CN108436269A - 一种高温强度优良的钢-铌连接方法 - Google Patents

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石铭霄
刘大双
施超
陈书锦
李惠
周方明
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Abstract

一种高温强度优良的钢‑铌连接方法，用于解决现有钢‑铌焊接方法接头高温强度低，无法应用于高温环境的问题。首先将中间层预置于钢板与铌板之间，组成待焊件；然后采用双道焊工艺进行焊接：第一道激光束作用于钢‑铜对接面处；第二道激光束作用于铌‑铜对接面处；第一次焊接与第二次焊接时间间隔为0.5～2min，其中，所述中间层为铜或铝白铜。利用本发明的方法焊后高温拉伸试验显示断裂发生于铌母材处，表明焊缝的高温强度高于铌母材的高温强度。本发明适用于在高温环境中工作的钢‑铌复合构件的制造。

Description

一种高温强度优良的钢-铌连接方法
技术领域
本发明属于异种金属焊接领域，具体涉及一种钢-铌激光焊缝第二相强化的实现方法。本申请要求申请人于2017年5月4日申请的中国专利《一种高强度钢-铌连接方法》的优先权，申请号为2017103109885，并将其全文引入到本专利中。
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。但是由于钢和铌的热物理性能和冶金性能差异极大，导致钢-铌焊接接头强度，特别是高温强度极低，甚至在焊后即产生裂纹。因此获得高温强度优良的钢-铌焊接接头是促进钢-铌复合焊接结构在航空航天工业中推广应用的关键工艺环节。目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。
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，通过预置铝白铜中间层对焊缝组织进行冶金调控，从过饱和固溶体中沉淀析出弥散的强化相，从而显著提高接头的热强性，获得高温强度优良的钢-铌激光焊接接头，促进钢-铌复合焊接结构在航空航天工业中的推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有钢-铌焊接接头高温强度低的问题，提供一种高温强度优良的钢-铌连接方法。
当不锈钢板与铌板的厚度为2mm，铜片的厚度为1.5mm时，本发明的目的是通过下述步骤实现的：
(1)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；
(2)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；
(3)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。然后采用双道焊工艺进行焊接：第一道激光束作用于钢-铜对接面处；第二道激光束作用于铌-铜对接面处；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0.5～2min；经过上述步骤即实现了钢-铌焊缝的第二相强化，获得了高温强度优良的钢-铌焊接接头。
附图说明
图1是待焊件示意图；
图2是激光束作用位置示意图；
图3是实施方式一的焊接接头断裂位置；
图4是实施方式二的焊接接头断裂位置；
图5是实施方式三的焊接接头断裂位置；
图6是实施方式四的焊接接头断裂位置；
图7是实施方式五的焊接接头断裂位置；
图8是实施方式六的焊接接头断裂位置；
图1和图2中1表示不锈钢，2表示铌，3表示铜；图2中4表示第一道激光束，5表示第二道激光束。
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。
具体实施方式一：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，尺寸为50mm×2mm×1.5mm；
(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。然后采用双道焊工艺进行焊接：第一道焊接的参数为：激光功率P＝2kW，焊接速度v＝1.8m/min，离焦量△f＝0；第二道焊接的参数为：激光功率P＝2kW，焊接速度v＝1.8m/min，离焦量△f＝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1.5min。经过上述步骤即完成了钢-铌焊缝的完全固溶体化，获得了高强度的焊接接头。
本实施方式接头断裂位置如图3所示。从图3可以看出，断裂发生于铌母材处，表明焊缝强度高于铌母材强度，本实施方式焊缝金属是由固溶体组成。接头断裂强度为275MPa。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，第一道焊接的焊接速度v＝1.5m/min。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式焊接接头断裂位置如图4所示。从图4可以看出，断裂发生于铌母材处，表明焊缝强度高于铌母材强度，本实施方式焊缝金属是由固溶体组成。接头断裂强度为265MPa。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，铜中间层使用的是锡青铜。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式焊接接头断裂位置如图5所示。从图5可以看出，断裂发生于铌母材处，表明焊缝强度高于铌母材强度，本实施方式焊缝金属是由固溶体组成。接头断裂强度为275MPa。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，铌母材使用的是纯铌板。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式接头断裂位置如图6所示。从图6可以看出，断裂发生于铌母材处，表明焊缝强度高于铌母材强度，本实施方式焊缝金属是由固溶体组成。接头断裂强度为260MPa。
具体实施方式五：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。中间层为铝白铜，尺寸为50mm×2mm×1.5mm；
(2)将不锈钢板与铌板、铝白铜片先用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。然后采用双道焊工艺进行焊接：第一道焊接的参数为：激光功率P＝2kW，焊接速度v＝1.8m/min，离焦量△f＝0；第二道焊接的参数为：激光功率P＝2kW，焊接速度v＝1.8m/min，离焦量△f＝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1.5min。经过上述步骤即完成了钢-铌焊缝的第二相强化，获得了高温强度优良的焊接接头。
本实施方式高温拉伸试验(试验温度450℃)接头断裂位置如图7所示。从图7可以看出，断裂发生于铌母材处，表明焊缝高温强度高于铌母材高温强度，本实施方式焊缝金属是由固溶体和其上弥散分布的强化相组成。接头断裂强度为275MPa。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，第一道焊接的焊接速度v＝1.6m/min。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式高温拉伸试验(试验温度450℃)接头断裂位置如图8所示。从图8可以看出，断裂发生于铌母材处，表明焊缝高温强度高于铌母材高温强度，本实施方式焊缝金属是由固溶体和其上弥散分布的强化相组成。接头断裂强度为265MPa。本发明通过铝白铜中的合金元素镍与铝形成在高温下极为稳定的强化相Ni3Al，使之弥散分布于铜基体上，显著提高接头的高温强度。焊后高温拉伸试验显示断裂发生于铌母材处，表明焊缝的高温强度高于铌母材的高温强度。本发明适用于在高温环境中工作的钢-铌复合构件的制造。
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。

Claims (5)

1.一种高温强度优良的钢-铌连接方法，其特征在于，所述的高温强度优良的钢-铌激光焊接方法是通过下述步骤实现的：
(1)将中间层预置于钢板与铌板之间，即得到由不锈钢—中间层—铌组成的待焊件；
(2)将待焊件在两端夹紧固定，使钢-中间层、中间层-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，然后进行焊接；焊接主保护气为氩气，保护气流量为10L/min～13L/min，背保护气为氩气，保护气流量为8L/min～10L/min。
2.根据权利要求1所述的一种高温强度优良的钢-铌连接方法，其特征在于,步骤(1)所述的中间层为铜，铜片的厚度为1.5mm，不锈钢与铌母材的厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种高温强度优良的钢-铌连接方法，其特征在于,步骤(1)所述的中间层为铝白铜，铜片的厚度为1.5mm，不锈钢与铌母材的厚度为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种高温强度优良的钢-铌连接方法，其特征在于,步骤(2)所述的焊接工艺为双道焊工艺：第一道激光束作用于钢-铜对接面处；第二道激光束作用于铌-铜对接面处。
5.根据权利要求4所述的一种高温强度优良的钢-铌连接方法，其特征在于，第一道焊接的参数为：激光功率P＝2kW，焊接速度v＝1.2m/min～1.8m/min，离焦量△f＝0；第二道焊接的参数为：激光功率P＝2kW，焊接速度v＝1.5m/min～1.8m/min，离焦量△f＝0。
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