟五中，將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 6 1. Omm ；焊接時(shí)的電 子束流為25mA 45mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s。
權(quán)利要求
一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，所述焊接方法是在采用現(xiàn)有的電子束焊接方法對(duì)兩種母材的對(duì)接面進(jìn)行焊接完成之后，再采用電子束焊接方法在偏向錫青銅合金母材一側(cè)、與焊縫距離0.2mm至1.0mm處進(jìn)行第二次焊接，所述焊接的母材為鈦合金母材和錫青銅合金母材，其中鈦合金母材的成分為Al6.2％(重量)、V3.5％(重量)、雜質(zhì)≤0.2％(重量)，余量為Ti；錫青銅合金母材的成分為Sn9.0％(重量)、余量為Cu。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，所述的 鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚度為1. 5mm 5. Omm的板材，所述焊接的過(guò)程為步驟一、將待焊接的兩塊板材進(jìn)行預(yù)處理；步驟二、調(diào)整兩塊板材的相對(duì)位置，使所述兩塊板材的對(duì)接面之間的錯(cuò)邊小于0. 2mm, 并且所述對(duì)接面之間的縫隙小于0. Imm ；然后用夾具固定所述兩塊板材，使所述兩塊板材 不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；步驟三、將固定好的兩塊板材放入真空室內(nèi)開始抽真空，使該真空室的真空度在 5 X ICT2Pa 至 5 X ICT4Pa 之間；步驟四、將電子束的聚焦位置設(shè)定為兩塊板材的對(duì)接面之間的縫隙，然后開始焊接焊 接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為15mA 50mA，焊 接速度為4mm/s 12mm/s ；步驟五、將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 2 1. 0mm，在此位置進(jìn)行第二次 焊接；焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為12mA 45mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s ；步驟六、真空室冷卻8min至12min，焊接完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，步驟二 中所述的用夾具固定的方式為上表面加載的固定方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，鈦合金 母材和錫青銅合金母材都是厚度為1. 5mm 3. Omm的板材，在步驟四中，電子束流為15mA 30mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s ；在步驟五中，將電子束聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 2 0. 6mm ；焊接時(shí)的電子束流 為12mA 25mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，鈦合金 母材和錫青銅合金母材都是厚度為3. Omm 5. Omm的板材，在步驟四中，電子束流為30mA 50mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s ；在步驟五中，將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 6 1. Omm ；焊接時(shí)電子束流 為25mA 45mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，所述的 鈦合金母材和錫青銅合金母材都是壁厚為1. 5mm 5. Omm的管材，焊接的焊縫為環(huán)形對(duì)接 焊縫，所述的焊接過(guò)程為步驟一、將待焊接的兩根管材進(jìn)行預(yù)處理；步驟二、調(diào)整兩根管材的相對(duì)位置，使所述兩根管材的對(duì)接面之間的錯(cuò)邊小于0. 2mm, 并且所述對(duì)接面之間的縫隙小于0. Imm;然后用夾具固定所述兩根管材，使所述兩根管材 不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；步驟三、將固定好的兩根管材放入真空室內(nèi)開始抽真空，使該真空室的真空度在 5 X ICT2Pa 至 5 X ICT4Pa 之間；步驟四、將電子束的聚焦焊接的位置設(shè)定在兩根管材的對(duì)接面的縫隙處進(jìn)行焊接，焊 接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為15mA 50mA，焊 接速度為5mm/s 12mm/s，焊接行程為450度；步驟五、將電子束的聚焦位置向錫青銅合金管材側(cè)移動(dòng)0. 2 1. 0mm，在此位置進(jìn)行 第二次焊接，焊接時(shí)工作距離為150mm，加速電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，電子束流為 12mA 45mA，焊接速度為5mm/s 12mm/s，焊接行程為450度；步驟六、真空室冷卻，冷卻Smin至12min去真空，焊接完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，所述的 鈦合金母材和錫青銅合金母材都是壁厚為1. 5mm 3. Omm的管材，在焊接過(guò)程中在步驟四中，電子束流為15mA 30mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s ；在步驟五中，將電子束的聚焦位置向錫青銅合金管件側(cè)移動(dòng)0. 2 0. 6mm ；焊接時(shí)電子 束流為12mA 25mA，焊接速度為8mm/s 12mm/s。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，所述的 鈦合金母材和錫青銅合金母材都是厚為3. Omm 5. Omm的管材，在焊接過(guò)程中在步驟四中，電子束流為30mA 50mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s ；在步驟五中，將電子束的聚焦位置向錫青銅合金側(cè)移動(dòng)0. 6 1. Omm ；焊接時(shí)的電子束 流為25mA 45mA，焊接速度為5mm/s 8mm/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，步驟二 中所述的用夾具固定的方式采用兩端均勻加載的固定方式實(shí)現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，其特征在于，步 驟五中所述的第二次焊接的焊接軌跡與步驟四中的焊接軌跡相平行。
全文摘要
一種鈦合金與錫青銅電子束焊接方法，屬于異種材料熔化焊接領(lǐng)域。本發(fā)明的目的在于解決錫青銅與鈦合金異種材料電子束焊接容易產(chǎn)生金屬間化合物層狀結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。本發(fā)明與常規(guī)焊接方法不同之處在于利用疊加焊接的方法，分別對(duì)TC4鈦合金與錫青銅合金的對(duì)接面、偏向錫青銅合金側(cè)一定距離進(jìn)行電子束焊接。一方面可以使TC4鈦合金與錫青銅合金焊縫形成良好的冶金結(jié)合，接頭沒有氣孔、裂紋等焊接缺陷；另一方面能夠?qū)⒑缚p與錫青銅合金側(cè)形成的金屬間化合物層狀結(jié)構(gòu)減弱或消除，獲得連續(xù)分布的焊縫組織，從而可將接頭抗拉強(qiáng)度提高到錫青銅合金母材的70％以上。
文檔編號(hào)B23K15/06GK101913023SQ20101027816
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者馮吉才, 劉偉, 宋國(guó)新, 張秉剛, 陳國(guó)慶 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)