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1、(10)申请公布号 CN 103962668 A (43)申请公布日 2014.08.06 C N 1 0 3 9 6 2 6 6 8 A (21)申请号 201310027134.8 (22)申请日 2013.01.24 B23K 1/00(2006.01) B23K 1/20(2006.01) (71)申请人中广核工程有限公司 地址 518023 广东省深圳市福田区深南中路 69号 申请人中国广东核电集团有限公司 (72)发明人王国伟 李靖 刘以亮 叶体章 (74)专利代理机构广州三环专利代理有限公司 44202 代理人王基才 王冬华 (54) 发明名称 表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法 。
2、(57) 摘要 本发明公开了一种表面处理钢与钛或钛合金 的钎焊方法，其包括以下步骤：S1：通过离子注入 法在钢基体的近表面和表面形成钛的离子注入 层；以及S2：以离子注入层表面作为待焊接面与 钛或钛合金基体进行钎焊连接。本发明表面处理 钢与钛或钛合金的钎焊方法实现了钢与钛或钛合 金的冶金连接，有效减少了金属间化合物的产生， 显著地提高了钢与钛或钛合金焊接接头的性能， 能够满足结构件的工业化应用需求。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 10396。
3、2668 A CN 103962668 A 1/1页 2 1.一种表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤： S1：通过离子注入法在钢基体的近表面和表面形成钛的离子注入层；以及 S2：以离子注入层表面作为待焊接面与钛或钛合金基体进行钎焊连接。 2.根据权利要1所述的钎焊方法，其特征在于，所述离子注入层的厚度为50nm3m。 3.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，在形成离子注入层前，对钢基体进行 前处理，前处理工艺为：先对钢基体打磨、抛光，再分别用丙酮和酒精超声清洗515min后 吹干，将待焊钢基体清洗后放入真空室，本底真空度为2.010 -3 Pa，随后进行Ar等离子。
4、体 溅射清洗，其中，溅射电压-15kV-10kV，溅射电压频率50200Hz，脉冲宽度520s，气压 0.1Pa1.0Pa，溅射时间520min。 4.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，在所述步骤S1中，离子注入过 程中的电压为-10-45kV，频率1020Hz，引出电流210mA，电弧电压3070V，注入计量 1.010 15 7.010 17 /ion/cm 2 ，注入时间10120min。 5.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：把钛或钛 合金基体放入碱性溶液中超声清洗以除去钛或钛合金基体表面的油污；然后，采用HNO 3 、 HF、乳酸的混合溶液进行。
5、化学抛光，以去除钛或钛合金基体表面的氧化膜，清洗后的钛或钛 合金基体再用酒精冲洗烘干；将处理后的钛或钛合金基体放入真空炉中，与设有钛的离子 注入层的钢基体组装并进行钎焊连接。 6.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊连接在真空下进行。 7.根据权利要求6所述的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊连接在保护气氛下进行，保 护气氛为全氩、全氦，或者氩、氦联合气氛。 8.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊方法为炉中钎焊、感应钎 焊、超声波钎焊、红外线钎焊或三束钎焊。 权 利 要 求 书CN 103962668 A 1/3页 3 表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法 技术领域 00。
6、01 本发明属于焊接领域，更具体地说，本发明涉及一种表面处理钢与钛或钛合金的 钎焊方法。 背景技术 0002 钛与钢焊接接头因具有显著的经济效益和优异的结构性能而被广泛应用于航空、 航天、石油化工、船舶等工业部门。但是，钛与钢的焊接难度较大，钛在高温下易与钢中的 铁、碳元素形成FeTi、Fe 2 Ti、Fe 2 Ti 4 O、TiC等化合物，增加了接头的脆性。此外，钢与钛的线 膨胀系数相差较大，降低了接头的结合强度，影响了钢与钛焊接接头的使用性能。 0003 目前，钢与钛的焊接一般采用钨极氩弧焊技术，工艺和操作均比较简单。但是，钨 极氩弧焊技术的焊接温度高，钢和钛的物理性能(如线膨胀系数和热导。
7、率)差异，使得高温 条件下会产生较大的应力，容易产生裂纹；同时，生成的Fe与Ti的金属间化合物会使焊接 接头变硬变脆，性能下降。 0004 申请号为02133239.8的发明专利申请“钛铝基合金与钢的一种活性复合梯度阻 隔扩散焊接方法”公开了一种钛铝基合金与钢的扩散焊接的方法，是将钛铝基合金与钢之 间加入金属箔(如钛箔、镍箔、钒箔、铜箔、铌箔)，其厚度在10100m之间，在真空环境下 可得到较好的钛铝基合金与钢的焊接接头。但是，这种方法引入了第三种材料中间层，不仅 连接界面增加，同时也使得焊接接头的性能过度不连续且降低了焊接接头的耐腐蚀性。 0005 有鉴于此，确有必要提供一种表面处理钢与钛或。
8、钛合金的钎焊方法，以克服现有 技术中存在的缺陷。 发明内容 0006 本发明的目的在于：提供一种可显著提高钢与钛或钛合金焊接接头性能的表面处 理钢与钛或钛合金的钎焊方法。 0007 为了实现上述发明目的，本发明提供了一种表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方 法，其包括以下步骤： 0008 S1：通过离子注入法在钢基体的近表面和表面形成钛的离子注入层；以及 0009 S2：以离子注入层表面作为待焊接面与钛或钛合金基体进行钎焊连接。 0010 作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述离子注入层的 厚度为50nm3m。 0011 作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，在形。
