一种提高钢铌激光焊接接头强度的方法及步骤

　　

　　本发明属于异种金属焊接领域，具体涉及一种提高钢铌激光焊接接头强度的方法。

　　背景技术：

　　钢铌复合焊接结构可以提高航空发动机工作温度、减轻其重量，使航空发动机具有更高的推重比，在航空航天领域具有广阔的应用前景。但是钢铌焊接接头中极易生成大量连续分布的脆性金属间化合物，显著降低接头强度，甚至在焊后即产生裂纹。因此对焊接接头的金属间化合物进行控制，是实现钢铌可靠焊接的关键问题。

　　本课题组之前采用钨/铜复合中间层预置于钢板与铌板之间，组成待焊件进行焊接来抑制钢/铌焊接接头中金属间化合物的生成，显著提高接头强度，其详细内容见专利cn201510490155.2，接头抗拉强度可提升到136～147mpa。选择何种材料作为中间层预置于钢板和铌板之间对于提高接头抗拉强度具有重要的作用。

　　激光焊具有热输入小、焊接能量和加热位置精确可控等特点，是当前异种金属焊接的主要方法之一。因此本专利将采用激光焊焊接钢与铌，对接头中的金属间化合物进行控制，提高接头强度，从根本上解决两种材料的焊接难题，促进钢/铌复合焊接结构在航空航天工业中的推广应用。

　　技术实现要素：

　　本发明的目的是为了解决现有钢铌焊接方法接头强度低的问题，提供一种提高钢铌激光焊接接头强度的方法。

　　当不锈钢板与铌板的厚度为2mm～6mm，本发明的目的是通过下述步骤实现的：

　　(1)将金属过渡层预置于钢板与铌板之间，得到由不锈钢-金属过渡层-铌组成的待焊件；所述金属过渡层为铜片与钽片组成的复合层、铜片层或银片层中的任意一种；

　　(2)将待焊件在两端夹紧固定，使钢/金属过渡层、金属过渡层/铌界面的间隙均小于0.1mm，再用板压在待焊件上表面边缘，以防止待焊件在焊接过程中发生翘曲变形，然后进行焊接，

　　其中，当采用铜片与钽片组成的复合层作为过渡金属时，采用双道焊工艺进行焊接：第一道激光束作用于铜层中心；第二道激光束作用于钽层中心；焊接主保护气为氩气，保护气流量为10l/min～13l/min，背保护气也为氩气，保护气流量为8l/min～10l/min；第一次焊接与第二次焊接时间间隔为0.3～3min；

　　当采用铜片层或银片层作为金属过渡层数时，采用单道焊工艺进行焊接：激光束作用于铜层中心；焊接主保护气为氩气，保护气流量为10l/min～13l/min，背保护气也为氩气，保护气流量为8l/min～10l/min。

　　其中，步骤(1)所述的不锈钢与铌母材的厚度为2mm～6mm，金属过渡层的厚度为0.1mm～1mm。

　　具体地，所述双道焊工艺的焊接参数为：第一次焊接的参数为：激光功率p＝2kw～6kw，焊接速度v＝1.2m/min～1.8m/min，离焦量δf＝0；第二次焊接的参数为：激光功率p＝2kw～6kw，焊接速度v＝0.9m/min～1.3m/min，离焦量δf＝0；

　　单道焊工艺的焊接参数为：激光功率p＝2kw～6kw，焊接速度v＝1.2m/min～1.8m/min，离焦量δf＝0。

　　有益效果：与现有技术相比，本发明通过采用预置中间层的方法提高钢铌焊接方法接头强度，通过选择合适的预置中间层同时配合焊接工艺，有效抑制了金属间化合物生成，提高接头抗拉强度，相较于之前采用铜钨层作为预置中间层，单独用铜层作为过渡层取得了惊人的焊接效果，接头抗拉强度高达250mpa。

