一种钛合金和紫铜异种金属电子束焊接方法与流程

本发明涉及异种金属焊接领域，具体涉及TC4钛合金与T2紫铜焊接方法。

背景技术：

异种金属的复合结构在航空航天、造船、电力工业等领域应用越来越广泛。钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。铜合金具有优良的导电性、导热性，耐腐蚀性优良，有些铜合金还具有较高的强度，应用与航空航天领域的诸多部件。

钛铜异种金属焊接不仅可以结合彼此材料特性，实现材料的多功能化，同时高强钛铜接头亦可探索作为过渡结构，以解决钛钢等其他异种金属焊接难题。传统钛铜焊接，包括钎焊、熔钎焊等，由于两种材料彼此物理性能较大差异及不利的脆性间金属化合物的生成，接头强度只能达到铜强度的70％左右，难以实现实际工程应用。

钛-铜异种金属的复合结构不仅满足热传导、电传导、耐磨性和耐蚀性等需求，而且在减轻重量的同时能承受一定的强度，但是在高温下传统的熔焊容易在接头处产生大量的钛-铜脆性金属间化合物，严重的降低了接头的力学性能。钛-铜异种金属焊接的关键在于有效地控制金属间化合物的形成与长大，固相焊接方法如爆炸焊、摩擦焊可以形成钛-铜接头，但是在形状和尺寸等方面受到限制。赵海生.QCr0.8/TC4异种材料电子束焊接工艺研究[D].哈尔滨工业大学，2007.文中对QCr0.8/TC4异种材料进行了电子束对中焊研究，但是界面反应层厚，化合物种类及数量多，CuTi基固溶体区组织粗大，焊缝强度低，连接性差。刘伟,陈国庆,张秉刚,等.铜/钛合金电子束焊接工艺优化[J].焊接学报，2008，29(5).文中对铜/钛合金电子束焊接工艺进行了优化，采用电子束偏铜焊接的方法在原有基础上提高了接头强度，但是效果不是很明显，焊缝中仍然存在大量的脆性金属间化合物且分布不规律，根部未焊透也是造成接头强度提高不显著的原因之一。在工艺上如何克服上述焊接技术上的问题成为TC4钛合金与T2紫铜焊接的技术难题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种钛铜异种金属电子束焊接方法，通过实现脆性金属间化合物受控生长的方式，大幅优化接头薄弱结合面，以解决钛铜异种金属结合强度低的问题。

实现本发明目的采用如下技术方案：

一种TC4钛合金与T2紫铜的电子束焊接方法，具体步骤如下：

步骤1，将TC4钛合金板与T2紫铜板进行焊前准备；

步骤2，抽取真空，设定焊接参数：电子束加速电压、聚焦电流、焊接高度及灯丝电流；

步骤3，设定电子束流：40mA-50mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；使电子束偏置于T2紫铜板侧，偏置量范围：1mm-3mm，进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动，完成T2紫铜板侧正面进行真空焊接；

步骤4，设定电子束流：10mA-20mA，焊接速度：15-20mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；进行TC4钛合金板与T2紫铜板背部对中焊，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成真空焊接；电子束焊接具有明显的深穿孔效应，深宽比大，焊接接头根部位置由于电子束偏置焊接，可能存在熔合不良，为保证接头优良的焊接质量，电子束背部使用小束流快速对中焊进行根部成型强化。

步骤5，设定电子束流：20mA-30mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s，将电子束偏置于钛侧，偏置量为1.5-3.5mm，进行TC4钛合金侧焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成真空焊接。通过对偏置焊接钛铜接头薄弱界面重新改造，实现逆向的脆性间金属化合物生长，从而实现接头的高强结合。

进一步的，步骤1中，焊前准备具体步骤为：

步骤1.1，使用280#、400#、600#目数砂纸去除钛铜待焊面及周边300mm区域表面氧化层，并使用丙酮进行表面油污清理；

步骤1.2，使TC4钛合金板与T2紫铜板放置在工作台上并无间隙紧密对接。

进一步的，步骤2中，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2。

进一步的，步骤2中，设定的焊接参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流600mA-650mA，焊接高度260mm-290mm，灯丝电流400mA-450mA。

进一步的，TC4钛合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫铜质量百分组成为:Cu：≥99.9％、O：0.06％。

本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：

1、本发明在钛铜异种金属焊接过程中采用了第一道束流偏置铜侧的焊接方法，该方法有效控制了初生的不利取向金属间化合物的分布及含量，提高了焊接接头的强度及可靠性。

2、在焊接试板的背部对接面进行了小束流快速对中焊接，提高了接头根部的结合强度，从而进一步提升了焊接接头的连接可靠性。

3、在偏铜焊接焊缝相邻钛侧，进行了一次偏钛焊接，偏钛焊接在不破坏原始偏铜焊接连接界面的基础上，通过焊接热循环，改变了初生的不利取向金属间化合物的生长方向、成分及含量。焊接接头结合强度大幅提升。抗拉强度达到铜母材的90％以上，为220Mpa-250Mpa。

附图说明

图1是本发明的焊接结构示意图；

图2是本发明焊缝横截面示意图；

图3是实施例1中焊缝SEM微观组织图；

图4是实施例2中焊缝SEM微观组织图。

具体实施方式

本发明技术方法不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

采用北京航空制造工程研究所研制的ZD60-6A 5001型真空电子束焊机进行TC4钛合金与T2紫铜的电子束焊接，装配后如图1所示进焊接工艺进行焊接，得到的焊缝截面示意图如图2所示。

