本發(fā)明屬于異種金屬焊接領(lǐng)域，具體涉及一種提高鋼鈮激光焊接接頭強(qiáng)度的方法。

背景技術(shù)：

鋼鈮復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)可以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度、減輕其重量，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是鋼鈮焊接接頭中極易生成大量連續(xù)分布的脆性金屬間化合物，顯著降低接頭強(qiáng)度，甚至在焊后即產(chǎn)生裂紋。因此對(duì)焊接接頭的金屬間化合物進(jìn)行控制，是實(shí)現(xiàn)鋼鈮可靠焊接的關(guān)鍵問(wèn)題。

本課題組之前采用鎢/銅復(fù)合中間層預(yù)置于鋼板與鈮板之間，組成待焊件進(jìn)行焊接來(lái)抑制鋼/鈮焊接接頭中金屬間化合物的生成，顯著提高接頭強(qiáng)度，其詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)專(zhuān)利cn201510490155.2，接頭抗拉強(qiáng)度可提升到136～147mpa。選擇何種材料作為中間層預(yù)置于鋼板和鈮板之間對(duì)于提高接頭抗拉強(qiáng)度具有重要的作用。

激光焊具有熱輸入小、焊接能量和加熱位置精確可控等特點(diǎn)，是當(dāng)前異種金屬焊接的主要方法之一。因此本專(zhuān)利將采用激光焊焊接鋼與鈮，對(duì)接頭中的金屬間化合物進(jìn)行控制，提高接頭強(qiáng)度，從根本上解決兩種材料的焊接難題，促進(jìn)鋼/鈮復(fù)合焊接結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)中的推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有鋼鈮焊接方法接頭強(qiáng)度低的問(wèn)題，提供一種提高鋼鈮激光焊接接頭強(qiáng)度的方法。

當(dāng)不銹鋼板與鈮板的厚度為2mm～6mm，本發(fā)明的目的是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的：

(1)將金屬過(guò)渡層預(yù)置于鋼板與鈮板之間，得到由不銹鋼-金屬過(guò)渡層-鈮組成的待焊件；所述金屬過(guò)渡層為銅片與鉭片組成的復(fù)合層、銅片層或銀片層中的任意一種；

(2)將待焊件在兩端夾緊固定，使鋼/金屬過(guò)渡層、金屬過(guò)渡層/鈮界面的間隙均小于0.1mm，再用板壓在待焊件上表面邊緣，以防止待焊件在焊接過(guò)程中發(fā)生翹曲變形，然后進(jìn)行焊接，

其中，當(dāng)采用銅片與鉭片組成的復(fù)合層作為過(guò)渡金屬時(shí)，采用雙道焊工藝進(jìn)行焊接：第一道激光束作用于銅層中心；第二道激光束作用于鉭層中心；焊接主保護(hù)氣為氬氣，保護(hù)氣流量為10l/min～13l/min，背保護(hù)氣也為氬氣，保護(hù)氣流量為8l/min～10l/min；第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為0.3～3min；

當(dāng)采用銅片層或銀片層作為金屬過(guò)渡層數(shù)時(shí)，采用單道焊工藝進(jìn)行焊接：激光束作用于銅層中心；焊接主保護(hù)氣為氬氣，保護(hù)氣流量為10l/min～13l/min，背保護(hù)氣也為氬氣，保護(hù)氣流量為8l/min～10l/min。

其中，步驟(1)所述的不銹鋼與鈮母材的厚度為2mm～6mm，金屬過(guò)渡層的厚度為0.1mm～1mm。

具體地，所述雙道焊工藝的焊接參數(shù)為：第一次焊接的參數(shù)為：激光功率p＝2kw～6kw，焊接速度v＝1.2m/min～1.8m/min，離焦量δf＝0；第二次焊接的參數(shù)為：激光功率p＝2kw～6kw，焊接速度v＝0.9m/min～1.3m/min，離焦量δf＝0；

單道焊工藝的焊接參數(shù)為：激光功率p＝2kw～6kw，焊接速度v＝1.2m/min～1.8m/min，離焦量δf＝0。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)采用預(yù)置中間層的方法提高鋼鈮焊接方法接頭強(qiáng)度，通過(guò)選擇合適的預(yù)置中間層同時(shí)配合焊接工藝，有效抑制了金屬間化合物生成，提高接頭抗拉強(qiáng)度，相較于之前采用銅鎢層作為預(yù)置中間層，單獨(dú)用銅層作為過(guò)渡層取得了驚人的焊接效果，接頭抗拉強(qiáng)度高達(dá)250mpa。