　　附图说明

　　图1是金属过渡层选用铜片与钽片组成的复合层时的待焊件示意图，其中，1表示不锈钢，2表示铌，3表示铜，4表示钽；

　　图2是金属过渡层选用铜片与钽片组成的复合层时的激光束作用位置示意图，其中，5表示第一道激光束，6表示第二道激光束；

　　图3是直接焊近铌侧界面区域显微组织照片；

　　图4是预置中间层焊近铌侧界面区域显微组织照片；

　　图5为金属过渡层选用铜片层或银片层时待焊件示意图，其中，7为铜片层或银片层；

　　图6为金属过渡层选用铜片层或银片层时激光束作用位置示意图，其中，8为激光束；

　　图7为金属过渡层选用铜片层时预置中间层焊接接头横截面宏观形貌照片；

　　图8为直接焊近铌侧界面区域显微组织照片；

　　图9为金属过渡层选用银片层时预置中间层焊近铌侧界面区域显微组织照片。

　　具体实施方式

　　下面对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

　　实施例1～4列举了过渡金属层采用采用铜片与钽片组成的复合层的焊接效果。

　　实施例1：本实施方式的焊接方法按以下步骤实现(参见图1、图2)：

　　(1)母材为nb521合金和304不锈钢，尺寸为50mm×25mm×2mm。中间层为纯铜板和纯钽板，尺寸为50mm×2mm×1mm；

　　(2)将不锈钢板与铌板，铜片与钽片先用80#耐水砂纸打磨表面以去除表面氧化膜和油污，再用脱脂棉分别蘸取丙酮和酒精清洗试件表面，确保材料表面清洁没有污染；

　　(3)将铜片与钽片作为复合中间层预置于钢板与铌板之间，铜片位于钢母材一侧，钽片位于铌母材一侧，即得到由不锈钢-铜-钽-铌组成的待焊件；

　　(4)将待焊件在两端夹紧固定，使钢/铜、铜/钽、钽/铌界面的间隙均小于0.1mm。再用压板压在待焊件上表面边缘，以防止待焊件在焊接过程中发生翘曲变形。然后采用双道焊工艺进行焊接：第一道激光束作用于铜层中心，激光功率p＝2kw，焊接速度v＝1.2m/min，离焦量δf＝0；第二道激光束作用于钽层中心，激光功率p＝3kw，焊接速度v＝1.2m/min，离焦量δf＝0；焊接主保护气为氩气，保护气流量为10l/min，背保护气也为氩气，保护气流量为8l/min；第一次焊接与第二次焊接时间间隔为2min。经过上述步骤即可显著提高钢/铌激光焊接的接头强度。

　　对本实施方式接头的显微组织进行了观察，结果如图4所示。从图4可以看出，和钢/铌直接激光焊相比(图3)，本实施方式焊接的接头中无金属间化合物生成。接头抗拉强度为147mpa。

　　实施例2：本实施方式与实施例1不同的是，中间层中铜片和钽片的厚度为0.8mm。其它与实施例1相同。

　　本实施方式焊接的接头中无金属间化合物生成。接头抗拉强度为136mpa。

　　实施例3：本实施方式与实施例1不同的是，中间层中铜片和钽片的厚度为0.6mm。其它与实施例1相同。

　　本实施方式焊接的接头中无金属间化合物生成。接头抗拉强度为121mpa。

　　实施例4：本实施方式与实施例1不同的是，铌母材使用的是纯铌板。其它与实施例1相同。

　　本实施方式焊接的接头中无金属间化合物生成。接头抗拉强度为141mpa。

　　实施例5～9为金属过渡层采用铜片层的焊接效果。

　　实施例5：本实施方式的焊接方法按以下步骤实现(参见图5、图6)

　　(1)母材为nb521合金和304不锈钢，尺寸为50mm×25mm×2mm。中间层为纯铜板，尺寸为50mm×2mm×1mm；

　　(2)将不锈钢板与铌板，铜片先用80#耐水砂纸打磨表面以去除表面氧化膜和油污，再用脱脂棉分别蘸取丙酮和酒精清洗试件表面，确保材料表面清洁没有污染；

　　(3)将铜片作为中间层预置于钢板与铌板之间，即得到由不锈钢-铜-铌组成的待焊件；

　　(4)将待焊件在两端夹紧固定，使钢/铜、铜/铌界面的间隙均小于0.15mm。再用压板压在待焊件上表面边缘，以防止待焊件在焊接过程中发生翘曲变形。然后采用单道焊工艺进行焊接，激光束作用于铜层中心，激光功率p＝2kw，焊接速度v＝1.2m/min，离焦量δf＝0；焊接主保护气为氩气，保护气流量为10l/min，背保护气也为氩气，保护气流量为8l/min。经过上述步骤即完成了钢与铌的焊接。

　　对本实施方式接头的显微组织进行了观察，结果如图7所示。从图7可以看出在焊缝及热影响区没有出现裂纹、气孔、夹杂等缺陷，两种材料之间形成了冶金结合。经拉伸试验，接头抗拉强度为250mpa。

