CN107297569B - 一种钛铜异质金属接头焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛铜异质金属接头焊接方法,属于金属材料界面焊接工艺领域。该方法是在钛材料与铜材料间加入中间层焊料,中间层焊料与钛材料结合界面为界面1,中间层焊料与铜材料结合界面为界面2,焊接热源焦点位于中间层焊料,焊接过程中保证焊接热源产生的热量传导到界面1时,其产生的温度高于钛的熔点,热量传导到界面2时,其产生的温度高于中间层焊料与铜的共晶温度,且界面1与界面2之间存在未熔化焊料层,中间层焊料是一种与熔化的钛材料和/或铜材料不产生金属间化合物的金属材料。该焊接方法避免钛铜金属间化合物的形成,可以同时形成钛‑铌和铜‑铌两个熔钎焊焊缝,得到的钛铜异质金属接头抗拉强度达到200‑240MPa,延伸率30‑40%,且不会在焊接界面形成断裂。
Description
技术领域
本发明属于金属材料界面焊接工艺领域,具体而言,涉及一种钛材料与铜材料构成的异质金属接头焊接方法。
背景技术
钛及钛合金具有轻质高强、良好的耐腐蚀、优良的高温性能及生物相容性等特点,被广泛的应用于航空航天、石油化工、生物医学等领域。铜及铜合金通常具有优良的导电、导热性能,良好的冷、热加工性能,高的抗氧化性及有机化学物质腐蚀的性能,在电气、电子、动力、化工等工业部门中应用广泛。Ti/Cu异种金属的优质高强连接,可以满足一些特殊构件的减重性和功能性要求,具有广阔的应用前景。但是Ti与Cu的物理化学性质差异巨大,焊接时易形成Ti-Cu系金属间化合物,严重降低接头的力学性能。现有的激光焊连接方法,如采取光束偏移或完全熔化中间层的方法,均无法避免焊缝中Ti-Cu系金属间化合物的产生,这已成为制约Ti/Cu异种金属结构广泛使用的主要技术瓶颈。因此,研究开发Ti/Cu异种金属连接技术具有重要的技术工程意义和广阔的应用前景。
现有专利201610391373.5《一种低温连接高温使用Cu/Sn/Cu钎焊界面的制备方法及结构》公开了以两层Sn作为Cu的中间层,施加压力,同时在一定温度下形成Cu-Sn金属间化合物,但是在《Cu-Sn界面上金属间化合物生长的抑制》(任峰高苏张启运金属学报2002年7月)一文中,公开了Cu-Sn界面形成η相(Cu6Sn5)微晶,并扩散至覆锡层表面,导致可焊性大幅度下降,并说明必须抑制Cu向Sn中的溶解和扩散,而加厚Sn层不能有效解决该难题,因此该专利在钎焊界面会形成Cu-Sn金属间化合物,这对材料的可焊性会产生不利影响。
专利201410449257.5《镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法及其夹具》公开了镍钛合金直接与铜合金焊接,通过对铜母材进行加热,利用铜合金流动性的特点实现铜合金与记忆合金的有效连接,并且需要在焊后对材料进行热处理,调节焊缝组织形貌和晶粒尺寸,由于铜会与其它元素互溶,可能会形成金属间化合物,降低镍钛合金与铜合金焊接处力学性能。
专利201610821139.1《一种钛铜层状电极复合材料的快速制备方法》公开了在钛箔与铜箔之间复合铝箔,通过超声固结将其压合,进而作为电极材料,由于是对材料厚度方向进行压合,且各层材料厚度极小,都小于0.2mm,根据该专利公开的附图可知,不存在各层材料的互溶,因此各层分界较明显,通过该方式得到的电极材料界面牢固性低于焊接方式,存在结合界面不牢固的缺陷。
专利201310428292.4《喷射沉积法制备钛包铜层状复合电极板的方法》公开了通过喷射沉积的方法在钛或铜板上沉积一层铜或钛,由于是铜直接与钛复合,易形成Ti-Cu系金属间化合物,存在界面结合强度不高的缺陷。
专利201610463909.X《一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法》公开了在不锈钢和钛合金之间添加铌作为中间层,将激光光斑焦点设置在钛合金上,精确控制激光焊接工艺参数,实现异种金属材料的焊接。该方法采用的是熔焊+接触反应钎焊方式,利用铌的热传导作用,同时由于钛合金和不锈钢的导热性能相差不大,在钛合金与铌接触面熔化同时,铌与不锈钢接触面的温度高于铌、铁的共晶温度,进而实现焊接,但是该方法只适合于导热性能相差不大的两种材料,当两种材料导热性相差极大情况下,会导致热量传导到Nb与导热性能高的材料接触界面时,由于热量被快速传递到材料本身,其接触界面温度达不到两种材料共晶温度点以上,焊料与导热性能高的材料无法焊接成功。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种焊接时不会形成Ti-Cu系金属间化合物、焊缝质量高的钛铜异质金属接头焊接方法。
