本發(fā)明涉及異種金屬焊接領(lǐng)域，具體涉及TC4鈦合金與T2紫銅焊接方法。

背景技術(shù)：

異種金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)在航空航天、造船、電力工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。鈦合金因其耐熱性強(qiáng)、比強(qiáng)度高、具有良好的塑性、韌性以及耐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域。銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，耐腐蝕性優(yōu)良，有些銅合金還具有較高的強(qiáng)度，應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域的諸多部件。

鈦銅異種金屬焊接不僅可以結(jié)合彼此材料特性，實(shí)現(xiàn)材料的多功能化，同時(shí)高強(qiáng)鈦銅接頭亦可探索作為過渡結(jié)構(gòu)，以解決鈦鋼等其他異種金屬焊接難題。傳統(tǒng)鈦銅焊接，包括釬焊、熔釬焊等，由于兩種材料彼此物理性能較大差異及不利的脆性間金屬化合物的生成，接頭強(qiáng)度只能達(dá)到銅強(qiáng)度的70％左右，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用。

鈦-銅異種金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅滿足熱傳導(dǎo)、電傳導(dǎo)、耐磨性和耐蝕性等需求，而且在減輕重量的同時(shí)能承受一定的強(qiáng)度，但是在高溫下傳統(tǒng)的熔焊容易在接頭處產(chǎn)生大量的鈦-銅脆性金屬間化合物，嚴(yán)重的降低了接頭的力學(xué)性能。鈦-銅異種金屬焊接的關(guān)鍵在于有效地控制金屬間化合物的形成與長大，固相焊接方法如爆炸焊、摩擦焊可以形成鈦-銅接頭，但是在形狀和尺寸等方面受到限制。趙海生.QCr0.8/TC4異種材料電子束焊接工藝研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.文中對QCr0.8/TC4異種材料進(jìn)行了電子束對中焊研究，但是界面反應(yīng)層厚，化合物種類及數(shù)量多，CuTi基固溶體區(qū)組織粗大，焊縫強(qiáng)度低，連接性差。劉偉,陳國慶,張秉剛,等.銅/鈦合金電子束焊接工藝優(yōu)化[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29(5).文中對銅/鈦合金電子束焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用電子束偏銅焊接的方法在原有基礎(chǔ)上提高了接頭強(qiáng)度，但是效果不是很明顯，焊縫中仍然存在大量的脆性金屬間化合物且分布不規(guī)律，根部未焊透也是造成接頭強(qiáng)度提高不顯著的原因之一。在工藝上如何克服上述焊接技術(shù)上的問題成為TC4鈦合金與T2紫銅焊接的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種鈦銅異種金屬電子束焊接方法，通過實(shí)現(xiàn)脆性金屬間化合物受控生長的方式，大幅優(yōu)化接頭薄弱結(jié)合面，以解決鈦銅異種金屬結(jié)合強(qiáng)度低的問題。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種TC4鈦合金與T2紫銅的電子束焊接方法，具體步驟如下：

步驟1，將TC4鈦合金板與T2紫銅板進(jìn)行焊前準(zhǔn)備；

步驟2，抽取真空，設(shè)定焊接參數(shù)：電子束加速電壓、聚焦電流、焊接高度及燈絲電流；

步驟3，設(shè)定電子束流：40mA-50mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s；使電子束偏置于T2紫銅板側(cè)，偏置量范圍：1mm-3mm，進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)，完成T2紫銅板側(cè)正面進(jìn)行真空焊接；

步驟4，設(shè)定電子束流：10mA-20mA，焊接速度：15-20mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s；進(jìn)行TC4鈦合金板與T2紫銅板背部對中焊，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成真空焊接；電子束焊接具有明顯的深穿孔效應(yīng)，深寬比大，焊接接頭根部位置由于電子束偏置焊接，可能存在熔合不良，為保證接頭優(yōu)良的焊接質(zhì)量，電子束背部使用小束流快速對中焊進(jìn)行根部成型強(qiáng)化。

步驟5，設(shè)定電子束流：20mA-30mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s，將電子束偏置于鈦側(cè)，偏置量為1.5-3.5mm，進(jìn)行TC4鈦合金側(cè)焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成真空焊接。通過對偏置焊接鈦銅接頭薄弱界面重新改造，實(shí)現(xiàn)逆向的脆性間金屬化合物生長，從而實(shí)現(xiàn)接頭的高強(qiáng)結(jié)合。