　　实施例6：本实施方式与实施例5不同的是，铜片的厚度为0.8mm。其它与实施例5相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为225mpa。

　　实施例7：本实施方式与实施例5不同的是，铜片的厚度为0.6mm。其它与实施例5相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为191mpa。

　　实施例8：本实施方式与实施例5不同的是，铌母材使用的是纯铌板。其它与实施例5相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为234mpa。

　　实施例9：本实施方式与实施例5不同的是，钢母材使用的是普通碳素结构钢q235a。其它与实施例5相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为243mpa。

　　通过实施例5～9可以看出，当金属过渡层只选用铜时，意外的得到了很好的焊接效果，打破了传统的预置中间层时，需选择两种金属层的思维局限。

　　实施例10～14给出了过渡金属层为银片层时的焊接结果。

　　实施例10：本实施方式的焊接方法按以下步骤实现(参见图5、图6)：

　　(1)母材为nb521合金和304不锈钢，尺寸为50mm×25mm×2mm。中间层为纯银板，尺寸为50mm×2mm×1mm；

　　(2)将不锈钢板与铌板，银片先用80#耐水砂纸打磨表面以去除表面氧化膜和油污，再用脱脂棉分别蘸取丙酮和酒精清洗试件表面，确保材料表面清洁没有污染；

　　(3)将银片作为中间层预置于钢板与铌板之间，即得到由不锈钢-银-铌组成的待焊件；

　　(4)将待焊件在两端夹紧固定，使钢/银、银/铌界面的间隙均小于0.1mm。再用压板压在待焊件上表面边缘，以防止待焊件在焊接过程中发生翘曲变形。然后进行焊接：激光束作用于铜层中心，激光功率p＝2kw，焊接速度v＝1.2m/min，离焦量δf＝0；焊接主保护气为氩气，保护气流量为10l/min，背保护气也为氩气，保护气流量为8l/min；

　　对本实施方式接头的显微组织进行了观察，结果如图9所示。从图9可以看出，和钢/铌直接激光焊相比(图4)，本实施方式焊接的接头中无金属间化合物生成。接头抗拉强度为191mpa。

　　实施例11：本实施方式与实施例10不同的是，银片的厚度为0.8mm。其它与实施例10相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为183mpa。

　　实施例12：本实施方式与实施例10不同的是，银片的厚度为0.6mm。其它与实施例10相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为174mpa。

　　实施例13：本实施方式与实施例10不同的是，铌母材使用的是纯铌板。其它与实施例10相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为205mpa。

　　实施例14：本实施方式与实施例10不同的是，钢母材使用的是普通碳素结构钢q235a。其它与实施例10相同。

　　本实施方式焊接的接头抗拉强度为197mpa。

　　我们同样对过渡金属层为ta、v、w时的焊接效果进行研究，结果表明当使用ta、v、w作为过渡金属时，直接发生焊完即裂的现象，上述金属和铌一样，都是属于难熔金属，它们和铌的冶金相容性比较好，不会生成金属间化合物。此外和铌的物理化学性能也比较接近，如线膨胀系数和热导率，这样可以降低接头残余内应力，防止接头变形和开裂。但焊后即裂的原因主要是因为它们和铁的冶金相容性不好，容易生成金属间化合物，此外和铁的物理化学性能差异也很大，会在接头中产生很大的残余内应力，使接头变形甚至开裂。

　　如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

　　技术特征：

　　技术总结

　　一种提高钢铌激光焊接接头强度的方法，它涉及一种钢铌激光焊接工艺，用于解决现有钢铌焊接方法接头强度低的问题。首先将金属过渡层预置于钢板与铌板之间，组成待焊件；然后进行焊接，所述金属过渡层为铜片与钽片组成的复合层、铜片层或银片层中的任意一种；当采用铜片与钽片组成的复合层作为过渡金属时，采用双道焊工艺进行焊接：第一道激光束作用于铜层中心；第二道激光束作用于钽层中心；当采用铜片层或银片层作为金属过渡层数时，采用单道焊工艺进行焊接：激光束作用于铜层中心。本发明可以抑制钢铌焊接接头中金属间化合物的生成，显著提高接头强度。本发明适用于钢铌复合构件的制造。

　　技术研发人员：石铭霄;陈书锦;刘大双;李瑞峰;胡庆贤;赵健;王威林

　　受保护的技术使用者：江苏科技大学

　　技术研发日：2017.03.15

　　技术公布日：2017.07.18