本發(fā)明屬于金屬材料界面焊接工藝領(lǐng)域，具體而言，涉及一種鈦材料與銅材料構(gòu)成的異質(zhì)金屬接頭焊接方法。

背景技術(shù)：

鈦及鈦合金具有輕質(zhì)高強(qiáng)、良好的耐腐蝕、優(yōu)良的高溫性能及生物相容性等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。銅及銅合金通常具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的冷、熱加工性能，高的抗氧化性及有機(jī)化學(xué)物質(zhì)腐蝕的性能，在電氣、電子、動(dòng)力、化工等工業(yè)部門(mén)中應(yīng)用廣泛。ti/cu異種金屬的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)連接，可以滿(mǎn)足一些特殊構(gòu)件的減重性和功能性要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是ti與cu的物理化學(xué)性質(zhì)差異巨大，焊接時(shí)易形成ti-cu系金屬間化合物，嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性能?，F(xiàn)有的激光焊連接方法，如采取光束偏移或完全熔化中間層的方法，均無(wú)法避免焊縫中ti-cu系金屬間化合物的產(chǎn)生，這已成為制約ti/cu異種金屬結(jié)構(gòu)廣泛使用的主要技術(shù)瓶頸。因此，研究開(kāi)發(fā)ti/cu異種金屬連接技術(shù)具有重要的技術(shù)工程意義和廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有專(zhuān)利201610391373.5《一種低溫連接高溫使用cu/sn/cu釬焊界面的制備方法及結(jié)構(gòu)》公開(kāi)了以?xún)蓪觭n作為cu的中間層，施加壓力，同時(shí)在一定溫度下形成cu-sn金屬間化合物，但是在《cu-sn界面上金屬間化合物生長(zhǎng)的抑制》(任峰高蘇張啟運(yùn)金屬學(xué)報(bào)2002年7月)一文中，公開(kāi)了cu-sn界面形成η相(cu6sn5)微晶，并擴(kuò)散至覆錫層表面，導(dǎo)致可焊性大幅度下降，并說(shuō)明必須抑制cu向sn中的溶解和擴(kuò)散，而加厚sn層不能有效解決該難題，因此該專(zhuān)利在釬焊界面會(huì)形成cu-sn金屬間化合物，這對(duì)材料的可焊性會(huì)產(chǎn)生不利影響。

專(zhuān)利201410449257.5《鎳鈦形狀記憶合金與銅合金的異種材料連接方法及其夾具》公開(kāi)了鎳鈦合金直接與銅合金焊接，通過(guò)對(duì)銅母材進(jìn)行加熱，利用銅合金流動(dòng)性的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)銅合金與記憶合金的有效連接，并且需要在焊后對(duì)材料進(jìn)行熱處理，調(diào)節(jié)焊縫組織形貌和晶粒尺寸，由于銅會(huì)與其它元素互溶，可能會(huì)形成金屬間化合物，降低鎳鈦合金與銅合金焊接處力學(xué)性能。

專(zhuān)利201610821139.1《一種鈦銅層狀電極復(fù)合材料的快速制備方法》公開(kāi)了在鈦箔與銅箔之間復(fù)合鋁箔，通過(guò)超聲固結(jié)將其壓合，進(jìn)而作為電極材料，由于是對(duì)材料厚度方向進(jìn)行壓合，且各層材料厚度極小，都小于0.2mm，根據(jù)該專(zhuān)利公開(kāi)的附圖可知，不存在各層材料的互溶，因此各層分界較明顯，通過(guò)該方式得到的電極材料界面牢固性低于焊接方式，存在結(jié)合界面不牢固的缺陷。

專(zhuān)利201310428292.4《噴射沉積法制備鈦包銅層狀復(fù)合電極板的方法》公開(kāi)了通過(guò)噴射沉積的方法在鈦或銅板上沉積一層銅或鈦，由于是銅直接與鈦復(fù)合，易形成ti-cu系金屬間化合物，存在界面結(jié)合強(qiáng)度不高的缺陷。

