一种电子束焊接 TA15 钛合金与铬青铜异种材料的方法 技术领域 本发明涉及 TA15 钛合金与 QCr0.8 铬青铜合金异种材料电子束焊接方法， 属于异 种材料熔化焊接领域。
背景技术 TA15 钛合金是一种优良的结构材料， 具有密度小、 比强度高、 塑韧性好、 耐热耐蚀 性好、 可加工性好等特点， 在航空、 航天、 车辆工程、 生物医学工程等领域具有非常重要的应 用价值。QCr0.8 铬青铜合金具有优良的导电导热性能、 延展性和优良的抗腐蚀性能。因而 在电气、 电子、 化工、 动力、 交通及航空航天等工业及军事部门都得到了广泛的应用。
异种材料的焊接日益受到人们的重视， 其特点是能够最大限度地利用材料的各自 优点满足现代生产对材料结构性能多方面的要求， 在某些情况下， 异种材料的综合性能甚 至超过单一金属结构。
TA15 钛合金与 QCr0.8 铬青铜合金异种材料的有效连接既能满足导热性、 耐磨性、 耐蚀性的要求， 又能满足轻质高强的要求， 在航空航天、 造船、 仪表等领域必将拥有广阔的 应用前景。
采用现有的电子束焊接方法实现 TA15 钛合金与铬青铜异种材料的焊接， 在焊缝 中容易形成由金属间化合物组成的层状组织结构， 该种层状组织结构是接头中的薄弱位 置， 使异种材料的接头位置的抗拉强度降低。目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见 报道。
发明内容 本发明的目的在于解决 TA15 钛合金与铬青铜异种材料电子束焊接容易产生金属 间化合物层状结构， 进而导致焊接接头抗拉强度低的问题。
本发明所述的电子束焊接 TA15 钛合金与铬青铜异种材料的方法， 其焊接对象为 TA15 钛合金母材与 QCr0.8 铬青铜合金母材， 所述焊接方法采用两次焊接的方法完成焊接， 具体过程为 ： 在对焊缝完成焊接之后， 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金母材一侧移 动 0.2mm ～ 1.0mm， 进行第二次焊接。
当所述 TA15 钛合金母材与 QCr0.8 铬青铜合金母材均为厚度为 1.5mm ～ 5.0mm 的 板材时， 本发明所述的焊接方法的具体过程为 ：
步骤一、 将待焊接的 TA15 钛合金板材与 QCr0.8 铬青铜合金板材进行预处理 ；
步骤二、 调整 TA15 钛合金板材与 QCr0.8 铬青铜合金板材的相对位置， 使两块板材 的对接面的高度差小于 0.2mm， 并且使两个对接面之间的缝隙小于 0.1mm ； 然后用夹具固定 保证两块板材之间的相对位置不变 ；
步骤三、 将步骤二获得的固定后的两块板材放入真空室内， 对该真空室抽真空， 使 -2 -4 得该真空室内的真空度在 5×10 Pa 至 5×10 Pa 范围 ；
步骤四、 将电子束聚焦至两块板材的对接缝隙处， 从该缝隙的一端开始焊接直到
另一端为止 ； 焊接时的工作距离为 150mm， 加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流 为 15mA ～ 50mA， 焊接速度为 4mm/s ～ 12mm/s ；
步骤五、 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金板材一侧移动 0.2mm ～ 1.0mm， 然 后开始第二次焊接， 此次焊接的轨迹与步骤四中的焊接轨迹相平行， 焊接时的加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流为 12mA ～ 45mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 12mm/s ；
步骤六、 真空室冷却 8min 至 12min， 然后去真空并取出焊接完成的试件， 焊接完 成。
当所述 TA15 钛合金母材与 QCr0.8 铬青铜合金母材均为壁厚为 1.5mm ～ 5.0mm 的 管材时， 焊接的焊缝为环形对接焊缝， 本发明所述的焊接方法的过程为 ：
步骤一、 对待焊接的 TA15 钛合金管材和 QCr0.8 铬青铜合金的管材进行预处理 ；
步骤二、 调整两根管材的相对位置， 使两根管材的对接面的错边小于 0.2mm， 并且 该两个对接面之间的缝隙小于 0.1mm， 然后用夹具固定， 使得两根管材之间相对位置不变 ；
步骤三、 将固定好的两根管材放入真空室内， 抽真空， 使得该真空室内的真空度在 -2 -4 5×10 Pa 至 5×10 Pa 之间 ；
步骤四、 将电子束聚焦至两根管材的对接缝隙处， 开始焊接， 焊接时的工作距离为 150mm， 加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流为 15mA ～ 50mA， 焊接速度为 5mm/ s ～ 12mm/s， 焊接行程为 450 度 ；
步骤五、 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金管件侧进行移动 0.2mm ～ 1.0mm， 然后开始第二次焊接， 此次焊接的轨迹与步骤四中的焊接轨迹相平行， 焊接时加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流为 12mA ～ 45mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 12mm/s， 焊接行程 为 450 度 ；