進(jìn)一步的，步驟1中，焊前準(zhǔn)備具體步驟為：

步驟1.1，使用280#、400#、600#目數(shù)砂紙去除鈦銅待焊面及周邊300mm區(qū)域表面氧化層，并使用丙酮進(jìn)行表面油污清理；

步驟1.2，使TC4鈦合金板與T2紫銅板放置在工作臺(tái)上并無間隙緊密對接。

進(jìn)一步的，步驟2中，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2。

進(jìn)一步的，步驟2中，設(shè)定的焊接參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流600mA-650mA，焊接高度260mm-290mm，燈絲電流400mA-450mA。

進(jìn)一步的，TC4鈦合金質(zhì)量百分組成為：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫銅質(zhì)量百分組成為:Cu：≥99.9％、O：0.06％。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)點(diǎn)如下：

1、本發(fā)明在鈦銅異種金屬焊接過程中采用了第一道束流偏置銅側(cè)的焊接方法，該方法有效控制了初生的不利取向金屬間化合物的分布及含量，提高了焊接接頭的強(qiáng)度及可靠性。

2、在焊接試板的背部對接面進(jìn)行了小束流快速對中焊接，提高了接頭根部的結(jié)合強(qiáng)度，從而進(jìn)一步提升了焊接接頭的連接可靠性。

3、在偏銅焊接焊縫相鄰鈦側(cè)，進(jìn)行了一次偏鈦焊接，偏鈦焊接在不破壞原始偏銅焊接連接界面的基礎(chǔ)上，通過焊接熱循環(huán)，改變了初生的不利取向金屬間化合物的生長方向、成分及含量。焊接接頭結(jié)合強(qiáng)度大幅提升?？估瓘?qiáng)度達(dá)到銅母材的90％以上，為220Mpa-250Mpa。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的焊接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明焊縫橫截面示意圖；

圖3是實(shí)施例1中焊縫SEM微觀組織圖；

圖4是實(shí)施例2中焊縫SEM微觀組織圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方法不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式之間的任意組合。

采用北京航空制造工程研究所研制的ZD60-6A 5001型真空電子束焊機(jī)進(jìn)行TC4鈦合金與T2紫銅的電子束焊接，裝配后如圖1所示進(jìn)焊接工藝進(jìn)行焊接，得到的焊縫截面示意圖如圖2所示。

實(shí)施例1

本實(shí)施方式中對鈦合金TC4和T2紫銅的電子束相鄰焊接方法按以下步驟進(jìn)行：

使用280#、400#、600#目數(shù)砂紙去除鈦銅待焊面及周邊300mm區(qū)域表面氧化層，并使用丙酮進(jìn)行表面油污清理。鈦銅材料分別是TC4和T2紫銅，其中，TC4鈦合金質(zhì)量百分組成為：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫銅質(zhì)量百分組成為:Cu：≥99.9％、O：0.06％。對焊接試板進(jìn)行裝配，不開坡口并無間隙緊密對接。固定對接試板于真空室電子束斑表面焦點(diǎn)抑或下焦點(diǎn)位置，對接面平行于水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向。

抽取真空，并待槍真空、室真空度到達(dá)焊接條件，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，加載高壓，并進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)定。其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s；啟動(dòng)真空室運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)伺服使能，移動(dòng)對接面垂直方向，使電子束偏置于銅側(cè)，偏置量范圍：1.5mm。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第一道焊接。

關(guān)閉室真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，調(diào)換背面作為焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

抽取真空至焊接要求真空度及以下，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第二道背部焊接。

再次關(guān)閉真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，將原始第一道焊接面重新作為正面并固定，同時(shí)保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

使電子束偏置于鈦側(cè)，偏置量為2mm，抽取真空，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：20mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第三道相鄰焊接。

如圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例1中焊縫部分區(qū)域的SEM微觀組織圖。如圖所示界面金屬間化合物過渡層形成良好，沒有較厚的連續(xù)金屬間化合物。

鈦合金TC4板和T2紫銅板的接頭強(qiáng)度達(dá)到245Mpa。

實(shí)施例2

本實(shí)施方式中對鈦合金TC4和T2紫銅的電子束焊接方法按以下步驟進(jìn)行：

使用280#、400#、600#目數(shù)砂紙去除鈦銅待焊面及周邊300mm區(qū)域表面氧化層，并使用丙酮進(jìn)行表面油污清理。鈦銅材料分別是TC4和T2紫銅，其中，TC4鈦合金質(zhì)量百分組成為：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫銅質(zhì)量百分組成為:Cu：≥99.9％、O：0.06％。對焊接試板進(jìn)行裝配，不開坡口并無間隙緊密對接。固定對接試板于真空室電子束斑表面焦點(diǎn)抑或下焦點(diǎn)位置，對接面平行于水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向。