为了实现本发明的上述目的,通过大量试验研究并不懈努力,最终获得了如下技术方案:
一种钛铜异质金属接头焊接方法,在钛材料与铜材料间加入中间层焊料,中间层焊料与钛材料结合界面为界面1,中间层焊料与铜材料结合界面为界面2,焊接热源焦点位于中间层焊料,焊接过程中保证焊接热源产生的热量传导到界面1时,其产生的温度高于钛的熔点,热量传导到界面2时,其产生的温度高于中间层焊料与铜的共晶温度,且界面1与界面2之间存在未熔化焊料层,所述中间层焊料是一种与熔化的钛材料和/或铜材料不产生金属间化合物的金属材料。
如上所述的钛铜异质金属接头焊接方法,所述中间层焊料为Nb金属。
具体的,所述钛铜异质金属接头焊接方法,包括如下步骤:
a中间层焊料的确定:在钛材料与铜材料接触界面间加入Nb作为中间层焊料,保证界面1与界面2均不留间隙,Nb中间层焊料厚度为0.8-1.0mm,即界面1与界面2距离为0.8-1.0mm;
b热源位置确定:采用激光焊接方式,激光热源中心置于Nb中间层焊料上,到界面1的距离为0.4-0.6mm;
c热输出控制:控制激光热源中心输出的热量,使Nb中间层焊料靠近界面1和界面2的部分熔化,热量传导到界面1时,其产生的温度高于钛熔点,热量传导到界面2时,其产生的温度高于Nb-Cu共晶点温度,最终同时在界面1和界面2形成熔钎焊焊缝,得到高强度、高塑性的钛铜异质金属接头。
在进行c热输出控制步骤时,对熔化区及热影响区进行惰性气体保护。
优选地,所述Nb中间层焊料为纯Nb焊丝。
如上所述钛铜异质金属接头焊接方法,所述激光焊接中参数控制为:激光峰值功率1.5-1.7kW,脉冲宽度12-18ms,脉冲频率40-50Hz,焊接速度200-400mm/min,离焦量0-1mm,保护气体流量为正面12-18L/min,背面10-15L/min。
本发明中所述钛材料为纯钛或钛合金,所述铜材料为纯铜或铜合金。
本发明相对于现有技术,具有如下技术效果:
(1)本发明基于钛与铌无限互溶,铌与铜有限固溶并发生共晶反应,铌与钛和铜反应无金属间化合物形成,通过精确控制中间层焊料厚度、焊接热输出参数以及热源中心在中间层焊料上的位置,在钛-铌、铜-铌两个熔钎焊焊缝之间存在一定厚度的未熔化的金属铌,未熔化的金属铌阻止钛、铜元素的相互扩散而形成脆性的钛铜金属间化合物;
(2)由于钛材料与铜材料导热性能相差极大,本发明巧妙利用了钛的熔点与Nb-Cu共晶温度点相差极小的特点,精确控制热源产生的热量,不但使钛与Nb接触界面熔化,且热量传递到Nb/Cu接触界面时,产生的温度高于Nb-Cu共晶温度,通过一次施焊,可以同时形成钛-铌和铜-铌两个熔钎焊焊缝的复合接头,焊缝界面结合性高;
(3)得到的钛铜异质金属接头具有高强度和高塑性,其抗拉强度达到200-240MPa,延伸率达到30-40%;
(4)得到的钛铜异质金属接头,其拉伸断裂位置位于Cu母材上,呈延性断裂模式,侧面说明了焊料与钛和铜的结合界面焊接牢固;
(5)纯Nb作为填充材料,具有强度较低、塑性好的特点,作为中间层焊料有利于实现焊接自动化,提高生产效率。
附图说明
图1为本发明Ti/Cu异质金属接头脉冲激光焊诱发共晶反应焊接俯视示意图;
图2为本发明Ti/Cu异质金属接头脉冲激光焊诱发共晶反应焊接侧视示意图;
图3为本发明方法制备得到的Ti/Cu异质金属接头;
图4为本发明方法制备得到Ti/Cu异质金属接头的横截面形貌;
图5为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头Ti/Nb界面微观组织;
图6为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头熔化的中间层微观组织;
图7为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头Nb/Cu界面微观组织;
图8为本发明得到的Ti/Cu异质金属接头拉伸断裂试样图;
图9为激光光斑位置在Ti/Nb界面时制备的Ti/Cu异质金属接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明,但本发明的保护范围不仅仅限于下述的实施例。