專(zhuān)利201610463909.x《一種不銹鋼-鈦合金異種金屬激光焊接方法》公開(kāi)了在不銹鋼和鈦合金之間添加鈮作為中間層，將激光光斑焦點(diǎn)設(shè)置在鈦合金上，精確控制激光焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)異種金屬材料的焊接。該方法采用的是熔焊+接觸反應(yīng)釬焊方式，利用鈮的熱傳導(dǎo)作用，同時(shí)由于鈦合金和不銹鋼的導(dǎo)熱性能相差不大，在鈦合金與鈮接觸面熔化同時(shí)，鈮與不銹鋼接觸面的溫度高于鈮、鐵的共晶溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接，但是該方法只適合于導(dǎo)熱性能相差不大的兩種材料，當(dāng)兩種材料導(dǎo)熱性相差極大情況下，會(huì)導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)到nb與導(dǎo)熱性能高的材料接觸界面時(shí)，由于熱量被快速傳遞到材料本身，其接觸界面溫度達(dá)不到兩種材料共晶溫度點(diǎn)以上，焊料與導(dǎo)熱性能高的材料無(wú)法焊接成功。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種焊接時(shí)不會(huì)形成ti-cu系金屬間化合物、焊縫質(zhì)量高的鈦銅異質(zhì)金屬接頭焊接方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，通過(guò)大量試驗(yàn)研究并不懈努力，最終獲得了如下技術(shù)方案：

一種鈦銅異質(zhì)金屬接頭焊接方法，在鈦材料與銅材料間加入中間層焊料，中間層焊料與鈦材料結(jié)合界面為界面1，中間層焊料與銅材料結(jié)合界面為界面2，焊接熱源焦點(diǎn)位于中間層焊料，焊接過(guò)程中保證焊接熱源產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到界面1時(shí)，其產(chǎn)生的溫度高于鈦的熔點(diǎn)，熱量傳導(dǎo)到界面2時(shí)，其產(chǎn)生的溫度高于中間層焊料與銅的共晶溫度，且界面1與界面2之間存在未熔化焊料層，所述中間層焊料是一種與熔化的鈦材料和/或銅材料不產(chǎn)生金屬間化合物的金屬材料。

如上所述的鈦銅異質(zhì)金屬接頭焊接方法，所述中間層焊料為nb金屬。

具體的，所述鈦銅異質(zhì)金屬接頭焊接方法，包括如下步驟：

a中間層焊料的確定：在鈦材料與銅材料接觸界面間加入nb作為中間層焊料，保證界面1與界面2均不留間隙，nb中間層焊料厚度為0.8-1.0mm，即界面1與界面2距離為0.8-1.0mm；

b熱源位置確定：采用激光焊接方式，激光熱源中心置于nb中間層焊料上，到界面1的距離為0.4-0.6mm；

c熱輸出控制：控制激光熱源中心輸出的熱量，使nb中間層焊料靠近界面1和界面2的部分熔化，熱量傳導(dǎo)到界面1時(shí)，其產(chǎn)生的溫度高于鈦熔點(diǎn)，熱量傳導(dǎo)到界面2時(shí)，其產(chǎn)生的溫度高于nb-cu共晶點(diǎn)溫度，最終同時(shí)在界面1和界面2形成熔釬焊焊縫，得到高強(qiáng)度、高塑性的鈦銅異質(zhì)金屬接頭。

在進(jìn)行c熱輸出控制步驟時(shí)，對(duì)熔化區(qū)及熱影響區(qū)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)。

優(yōu)選地，所述nb中間層焊料為純nb焊絲。

如上所述鈦銅異質(zhì)金屬接頭焊接方法，所述激光焊接中參數(shù)控制為：激光峰值功率1.5-1.7kw，脈沖寬度12-18ms，脈沖頻率40-50hz，焊接速度200-400mm/min，離焦量0-1mm，保護(hù)氣體流量為正面12-18l/min，背面10-15l/min。

本發(fā)明中所述鈦材料為純鈦或鈦合金，所述銅材料為純銅或銅合金。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明基于鈦與鈮無(wú)限互溶，鈮與銅有限固溶并發(fā)生共晶反應(yīng)，鈮與鈦和銅反應(yīng)無(wú)金屬間化合物形成，通過(guò)精確控制中間層焊料厚度、焊接熱輸出參數(shù)以及熱源中心在中間層焊料上的位置，在鈦-鈮、銅-鈮兩個(gè)熔釬焊焊縫之間存在一定厚度的未熔化的金屬鈮，未熔化的金屬鈮阻止鈦、銅元素的相互擴(kuò)散而形成脆性的鈦銅金屬間化合物；