附圖說(shuō)明

圖1是金屬過(guò)渡層選用銅片與鉭片組成的復(fù)合層時(shí)的待焊件示意圖，其中，1表示不銹鋼，2表示鈮，3表示銅，4表示鉭；

圖2是金屬過(guò)渡層選用銅片與鉭片組成的復(fù)合層時(shí)的激光束作用位置示意圖，其中，5表示第一道激光束，6表示第二道激光束；

圖3是直接焊近鈮側(cè)界面區(qū)域顯微組織照片；

圖4是預(yù)置中間層焊近鈮側(cè)界面區(qū)域顯微組織照片；

圖5為金屬過(guò)渡層選用銅片層或銀片層時(shí)待焊件示意圖，其中，7為銅片層或銀片層；

圖6為金屬過(guò)渡層選用銅片層或銀片層時(shí)激光束作用位置示意圖，其中，8為激光束；

圖7為金屬過(guò)渡層選用銅片層時(shí)預(yù)置中間層焊接接頭橫截面宏觀形貌照片；

圖8為直接焊近鈮側(cè)界面區(qū)域顯微組織照片；

圖9為金屬過(guò)渡層選用銀片層時(shí)預(yù)置中間層焊近鈮側(cè)界面區(qū)域顯微組織照片。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例1～4列舉了過(guò)渡金屬層采用采用銅片與鉭片組成的復(fù)合層的焊接效果。

實(shí)施例1：本實(shí)施方式的焊接方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)圖1、圖2)：

(1)母材為nb521合金和304不銹鋼，尺寸為50mm×25mm×2mm。中間層為純銅板和純鉭板，尺寸為50mm×2mm×1mm；

(2)將不銹鋼板與鈮板，銅片與鉭片先用80#耐水砂紙打磨表面以去除表面氧化膜和油污，再用脫脂棉分別蘸取丙酮和酒精清洗試件表面，確保材料表面清潔沒(méi)有污染；

(3)將銅片與鉭片作為復(fù)合中間層預(yù)置于鋼板與鈮板之間，銅片位于鋼母材一側(cè)，鉭片位于鈮母材一側(cè)，即得到由不銹鋼-銅-鉭-鈮組成的待焊件；

(4)將待焊件在兩端夾緊固定，使鋼/銅、銅/鉭、鉭/鈮界面的間隙均小于0.1mm。再用壓板壓在待焊件上表面邊緣，以防止待焊件在焊接過(guò)程中發(fā)生翹曲變形。然后采用雙道焊工藝進(jìn)行焊接：第一道激光束作用于銅層中心，激光功率p＝2kw，焊接速度v＝1.2m/min，離焦量δf＝0；第二道激光束作用于鉭層中心，激光功率p＝3kw，焊接速度v＝1.2m/min，離焦量δf＝0；焊接主保護(hù)氣為氬氣，保護(hù)氣流量為10l/min，背保護(hù)氣也為氬氣，保護(hù)氣流量為8l/min；第一次焊接與第二次焊接時(shí)間間隔為2min。經(jīng)過(guò)上述步驟即可顯著提高鋼/鈮激光焊接的接頭強(qiáng)度。

對(duì)本實(shí)施方式接頭的顯微組織進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，和鋼/鈮直接激光焊相比(圖3)，本實(shí)施方式焊接的接頭中無(wú)金屬間化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為147mpa。

實(shí)施例2：本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是，中間層中銅片和鉭片的厚度為0.8mm。其它與實(shí)施例1相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭中無(wú)金屬間化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為136mpa。

實(shí)施例3：本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是，中間層中銅片和鉭片的厚度為0.6mm。其它與實(shí)施例1相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭中無(wú)金屬間化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為121mpa。

實(shí)施例4：本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是，鈮母材使用的是純鈮板。其它與實(shí)施例1相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭中無(wú)金屬間化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為141mpa。

實(shí)施例5～9為金屬過(guò)渡層采用銅片層的焊接效果。

實(shí)施例5：本實(shí)施方式的焊接方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)圖5、圖6)

(1)母材為nb521合金和304不銹鋼，尺寸為50mm×25mm×2mm。中間層為純銅板，尺寸為50mm×2mm×1mm；

(2)將不銹鋼板與鈮板，銅片先用80#耐水砂紙打磨表面以去除表面氧化膜和油污，再用脫脂棉分別蘸取丙酮和酒精清洗試件表面，確保材料表面清潔沒(méi)有污染；

(3)將銅片作為中間層預(yù)置于鋼板與鈮板之間，即得到由不銹鋼-銅-鈮組成的待焊件；

(4)將待焊件在兩端夾緊固定，使鋼/銅、銅/鈮界面的間隙均小于0.15mm。再用壓板壓在待焊件上表面邊緣，以防止待焊件在焊接過(guò)程中發(fā)生翹曲變形。然后采用單道焊工藝進(jìn)行焊接，激光束作用于銅層中心，激光功率p＝2kw，焊接速度v＝1.2m/min，離焦量δf＝0；焊接主保護(hù)氣為氬氣，保護(hù)氣流量為10l/min，背保護(hù)氣也為氬氣，保護(hù)氣流量為8l/min。經(jīng)過(guò)上述步驟即完成了鋼與鈮的焊接。