实施例1

本实施方式中对钛合金TC4和T2紫铜的电子束相邻焊接方法按以下步骤进行：

使用280#、400#、600#目数砂纸去除钛铜待焊面及周边300mm区域表面氧化层，并使用丙酮进行表面油污清理。钛铜材料分别是TC4和T2紫铜，其中，TC4钛合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫铜质量百分组成为:Cu：≥99.9％、O：0.06％。对焊接试板进行装配，不开坡口并无间隙紧密对接。固定对接试板于真空室电子束斑表面焦点抑或下焦点位置，对接面平行于水平导轨运动方向。

抽取真空，并待枪真空、室真空度到达焊接条件，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，加载高压，并进行焊接参数设定。其中，电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；启动真空室运动系统伺服使能，移动对接面垂直方向，使电子束偏置于铜侧，偏置量范围：1.5mm。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第一道焊接。

关闭室真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，调换背面作为焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

抽取真空至焊接要求真空度及以下，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第二道背部焊接。

再次关闭真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，将原始第一道焊接面重新作为正面并固定，同时保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

使电子束偏置于钛侧，偏置量为2mm，抽取真空，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：20mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第三道相邻焊接。

如图3所示为本发明实施例1中焊缝部分区域的SEM微观组织图。如图所示界面金属间化合物过渡层形成良好，没有较厚的连续金属间化合物。

钛合金TC4板和T2紫铜板的接头强度达到245Mpa。

实施例2

本实施方式中对钛合金TC4和T2紫铜的电子束焊接方法按以下步骤进行：

使用280#、400#、600#目数砂纸去除钛铜待焊面及周边300mm区域表面氧化层，并使用丙酮进行表面油污清理。钛铜材料分别是TC4和T2紫铜，其中，TC4钛合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫铜质量百分组成为:Cu：≥99.9％、O：0.06％。对焊接试板进行装配，不开坡口并无间隙紧密对接。固定对接试板于真空室电子束斑表面焦点抑或下焦点位置，对接面平行于水平导轨运动方向。

抽取真空，并待枪真空、室真空度到达焊接条件，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，加载高压，并进行焊接参数设定。其中，电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；启动真空室运动系统伺服使能，移动对接面垂直方向，使电子束偏置于铜侧，偏置量范围：1.5mm。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第一道焊接。

关闭室真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，调换背面作为焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

抽取真空至焊接要求真空度，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第二道背部焊接。

如图4所示为本发明实施例2中焊缝部分区域的SEM微观组织图。如图所示界面金属间化合物过渡层较厚，且分布杂乱。

钛合金TC4板和T2紫铜板电子束只偏铜侧焊接的接头强度达到162Mpa。

实施例3

对钛合金TC4和T2紫铜的电子束相邻焊接方法按以下步骤进行：

使用280#、400#、600#目数砂纸去除钛铜待焊面及周边300mm区域表面氧化层，并使用丙酮进行表面油污清理。钛铜材料分别是TC4和T2紫铜，其中，TC4钛合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫铜质量百分组成为:Cu：≥99.9％、O：0.06％。对焊接试板进行装配，不开坡口并无间隙紧密对接。固定对接试板于真空室电子束斑表面焦点抑或下焦点位置，对接面平行于水平导轨运动方向。

抽取真空，并待枪真空、室真空度到达焊接条件，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，加载高压，并进行焊接参数设定。其中，电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；启动真空室运动系统伺服使能，移动对接面垂直方向，使电子束偏置于铜侧，偏置量范围：1.5mm。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第一道焊接。

关闭室真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，调换背面作为焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

抽取真空至焊接要求真空度及，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第二道背部焊接。

再次关闭真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，将原始第一道焊接面重新作为正面并固定，同时保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

使电子束偏置于钛侧，偏置量为2.5mm，抽取真空，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：20mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第三道相邻焊接。

钛合金TC4板和T2紫铜板的接头强度达到228Mpa。

实施例4

本实施例中对钛合金TC4和T2紫铜的电子束相邻焊接方法按以下步骤进行：

使用280#、400#、600#目数砂纸去除钛铜待焊面及周边300mm区域表面氧化层，并使用丙酮进行表面油污清理。钛铜材料分别是TC4和T2紫铜，其中，TC4钛合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；T2紫铜质量百分组成为:Cu：≥99.9％、O：0.06％。对焊接试板进行装配，不开坡口并无间隙紧密对接。固定对接试板于真空室电子束斑表面焦点抑或下焦点位置，对接面平行于水平导轨运动方向。

抽取真空，并待枪真空、室真空度到达焊接条件，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2以下，加载高压，并进行焊接参数设定。其中，电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：45mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；启动真空室运动系统伺服使能，移动对接面垂直方向，使电子束偏置于铜侧，偏置量范围：1.5mm。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第一道焊接。

关闭室真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，调换背面作为焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

抽取真空至焊接要求真空度及以下，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：15mA，焊接速度：15mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第二道背部焊接。

再次关闭真空，将连接试板于固定夹具上拆卸，将原始第一道焊接面重新作为正面并固定，同时保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。

使电子束偏置于钛侧，偏置量为3mm，抽取真空，枪真空、室真空度分别达到8E^-3、7E^-2，重新设定电子束参数为：电子束加速电压：60KV，聚焦电流650mA，焊接高度280mm，灯丝电流430mA；电子束流：20mA，焊接速度：10mm/s，束流上升、下降时间：1.5s。完成参数设定后进行焊接，下束并待完整熔池形成后，开始水平轴运动完成第三道相邻焊接。

钛合金TC4板和T2紫铜板的接头强度达到220Mpa。