(2)由于鈦材料與銅材料導(dǎo)熱性能相差極大，本發(fā)明巧妙利用了鈦的熔點(diǎn)與nb-cu共晶溫度點(diǎn)相差極小的特點(diǎn)，精確控制熱源產(chǎn)生的熱量，不但使鈦與nb接觸界面熔化，且熱量傳遞到nb/cu接觸界面時(shí)，產(chǎn)生的溫度高于nb-cu共晶溫度，通過(guò)一次施焊，可以同時(shí)形成鈦-鈮和銅-鈮兩個(gè)熔釬焊焊縫的復(fù)合接頭，焊縫界面結(jié)合性高；

(3)得到的鈦銅異質(zhì)金屬接頭具有高強(qiáng)度和高塑性，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到200-240mpa，延伸率達(dá)到30-40％；

(4)得到的鈦銅異質(zhì)金屬接頭，其拉伸斷裂位置位于cu母材上，呈延性斷裂模式，側(cè)面說(shuō)明了焊料與鈦和銅的結(jié)合界面焊接牢固；

(5)純nb作為填充材料，具有強(qiáng)度較低、塑性好的特點(diǎn)，作為中間層焊料有利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明ti/cu異質(zhì)金屬接頭脈沖激光焊誘發(fā)共晶反應(yīng)焊接俯視示意圖；

圖2為本發(fā)明ti/cu異質(zhì)金屬接頭脈沖激光焊誘發(fā)共晶反應(yīng)焊接側(cè)視示意圖；

圖3為本發(fā)明方法制備得到的ti/cu異質(zhì)金屬接頭；

圖4為本發(fā)明方法制備得到ti/cu異質(zhì)金屬接頭的橫截面形貌；

圖5為本發(fā)明得到的ti/cu異質(zhì)金屬接頭ti/nb界面微觀組織；

圖6為本發(fā)明得到的ti/cu異質(zhì)金屬接頭熔化的中間層微觀組織；

圖7為本發(fā)明得到的ti/cu異質(zhì)金屬接頭nb/cu界面微觀組織；

圖8為本發(fā)明得到的ti/cu異質(zhì)金屬接頭拉伸斷裂試樣圖；

圖9為激光光斑位置在ti/nb界面時(shí)制備的ti/cu異質(zhì)金屬接頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅僅限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

對(duì)tc4型鈦合金與純cu進(jìn)行脈沖激光焊接，ct4型鈦合金板與純銅板尺寸規(guī)格相同，為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.2mm(厚)，將1mm厚的鈮中間層焊料置于tc4型鈦合金板與純銅板界面間，鈮中間層分別與鈦合金和純銅界面間不留間隙，鈮中間層焊料厚度為0.8mm(即ti/nb界面與nb/cu界面距離)，將脈沖激光光斑置于距離ti/nb界面0.4mm處，在雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接，如圖1和圖2所示，通過(guò)脈沖激光參數(shù)控制，使得熔化控制在ti/nb界面附近區(qū)域，ti/nb界面與nb/cu界面之間存在未熔化的nb層，依靠從熔池?zé)醾鲗?dǎo)提供的熱量使ti/nb界面和nb/cu產(chǎn)生的溫度分別高于ti的熔點(diǎn)和nb-cu共晶溫度，使得ti/nb界面和nb/cu界面為熔釬焊連接，最終得到鈦銅異質(zhì)金屬接頭。

其中脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.7kw，脈沖寬度15ms，脈沖頻率50hz，焊接速度200mm/min，離焦量1mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量18l/min，背面保護(hù)氣流量10l/min。

得到的鈦銅異質(zhì)金屬接頭如圖3所示，對(duì)接頭的焊接處進(jìn)行橫截面的顯微形貌觀察得到如圖4所示微觀形貌，在鈮中間層的熱傳導(dǎo)作用下，ti/nb界面溫度高于ti的熔點(diǎn)，ti首先熔化，并潤(rùn)濕nb金屬使得部分nb熔化，在ti/nb界面形成了熔釬焊特征，如圖5所示；cu-nb界面附近溫度達(dá)到銅、nb的共晶溫度(1675℃)，此時(shí)銅熔化并與nb發(fā)生共晶反應(yīng)，形成了具有共晶反應(yīng)特征的熔釬焊接頭，如圖7所示；焊接過(guò)程中，在鈦鈮熔釬焊焊縫與nb銅熔釬焊縫之間始終存在一定厚度未熔化的nb，如圖4、圖5和圖7所示，其作用是阻止鈦、銅元素的相互擴(kuò)散而形成脆性的鈦銅金屬間化合物。