抽取真空，并待槍真空、室真空度到達(dá)焊接條件，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，加載高壓，并進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)定。其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s；啟動(dòng)真空室運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)伺服使能，移動(dòng)對接面垂直方向，使電子束偏置于銅側(cè)，偏置量范圍：1.5mm。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第一道焊接。

關(guān)閉室真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，調(diào)換背面作為焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

抽取真空至焊接要求真空度，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第二道背部焊接。

如圖4所示為本發(fā)明實(shí)施例2中焊縫部分區(qū)域的SEM微觀組織圖。如圖所示界面金屬間化合物過渡層較厚，且分布雜亂。

鈦合金TC4板和T2紫銅板電子束只偏銅側(cè)焊接的接頭強(qiáng)度達(dá)到162Mpa。

實(shí)施例3

對鈦合金TC4和T2紫銅的電子束相鄰焊接方法按以下步驟進(jìn)行：

使用280#、400#、600#目數(shù)砂紙去除鈦銅待焊面及周邊300mm區(qū)域表面氧化層，并使用丙酮進(jìn)行表面油污清理。鈦銅材料分別是TC4和T2紫銅，其中，TC4鈦合金質(zhì)量百分組成為：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫銅質(zhì)量百分組成為:Cu：≥99.9％、O：0.06％。對焊接試板進(jìn)行裝配，不開坡口并無間隙緊密對接。固定對接試板于真空室電子束斑表面焦點(diǎn)抑或下焦點(diǎn)位置，對接面平行于水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向。

抽取真空，并待槍真空、室真空度到達(dá)焊接條件，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，加載高壓，并進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)定。其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s；啟動(dòng)真空室運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)伺服使能，移動(dòng)對接面垂直方向，使電子束偏置于銅側(cè)，偏置量范圍：1.5mm。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第一道焊接。

關(guān)閉室真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，調(diào)換背面作為焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

抽取真空至焊接要求真空度及，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第二道背部焊接。

再次關(guān)閉真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，將原始第一道焊接面重新作為正面并固定，同時(shí)保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

使電子束偏置于鈦側(cè)，偏置量為2.5mm，抽取真空，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：20mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第三道相鄰焊接。

鈦合金TC4板和T2紫銅板的接頭強(qiáng)度達(dá)到228Mpa。

實(shí)施例4

本實(shí)施例中對鈦合金TC4和T2紫銅的電子束相鄰焊接方法按以下步驟進(jìn)行：

使用280#、400#、600#目數(shù)砂紙去除鈦銅待焊面及周邊300mm區(qū)域表面氧化層，并使用丙酮進(jìn)行表面油污清理。鈦銅材料分別是TC4和T2紫銅，其中，TC4鈦合金質(zhì)量百分組成為：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫銅質(zhì)量百分組成為:Cu：≥99.9％、O：0.06％。對焊接試板進(jìn)行裝配，不開坡口并無間隙緊密對接。固定對接試板于真空室電子束斑表面焦點(diǎn)抑或下焦點(diǎn)位置，對接面平行于水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向。

抽取真空，并待槍真空、室真空度到達(dá)焊接條件，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2以下，加載高壓，并進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)定。其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s；啟動(dòng)真空室運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)伺服使能，移動(dòng)對接面垂直方向，使電子束偏置于銅側(cè)，偏置量范圍：1.5mm。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第一道焊接。

關(guān)閉室真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，調(diào)換背面作為焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

抽取真空至焊接要求真空度及以下，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第二道背部焊接。

再次關(guān)閉真空，將連接試板于固定夾具上拆卸，將原始第一道焊接面重新作為正面并固定，同時(shí)保持原始焊接高度不變并使對接面平行于水平移動(dòng)導(dǎo)軌。使用丙酮對焊接面進(jìn)行清理。

使電子束偏置于鈦側(cè)，偏置量為3mm，抽取真空，槍真空、室真空度分別達(dá)到8E^-3、7E^-2，重新設(shè)定電子束參數(shù)為：電子束加速電壓：60KV，聚焦電流650mA，焊接高度280mm，燈絲電流430mA；電子束流：20mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降時(shí)間：1.5s。完成參數(shù)設(shè)定后進(jìn)行焊接，下束并待完整熔池形成后，開始水平軸運(yùn)動(dòng)完成第三道相鄰焊接。

鈦合金TC4板和T2紫銅板的接頭強(qiáng)度達(dá)到220Mpa。