步骤六、 真空室冷却 8min 至 12min， 然后去真空并取出焊接完成的试件， 焊接完 成。
本发明所述的 TA15 钛合金成分为 Al ： 5.5 ～ 7.0％ ( 重量 )、 V： 0.8 ～ 2.5％ ( 重 量 )、 Zr ： 1.5 ～ 2.5％ ( 重量 )、 Mo ： 0.5 ～ 2.0％ ( 重量 )、 余量为 Ti ； QCr0.8 铬青铜合金 成分为 Cr ： 0.4 ～ 0.7％ ( 重量 )、 杂质≤ 0.8％ ( 重量 )， 余量为 Cu。
采用常规的电子束焊接方法对 TA15 钛合金与 QCr0.8 铬青铜合金进行焊接接头强 度较低， 仅为 QCr0.8 铬青铜合金母材的 40％左右。 本发明与常规焊接方法不同之处在于利 用叠加焊接的方法， 分别对 TA15 钛合金与 QCr0.8 铬青铜合金的对接面、 偏向 QCr0.8 铬青 铜合金侧一定距离进行电子束焊接。一方面可以使 TA15 钛合金与 QCr0.8 铬青铜合金焊缝 形成良好的冶金结合， 接头没有气孔、 裂纹等焊接缺陷 ； 另一方面能够将焊缝与 QCr0.8 铬 青铜合金侧形成的金属间化合物层状结构减弱甚至消除， 获得连续分布的焊缝组织， 从而 可将接头抗拉强度提高到 QCr0.8 铬青铜合金母材的 70％以上， 能够获得优质高强的连接 接头。 具体实施方式
具体实施方式一 ： 本实施方式所述的一种电子束焊接 TA15 钛合金与铬青铜异种 材料的方法， 其焊接对象为 TA15 钛合金母材与 QCr0.8 铬青铜合金母材， 所述焊接方法为 采用两次焊接的方法完成焊接， 具体过程为 ： 在对焊缝完成焊接之后， 将电子束聚焦位置向QCr0.8 铬青铜合金母材一侧移动 0.2mm ～ 1.0mm， 进行第二次焊接， 本实施方式所述的 TA15 钛合金成分为 Al ： 5.5 ～ 7.0 ％ ( 重量 )、 V： 0.8 ～ 2.5 ％ ( 重量 )、 Zr ： 1.5 ～ 2.5 ％ ( 重 量 )、 Mo ： 0.5 ～ 2.0％ ( 重量 )、 余量为 Ti ； QCr0.8 铬青铜合金成分为 Cr ： 0.4 ～ 0.7％ ( 重 量 )、 杂质≤ 0.8％ ( 重量 )， 余量为 Cu。
本实施方式通过设计电子束聚焦焊接位置， 利用叠加焊接的方法改善接头组织结 构， 减少或者消除金属间化合物的不利影响， 获得优质高强的连接接头。
具体实施方式二 ： 本实施方式与具体实施方式一所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的一个具体实施例， 本实施方式中的 TA15 钛合金母材与 QCr0.8 铬青铜合金母材均是厚度为 1.5mm ～ 5.0mm 的板材， 具体焊接方法为 ：
步骤一、 将待焊接的 TA15 钛合金板材与 QCr0.8 铬青铜合金板材进行预处理 ；
步骤二、 调整 TA15 钛合金板材与 QCr0.8 铬青铜合金板材的相对位置， 使两块板材 的对接面的高度差小于 0.2mm， 并且使两个对接面之间的缝隙小于 0.1mm ； 然后用夹具固定 保证两块板材之间的相对位置不变， 然后执行步骤三 ；
步骤三、 将步骤二获得的固定后的两块板材放入真空室内， 对该真空室抽真空， 使 -2 -4 得该真空室内的真空度在 5×10 Pa 至 5×10 Pa 范围 ； 步骤四、 将电子束聚焦至两块板材的对接缝隙处， 从该缝隙的一端开始焊接直到 另一端为止 ； 焊接时的工作距离为 150mm， 加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流 为 15mA ～ 50mA， 焊接速度为 4mm/s ～ 12mm/s ；
步骤五、 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金板材一侧移动 0.2mm ～ 1.0mm， 然 后开始第二次焊接， 此次焊接的轨迹与步骤四中的焊接轨迹相平行， 焊接时的加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流为 12mA ～ 45mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 12mm/s ；
步骤六、 真空室冷却 8min 至 12min， 然后去真空并取出焊接完成的试件， ， 焊接完 成。
具体实施方式三 ： 本实施方式与具体实施方式二所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 步骤一中所述的预处理包括机械打磨和化学清 洗。
具体实施方式四 ： 本实施方式与具体实施方式二所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 所述步骤二中所述的固定方式采用上表面加载 方式。 具体可以分别对两块板材的两端的端点施加压力， 保证焊接过程中试件不发生移动。
具体实施方式五 ： 本实施方式与具体实施方式二所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 步骤三中所述的真空室内的真空度在 5×10-3Pa 至 5×10-4Pa。
具体实施方式六 ： 本实施方式与具体实施方式二所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 所述焊接对象的厚度是 1.5mm ～ 3.0mm， 在焊接 过程中，
在步骤四中， 电子束流为 15mA ～ 30mA， 焊接速度为 8mm/s ～ 12mm/s ；