由圖5、圖6和圖7可以看出，焊接處的顯微結(jié)構(gòu)中無(wú)任何金屬間化合物存在。

對(duì)鈦銅異質(zhì)金屬接頭按照gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)拉伸測(cè)試，接頭抗拉強(qiáng)度為225mpa，斷后伸長(zhǎng)率為34％，且接頭拉斷后如圖8所示，其斷裂是發(fā)生在銅母材上，說(shuō)明nb分別與銅母材和鈦材料的焊接界面力學(xué)強(qiáng)度要高于銅母材，間接說(shuō)明nb與鈦和銅的結(jié)合界面焊接牢固。

實(shí)施例2

對(duì)tc4型鈦合金與純cu進(jìn)行脈沖激光焊接，ct4型鈦合金板與純銅板尺寸規(guī)格相同，為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.0mm(厚)，將0.8mm厚的鈮中間層焊料置于tc4型鈦合金板與純銅板界面間，鈮中間層分別與鈦合金和純銅界面間不留間隙，鈮中間層焊料寬度為1.0mm(即ti/nb界面與nb/cu界面距離)，將脈沖激光光斑置于距離ti/nb界面0.6mm處，雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接，脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.5kw，脈沖寬度12ms，脈沖頻率40hz，焊接速度400mm/min，離焦量0mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量18l/min，背面保護(hù)氣流量10l/min，脈沖激光焊接后，得到鈦銅異質(zhì)金屬接頭。

對(duì)鈦銅異質(zhì)金屬接頭進(jìn)行顯微觀察，可以得到如實(shí)施例1中所示相同的顯微圖像。

對(duì)鈦銅異質(zhì)金屬接頭進(jìn)行如實(shí)施例1所示的力學(xué)拉伸測(cè)試，其接頭抗拉強(qiáng)度為232mpa，延伸率為34％，且拉伸實(shí)驗(yàn)中，斷裂發(fā)生在銅母材上。

實(shí)施例3

對(duì)tc4型鈦合金與純cu進(jìn)行脈沖激光焊接，ct4型鈦合金板與純銅板尺寸規(guī)格相同，為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.0mm(厚)，將1.2mm厚的鈮中間層焊料置于tc4型鈦合金板與純銅板界面間，鈮中間層分別與鈦合金和純銅界面間不留間隙，鈮中間層焊料寬度為0.8mm(即ti/nb界面與nb/cu界面距離)，將脈沖激光光斑置于距離ti/nb界面0.5mm處，雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接，得到鈦銅異質(zhì)金屬接頭。

脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.5kw，脈沖寬度18ms，脈沖頻率50hz，焊接速度300mm/min，離焦量0.3mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量16l/min，背面保護(hù)氣流量14l/min。

對(duì)鈦銅異質(zhì)金屬接頭進(jìn)行顯微觀察，可以得到如實(shí)施例1中所示相同的顯微圖像。

對(duì)鈦銅異質(zhì)金屬接頭進(jìn)行如實(shí)施例1所示的力學(xué)拉伸測(cè)試，其接頭抗拉強(qiáng)度為236mpa，延伸率為32％，且拉伸實(shí)驗(yàn)中，斷裂發(fā)生在銅母材上。

對(duì)比例1(無(wú)純nb中間層焊料的鈦銅異質(zhì)金屬直接焊接)

選取ct4型鈦合金板與純銅板，兩者尺寸規(guī)格相同，都為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.0mm(厚)，對(duì)tc4型鈦合金與純cu進(jìn)行異質(zhì)脈沖激光直接接觸焊接，脈沖激光光斑位于ti/cu界面上，雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接，脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.5kw，脈沖寬度12ms，脈沖頻率40hz，焊接速度400mm/min，離焦量0mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量18l/min，背面保護(hù)氣流量10l/min。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于鈦合金與銅的導(dǎo)熱性能相差極大，在焊接結(jié)束后，接頭焊接處即發(fā)生斷裂。

對(duì)比例2(改變脈沖激光光斑位置在ti/nb界面的鈦合金一側(cè))