实施例1
对TC4型钛合金与纯Cu进行脉冲激光焊接,CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同,为100mm(长)×50mm(宽)×1.2mm(厚),将1mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间,铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙,铌中间层焊料厚度为0.8mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离),将脉冲激光光斑置于距离Ti/Nb界面0.4mm处,在双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接,如图1和图2所示,通过脉冲激光参数控制,使得熔化控制在Ti/Nb界面附近区域,Ti/Nb界面与Nb/Cu界面之间存在未熔化的Nb层,依靠从熔池热传导提供的热量使Ti/Nb界面和Nb/Cu产生的温度分别高于Ti的熔点和Nb-Cu共晶温度,使得Ti/Nb界面和Nb/Cu界面为熔钎焊连接,最终得到钛铜异质金属接头。
其中脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.7kW,脉冲宽度15ms,脉冲频率50Hz,焊接速度200mm/min,离焦量1mm,双面保护气氛中,正面保护气流量18L/min,背面保护气流量10L/min。
得到的钛铜异质金属接头如图3所示,对接头的焊接处进行横截面的显微形貌观察得到如图4所示微观形貌,在铌中间层的热传导作用下,Ti/Nb界面温度高于Ti的熔点,Ti首先熔化,并润湿Nb金属使得部分Nb熔化,在Ti/Nb界面形成了熔钎焊特征,如图5所示;Cu-Nb界面附近温度达到铜、Nb的共晶温度(1675℃),此时铜熔化并与Nb发生共晶反应,形成了具有共晶反应特征的熔钎焊接头,如图7所示;焊接过程中,在钛铌熔钎焊焊缝与Nb铜熔钎焊缝之间始终存在一定厚度未熔化的Nb,如图4、图5和图7所示,其作用是阻止钛、铜元素的相互扩散而形成脆性的钛铜金属间化合物。
由图5、图6和图7可以看出,焊接处的显微结构中无任何金属间化合物存在。
对钛铜异质金属接头按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学拉伸测试,接头抗拉强度为225MPa,断后伸长率为34%,且接头拉断后如图8所示,其断裂是发生在铜母材上,说明Nb分别与铜母材和钛材料的焊接界面力学强度要高于铜母材,间接说明Nb与钛和铜的结合界面焊接牢固。
实施例2
对TC4型钛合金与纯Cu进行脉冲激光焊接,CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同,为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚),将0.8mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间,铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙,铌中间层焊料宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离),将脉冲激光光斑置于距离Ti/Nb界面0.6mm处,双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接,脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.5kW,脉冲宽度12ms,脉冲频率40Hz,焊接速度400mm/min,离焦量0mm,双面保护气氛中,正面保护气流量18L/min,背面保护气流量10L/min,脉冲激光焊接后,得到钛铜异质金属接头。
对钛铜异质金属接头进行显微观察,可以得到如实施例1中所示相同的显微图像。
对钛铜异质金属接头进行如实施例1所示的力学拉伸测试,其接头抗拉强度为232MPa,延伸率为34%,且拉伸实验中,断裂发生在铜母材上。
实施例3