在步骤五中， 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金板材一侧移动 0.2mm ～ 0.6mm， 然后开始第二次焊接， 此次焊接的电子束流为 12mA ～ 25mA， 焊接速度为 8mm/s ～ 12mm/s。
具体实施方式七 ： 本实施方式与具体实施方式二所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 所述焊接对象的厚度是 3.5mm ～ 5.0mm， 在焊接 过程中 ：
在步骤四中， 电子束流为 30mA ～ 50mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 8mm/s ；
在步骤五中， 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金板材移动 0.6 ～ 1.0mm， 然后 开始第二次焊接， 此次焊接的电子束流为 25mA ～ 45mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 8mm/s。
具体实施方式八 ： 本实施方式与具体实施方式一所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的一个具体实施例， 本实施方式中的 TA15 钛合金母材与 QCr0.8 铬青铜合金母材都是壁厚为 1.5mm ～ 5.0mm 的管材， 焊接的焊缝为环形对接焊缝， 具 体步骤为 ：
步骤一、 对待焊接的 TA15 钛合金管材和 QCr0.8 铬青铜合金的管材进行预处理 ；
步骤二、 调整两根管材的相对位置， 使两根管材的对接面的错边小于 0.2mm， 并且 该两个对接面之间的缝隙小于 0.1mm， 然后用夹具固定， 使得两根管材之间相对位置不变 ；
步骤三、 将固定好的两根管材放入真空室内， 抽真空， 使得该真空室内的真空度在 -2 -4 5×10 Pa 至 5×10 Pa 之间 ； 步骤四、 将电子束聚焦至两根管材的对接缝隙处， 开始焊接， 焊接时的工作距离为 150mm， 加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流为 15mA ～ 50mA， 焊接速度为 5mm/ s ～ 12mm/s， 焊接行程为 450 度 ；
步骤五、 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金管件侧进行移动 0.2 ～ 1.0mm， 然后开始第二次焊接， 此次焊接的轨迹与步骤四中的焊接轨迹相平行， 焊接时加速电压为 55kV， 聚焦电流为 2590mA， 电子束流为 12mA ～ 45mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 12mm/s， 焊接行程 为 450 度 ；
步骤六、 真空室冷却 8min 至 12min， 然后去真空并取出焊接完成的试件， 焊接完 成。
具体实施方式九 ： 本实施方式与具体实施方式八所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 步骤一中所述的预处理包括机械打磨和化学清 洗。
具体实施方式十 ： 本实施方式与具体实施方式八所述的一种电子束焊接 TA15 钛 合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 在步骤二中所述的固定方式采用两端均匀加载 的方式。具体可以分别对两根管件的两端施加压力， 保证焊接过程中试件不发生移动。
具体实施方式十一 ： 本实施方式与具体实施方式八所述的一种电子束焊接 TA15 钛合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 步骤三中所述的真空室内的真空度在 -3 -4 5×10 Pa 至 5×10 Pa。
具体实施方式十二 ： 本实施方式与具体实施方式八所述的一种电子束焊接 TA15 钛合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 所述焊接对象的壁厚是 1.5mm ～ 3.0mm， 在焊 接过程中 ：
在步骤四中， 电子束流为 15mA ～ 30mA， 焊接速度为 8mm/s ～ 12mm/s ；
在步骤五中， 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金管件侧进行移动 0.2mm ～ 0.6mm， 然后开始第二次焊接， 此次焊接中的电子束流为 12mA ～ 25mA， 焊接速度为 8mm/s ～
12mm/s。 具体实施方式十三 ： 本实施方式与具体实施方式八所述的一种电子束焊接 TA15 钛合金与铬青铜异种材料的方法的区别在于， 所述焊接对象的壁厚是 3.0mm ～ 5.0mm， 在焊 接过程中 ：
在步骤四中， 电子束流为 30mA ～ 50mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 8mm/s ；
在步骤五中， 将电子束聚焦位置向 QCr0.8 铬青铜合金管材侧移动 0.6mm ～ 1.0mm， 然后开始第二次焊接， 此次焊接中的电子束流为 25mA ～ 45mA， 焊接速度为 5mm/s ～ 8mm/s。
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