選取ct4型鈦合金板與純銅板，兩者尺寸規(guī)格相同，都為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.2mm(厚)，將厚度為1.2mm的鈮中間層置于tc4型鈦合金板與純銅板界面間，鈮中間層分別與鈦合金和純銅界面間不留間隙，且鈮中間層寬度為1.0mm(即ti/nb界面與nb/cu界面距離)，為將脈沖激光光斑位于ti/nb界面的鈦合金母材上，距離ti/nb界面0.3mm處，在雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接。

脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.5kw，脈沖寬度12ms，脈沖頻率40hz，焊接速度400mm/min，離焦量0mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量18l/min，背面保護(hù)氣流量10l/min。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于脈沖激光光斑位于ti/nb界面的鈦合金一側(cè)，而銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于鈦合金的，因此傳遞到nb/cu界面的熱量迅速向銅板整體傳遞，導(dǎo)致cu-nb界面溫度過(guò)低，未能實(shí)現(xiàn)cu/nb界面的牢固結(jié)合。

對(duì)比例3(改變脈沖激光光斑位置在ti/nb界面)

選取ct4型鈦合金板與純銅板，兩者尺寸規(guī)格相同，都為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.2mm(厚)，將厚度為1.2mm的鈮中間層置于tc4型鈦合金板與純銅板界面間，鈮中間層分別與鈦合金和純銅界面間不留間隙，且鈮中間層寬度為1.0mm(即ti/nb界面與nb/cu界面距離)，為將脈沖激光光斑位于ti/nb界面上，在雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接。

脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.5kw，脈沖寬度12ms，脈沖頻率40hz，焊接速度400mm/min，離焦量0mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量18l/min，背面保護(hù)氣流量10l/min。

得到的鈦銅異質(zhì)金屬接頭如圖9所示，雖然脈沖激光光斑在ti/nb界面，但是銅導(dǎo)熱性能極強(qiáng)，cu-nb界面溫度過(guò)低，焊接結(jié)束后發(fā)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)cu/nb的有效結(jié)合。

對(duì)比例4(改變脈沖激光光斑位置在nb中間層靠近鈦一側(cè))

對(duì)tc4型鈦合金與純cu進(jìn)行異種材料脈沖激光焊接，ct4型鈦合金板與純銅板尺寸規(guī)格相同，為100mm(長(zhǎng))×50mm(寬)×1.0mm(厚)，將1.2mm厚的鈮中間層焊料置于tc4型鈦合金板與純銅板界面間，鈮中間層分別與鈦合金和純銅界面間不留間隙，鈮中間層焊料寬度為1.0mm(即ti/nb界面與nb/cu界面距離)，將脈沖激光光斑置于鈮中間層上，且距離ti/nb界面0.2mm處，雙面氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行脈沖激光焊接，脈沖激光焊接工藝參數(shù)為：激光峰值功率1.5kw，脈沖寬度12ms，脈沖頻率40hz，焊接速度400mm/min，離焦量0mm，雙面保護(hù)氣氛中，正面保護(hù)氣流量18l/min，背面保護(hù)氣流量10l/min。

由于脈沖激光光斑位于ti/nb界面靠近鈦合金一側(cè)，銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)與鈦合金的相差極大，發(fā)現(xiàn)傳遞到nb/cu界面的熱量迅速向銅板整體傳遞，導(dǎo)致cu-nb界面溫度過(guò)低，未能實(shí)現(xiàn)cu/nb界面的有效結(jié)合。

對(duì)比例5

其它參數(shù)和處理步驟與對(duì)比例2的相同，將其中的純銅板替換為相同規(guī)格的不銹鋼板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不銹鋼/鈮界面形成共晶反應(yīng)物，且不不銹鋼與nb焊接界面未出現(xiàn)焊接不牢靠和虛焊情況，不銹鋼與nb實(shí)現(xiàn)了有效結(jié)合。

由上述對(duì)比例1-5可以看出，將銅和鈦兩種熱傳導(dǎo)性能相差極大的金屬材料進(jìn)行焊接，當(dāng)兩者直接焊接時(shí)，存在接頭直接斷裂的現(xiàn)象，加入熱傳導(dǎo)性能高的中間焊料時(shí)，激光焊接中心的位置選擇不合適情況下，存在焊料與熱傳導(dǎo)性能高的材料界面溫度過(guò)低，焊接界面不牢固，易產(chǎn)生虛焊甚至無(wú)法焊接，而對(duì)于熱傳導(dǎo)性能相差不大的異種金屬進(jìn)行焊接時(shí)，則不存在上述問(wèn)題。