對(duì)本實(shí)施方式接頭的顯微組織進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出在焊縫及熱影響區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，兩種材料之間形成了冶金結(jié)合。經(jīng)拉伸試驗(yàn)，接頭抗拉強(qiáng)度為250mpa。

實(shí)施例6：本實(shí)施方式與實(shí)施例5不同的是，銅片的厚度為0.8mm。其它與實(shí)施例5相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為225mpa。

實(shí)施例7：本實(shí)施方式與實(shí)施例5不同的是，銅片的厚度為0.6mm。其它與實(shí)施例5相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為191mpa。

實(shí)施例8：本實(shí)施方式與實(shí)施例5不同的是，鈮母材使用的是純鈮板。其它與實(shí)施例5相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為234mpa。

實(shí)施例9：本實(shí)施方式與實(shí)施例5不同的是，鋼母材使用的是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼q235a。其它與實(shí)施例5相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為243mpa。

通過(guò)實(shí)施例5～9可以看出，當(dāng)金屬過(guò)渡層只選用銅時(shí)，意外的得到了很好的焊接效果，打破了傳統(tǒng)的預(yù)置中間層時(shí)，需選擇兩種金屬層的思維局限。

實(shí)施例10～14給出了過(guò)渡金屬層為銀片層時(shí)的焊接結(jié)果。

實(shí)施例10：本實(shí)施方式的焊接方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)圖5、圖6)：

(1)母材為nb521合金和304不銹鋼，尺寸為50mm×25mm×2mm。中間層為純銀板，尺寸為50mm×2mm×1mm；

(2)將不銹鋼板與鈮板，銀片先用80#耐水砂紙打磨表面以去除表面氧化膜和油污，再用脫脂棉分別蘸取丙酮和酒精清洗試件表面，確保材料表面清潔沒(méi)有污染；

(3)將銀片作為中間層預(yù)置于鋼板與鈮板之間，即得到由不銹鋼-銀-鈮組成的待焊件；

(4)將待焊件在兩端夾緊固定，使鋼/銀、銀/鈮界面的間隙均小于0.1mm。再用壓板壓在待焊件上表面邊緣，以防止待焊件在焊接過(guò)程中發(fā)生翹曲變形。然后進(jìn)行焊接：激光束作用于銅層中心，激光功率p＝2kw，焊接速度v＝1.2m/min，離焦量δf＝0；焊接主保護(hù)氣為氬氣，保護(hù)氣流量為10l/min，背保護(hù)氣也為氬氣，保護(hù)氣流量為8l/min；

對(duì)本實(shí)施方式接頭的顯微組織進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，和鋼/鈮直接激光焊相比(圖4)，本實(shí)施方式焊接的接頭中無(wú)金屬間化合物生成。接頭抗拉強(qiáng)度為191mpa。

實(shí)施例11：本實(shí)施方式與實(shí)施例10不同的是，銀片的厚度為0.8mm。其它與實(shí)施例10相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為183mpa。

實(shí)施例12：本實(shí)施方式與實(shí)施例10不同的是，銀片的厚度為0.6mm。其它與實(shí)施例10相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為174mpa。

實(shí)施例13：本實(shí)施方式與實(shí)施例10不同的是，鈮母材使用的是純鈮板。其它與實(shí)施例10相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為205mpa。

實(shí)施例14：本實(shí)施方式與實(shí)施例10不同的是，鋼母材使用的是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼q235a。其它與實(shí)施例10相同。

本實(shí)施方式焊接的接頭抗拉強(qiáng)度為197mpa。

我們同樣對(duì)過(guò)渡金屬層為ta、v、w時(shí)的焊接效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)使用ta、v、w作為過(guò)渡金屬時(shí)，直接發(fā)生焊完即裂的現(xiàn)象，上述金屬和鈮一樣，都是屬于難熔金屬，它們和鈮的冶金相容性比較好，不會(huì)生成金屬間化合物。此外和鈮的物理化學(xué)性能也比較接近，如線(xiàn)膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，這樣可以降低接頭殘余內(nèi)應(yīng)力，防止接頭變形和開(kāi)裂。但焊后即裂的原因主要是因?yàn)樗鼈兒丸F的冶金相容性不好，容易生成金屬間化合物，此外和鐵的物理化學(xué)性能差異也很大，會(huì)在接頭中產(chǎn)生很大的殘余內(nèi)應(yīng)力，使接頭變形甚至開(kāi)裂。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。