9、成离子注入层 前，对钢基体进行前处理，前处理工艺为：先对钢基体打磨、抛光，再分别用丙酮和酒精超声 清洗515min后吹干，将待焊钢基体清洗后放入真空室，本底真空度2.010 -3 Pa，随后进行 Ar等离子体溅射清洗，其中，溅射电压-15kV-10kV，溅射电压频率50200Hz，脉冲宽度 520s，气压0.1Pa1.0Pa，溅射时间520min。 0012 作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，在所述步骤S1中， 说 明 书CN 103962668 A 2/3页 4 离子注入过程中的电压为-10-45kV，频率1020Hz，引出电流210mA，电弧电压3070V，注 入计量1。
10、.010 15 7.010 17 /ion/cm 2 ，注入时间10120min。 0013 作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述步骤S2进一 步包括：把钛或钛合金基体放入碱性溶液中超声清洗以除去钛或钛合金基体表面的油污； 然后，采用HNO 3 、HF、乳酸的混合溶液进行化学抛光，以去除钛或钛合金基体表面的氧化膜， 清洗后的钛或钛合金基体再用酒精冲洗烘干；将处理后的钛或钛合金基体放入真空炉中， 与设有钛的离子注入层的钢基体组装并进行钎焊连接。 0014 作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述钎焊连接在真 空下进行。 0015 作为本发明表面处理钢与钛或。
11、钛合金的钎焊方法的一种改进，所述钎焊连接在保 护气氛下进行，保护气氛为全氩、全氦，或者氩、氦联合气氛。 0016 作为本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法的一种改进，所述钎焊方法为炉 中钎焊、感应钎焊、超声波钎焊、红外线钎焊或三束钎焊。 0017 本发明采用离子注入法在钢基体的表面注入钛后，与钛或钛合金基体进行钎焊， 很大程度上阻隔了高温条件下两种母材中Fe和Ti的直接接触和扩散，金属间化合物如 FeTi、Fe 2 Ti等的形成大为减少，避免了钢与钛或钛合金直接焊接出现的脆性，实现了钢与 钛或钛合金的冶金连接，降低了异种材料线膨胀系数的差异而出现裂纹的可能性，提高了 钢与钛或钛合金焊接接头的。
12、性能。 附图说明 0018 下面将结合附图和具体实施方式，对本发明表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法 作进一步说明，其中： 0019 图1是根据本发明的一个实施方式，表面处理钢与钛或钛合金钎焊前接头的示意 图。 0020 图2是根据本发明的一个实施方式，表面处理钢与钛或钛合金钎焊后接头的示意 图。 0021 附图标号说明：1、钢基体；10、钢基体表面；11、离子注入层；2、钛或钛合金基体； 20、钛或钛合金基体表面；21、化合物层。 具体实施方式 0022 为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合附图和 实施例，对本发明进行进一步详细说明。可以理解的是，本说明书中描述的实。
13、施方式仅仅是 为了解释本发明，并非为了限定本发明。 0023 请参阅图1所示，本发明提供了一种表面处理钢与钛或钛合金的钎焊方法，其包 括以下步骤：S1：通过离子注入法在钢基体1的近表面和表面10形成钛的离子注入层11； 以及S2：以离子注入层11的表面作为待焊接面与钛或钛合金基体2的钛基体表面20进行 钎焊连接，焊接过程中，产生化合物层21，如图2所示，化合物层21中含有少量的FeTi和 Fe 2 Ti。 0024 本发明实现了钢与钛或钛合金的冶金连接，有效减少了金属间化合物如FeTi、 说 明 书CN 103962668 A 3/3页 5 Fe 2 Ti等的生成，显著提高了钢与钛或钛合金焊接。
14、接头的性能，能够满足结构件的工业化应 用需求。 0025 根据本发明的一个实施方式，离子注入层11的厚度h为50nm3m，离子注入层 11内的钢基体1材料的原子与所注入的原子之间紧密结合，强度较高。根据实际需要，离子 注入层11的厚度h可以选取50nm、200nm、500nm、1m、2m、3m。 0026 根据本发明的一个优选实施方式，在形成钛的离子注入层11之前，钢基体1进行 前处理，前处理的工艺为：先对钢基体1打磨、抛光，再分别用丙酮和酒精超声清洗515min 后吹干，将待焊钢基体1清洗后放入真空室，随后进行Ar等离子体溅射清洗，以除去钢基体 1表面吸附的杂质原子，溅射参数如表1所示。 0。
15、027 表1Ar等离子溅射清洗参数 0028 溅射电压-10-15kV气体压强0.11.0Pa 溅射电压频率100-300Hz溅射时间520min 溅射电压脉宽520s本底真空度5.010 -3 Pa 0029 根据本发明的一个实施方式，步骤S2中，离子注入过程的参数如表2所示。 0030 表2Ti离子注入层制备工艺参数 0031 0032 根据本发明的一个实施方式，步骤S2中，把钛或钛合金基体2在碱性溶液中超声 清洗510min用以除去钛或钛合金基体2表面的油污，然后采用HNO 3 、HF、乳酸的混合溶液 进行化学抛光，同时可以去除钛或钛合金基体2表面的氧化膜。清洗后的钛或钛合金基体 2再用。
16、酒精冲洗烘干，将处理后的钛或钛合金基体2放入真空炉中，与设有钛的离子注入层 11的钢基体1组装并进行钎焊连接。 0033 焊接过程采用真空钎焊，有无保护气氛均可，可适用全氩、全氦和氩、氦联合的气 体保护方式。钎焊方法也没有特殊的要求，可以采用常见的炉中钎焊、感应钎焊、超声波钎 焊、红外线钎焊或三束钎焊。 0034 根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方 式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本 发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书 中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。 说 明 书CN 103962668 A 1/1页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 103962668 A 。