对TC4型钛合金与纯Cu进行脉冲激光焊接,CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同,为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚),将1.2mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间,铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙,铌中间层焊料宽度为0.8mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离),将脉冲激光光斑置于距离Ti/Nb界面0.5mm处,双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接,得到钛铜异质金属接头。
脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.5kW,脉冲宽度18ms,脉冲频率50Hz,焊接速度300mm/min,离焦量0.3mm,双面保护气氛中,正面保护气流量16L/min,背面保护气流量14L/min。
对钛铜异质金属接头进行显微观察,可以得到如实施例1中所示相同的显微图像。
对钛铜异质金属接头进行如实施例1所示的力学拉伸测试,其接头抗拉强度为236MPa,延伸率为32%,且拉伸实验中,断裂发生在铜母材上。
对比例1(无纯Nb中间层焊料的钛铜异质金属直接焊接)
选取CT4型钛合金板与纯铜板,两者尺寸规格相同,都为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚),对TC4型钛合金与纯Cu进行异质脉冲激光直接接触焊接,脉冲激光光斑位于Ti/Cu界面上,双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接,脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.5kW,脉冲宽度12ms,脉冲频率40Hz,焊接速度400mm/min,离焦量0mm,双面保护气氛中,正面保护气流量18L/min,背面保护气流量10L/min。
结果发现,由于钛合金与铜的导热性能相差极大,在焊接结束后,接头焊接处即发生断裂。
对比例2(改变脉冲激光光斑位置在Ti/Nb界面的钛合金一侧)
选取CT4型钛合金板与纯铜板,两者尺寸规格相同,都为100mm(长)×50mm(宽)×1.2mm(厚),将厚度为1.2mm的铌中间层置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间,铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙,且铌中间层宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离),为将脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面的钛合金母材上,距离Ti/Nb界面0.3mm处,在双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接。
脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.5kW,脉冲宽度12ms,脉冲频率40Hz,焊接速度400mm/min,离焦量0mm,双面保护气氛中,正面保护气流量18L/min,背面保护气流量10L/min。
通过实验发现,由于脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面的钛合金一侧,而铜的热传导系数远大于钛合金的,因此传递到Nb/Cu界面的热量迅速向铜板整体传递,导致Cu-Nb界面温度过低,未能实现Cu/Nb界面的牢固结合。
对比例3(改变脉冲激光光斑位置在Ti/Nb界面)
选取CT4型钛合金板与纯铜板,两者尺寸规格相同,都为100mm(长)×50mm(宽)×1.2mm(厚),将厚度为1.2mm的铌中间层置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间,铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙,且铌中间层宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离),为将脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面上,在双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接。
脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.5kW,脉冲宽度12ms,脉冲频率40Hz,焊接速度400mm/min,离焦量0mm,双面保护气氛中,正面保护气流量18L/min,背面保护气流量10L/min。
得到的钛铜异质金属接头如图9所示,虽然脉冲激光光斑在Ti/Nb界面,但是铜导热性能极强,Cu-Nb界面温度过低,焊接结束后发现无法实现Cu/Nb的有效结合。
对比例4(改变脉冲激光光斑位置在Nb中间层靠近钛一侧)
对TC4型钛合金与纯Cu进行异种材料脉冲激光焊接,CT4型钛合金板与纯铜板尺寸规格相同,为100mm(长)×50mm(宽)×1.0mm(厚),将1.2mm厚的铌中间层焊料置于TC4型钛合金板与纯铜板界面间,铌中间层分别与钛合金和纯铜界面间不留间隙,铌中间层焊料宽度为1.0mm(即Ti/Nb界面与Nb/Cu界面距离),将脉冲激光光斑置于铌中间层上,且距离Ti/Nb界面0.2mm处,双面氩气保护气氛下进行脉冲激光焊接,脉冲激光焊接工艺参数为:激光峰值功率1.5kW,脉冲宽度12ms,脉冲频率40Hz,焊接速度400mm/min,离焦量0mm,双面保护气氛中,正面保护气流量18L/min,背面保护气流量10L/min。
由于脉冲激光光斑位于Ti/Nb界面靠近钛合金一侧,铜的热传导系数与钛合金的相差极大,发现传递到Nb/Cu界面的热量迅速向铜板整体传递,导致Cu-Nb界面温度过低,未能实现Cu/Nb界面的有效结合。
对比例5
其它参数和处理步骤与对比例2的相同,将其中的纯铜板替换为相同规格的不锈钢板,结果发现在不锈钢/铌界面形成共晶反应物,且不不锈钢与Nb焊接界面未出现焊接不牢靠和虚焊情况,不锈钢与Nb实现了有效结合。
由上述对比例1-5可以看出,将铜和钛两种热传导性能相差极大的金属材料进行焊接,当两者直接焊接时,存在接头直接断裂的现象,加入热传导性能高的中间焊料时,激光焊接中心的位置选择不合适情况下,存在焊料与热传导性能高的材料界面温度过低,焊接界面不牢固,易产生虚焊甚至无法焊接,而对于热传导性能相差不大的异种金属进行焊接时,则不存在上述问题。
Claims (4)
1.一种钛铜异质金属接头焊接方法,其特征在于:在钛材料与铜材料间加入中间层焊料,中间层焊料与钛材料结合界面为界面1,中间层焊料与铜材料结合界面为界面2,焊接热源焦点位于中间层焊料,焊接过程中保证焊接热源产生的热量传导到界面1时,其产生的温度高于钛的熔点,热量传导到界面2时,其产生的温度高于中间层焊料与铜的共晶温度,且界面1与界面2之间存在未熔化焊料层,所述中间层焊料是一种与熔化的钛材料和/或铜材料不产生金属间化合物的金属材料;
所述中间层焊料为Nb金属;
具体地,所述焊接方法包括如下步骤:
a中间层焊料的确定:在钛材料与铜材料接触界面间加入Nb作为中间层焊料,保证界面1与界面2均不留间隙,Nb中间层焊料厚度为0.8-1.0mm;
b热源位置确定:采用激光焊接方式,激光热源中心置于Nb中间层焊料上,到界面1的距离为0.4-0.6mm;
c热输出控制:控制激光热源中心输出的热量,使Nb中间层焊料靠近界面1和界面2的部分熔化,热量传导到界面1时,其产生的温度高于钛熔点,热量传导到界面2时,其产生的温度高于Nb-Cu共晶点温度,最终同时在界面1和界面2形成熔钎焊焊缝;
所述激光焊接中参数控制为:激光峰值功率1.5-1.7kW,脉冲宽度12-18ms,脉冲频率40-50Hz,焊接速度200-400mm/min,离焦量0-1mm,保护气体流量为正面12-18L/min,背面10-15L/min。
2.根据权利要求1所述钛铜异质金属接头焊接方法,其特征在于:所述Nb中间层焊料为纯Nb焊丝。
3.根据权利要求1所述钛铜异质金属接头焊接方法,其特征在于:在进行c热输出控制步骤时,对熔化区及热影响区进行惰性气体保护。
4.根据权利要求1所述钛铜异质金属接头焊接方法,其特征在于:所述钛材料为纯钛或钛合金,所述铜材料为纯铜或铜合金。
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