一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法

摘要

本发明公开了一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，包括以下步骤：焊接面处理：将需焊接的两焊接件焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面；酸洗：在耐酸腐蚀容器中用HF、HNO3和H2O或HF、H2SO4、HNO3和H2O 配制酸溶液，常温下将两焊接件再分别投入酸溶液中进行酸洗；焊接：用中高压真空电子束焊机，先对两焊接件的一面进行焊接，焊缝深度为板材厚度的1/2～3/4；焊缝凝固后，同样焊接条件下，对两焊接件的另一面进行焊接，焊缝深度为板材厚度的1/4～3/4。本发明工序步骤简单、操作简便，焊缝质量高且焊接板平直度好，能解决厚板材焊接中存在的板材大幅度翘曲变形问题。

权利要求

1.一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)焊接面处理：采用常规机械加工方式，将需焊接的焊接件即铌合金厚板与钛合金厚板的焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm，且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面；所述铌合金厚板与钛合金厚板的板材厚度为4mm～7.4mm；

(b)酸洗：首先，在耐酸腐蚀容器中配制酸洗用的酸溶液；常温下，将步骤(a)中经处理后的焊接件分别投入酸溶液中进行酸洗，其酸洗反应时间为5分钟-20分钟；酸洗后，再用水清洗并晾干；

对铌合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为2∶5∶4或1∶5∶10的比例混合配制而成；对钛合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为

1∶6∶8或1∶5∶10的比例混合配制而成；

(c)焊接：采用中高压真空电子束焊机，按常规焊接方法，先对两焊接件的一面进行焊-2 -3接，焊接时，炉室的真空度≤5.0×10 Pa，枪室的真空度≤9.0×10 Pa，焊接位置偏向铌合金厚板一边且距离铌合金厚板的焊接面0.15mm～0.25mm处，焊接电压为56KV～60KV，电子束束流为20mA～25mA，焊接件的移动速度为550～650mm/min，焊缝深度为板材厚度的

1/2～3/4；焊缝凝固后，在同样的焊接条件下，对两焊接件的另一面进行焊接，所述焊缝深度为板材厚度的1/4～3/4。

2.按照权利要求1所述的一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤(c)中所述的两焊接件通过夹具夹紧固定在所述焊机的焊接板上，夹紧固定时，要将两焊接件的焊接面对齐且贴紧固定；所述夹具由相配合的两个上夹具(1)和一个下夹具(2)组成；步骤(c)中所述的焊缝凝固后，将两焊接件翻转并重新固定在所述焊机的焊接板上，对两焊接件的另一面进行焊接。

3.按照权利要求2所述的一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于：所述下夹具(2)的夹持面中部开有一个宽为6-10mm的直线型凹槽(3)，两个上夹具(1)的形状、结构均相同。

4.按照权利要求2所述的一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于：所述上夹具(1)和下夹具(2)上均开有多个螺栓安装孔(4)，上夹具(1)和下夹具(2)通过多个螺栓将两焊接件夹紧固定在所述焊机的焊接板上。

5.按照权利要求4所述的一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于：所述上夹具(1)的前后两端开有两个螺栓安装孔(4)，下夹具(2)的直线型凹槽(3)两侧对应各开有两个螺栓安装孔(4)，前后两个螺栓安装孔(4)间的间距≥焊接件的长度。

6.按照权利要求1或2所述的一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于：步骤(a)中所述的对焊接面进行处理时，先用铣床将其加工成新鲜表面，再用砂纸对所得到的新鲜表面进行打磨。

7.按照权利要求6所述的一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于：所述砂纸为400号砂纸。

说明书

一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空航天工业技术领域，特别是涉及一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法。

背景技术

[0002] 现如今，随着航空航天及工业技术的发展，要求不断提高飞行器的入口温度，并要求不断飞行器的减小重量。因此，单纯采用铌合金或钛合金均无法满足要求。铌合金3
(C-103、Nb521)的使用温度高(≥1400℃)，但比重大(≥8.8g/cm)且价格高；钛合金
3
(TC4、Ti533115、7715D)比重小(约4.5g/cm)、价格低，但使用温度低(≤650℃)。若将二者结合使用则可得到较好的使用效果，即结合利用铌合金在高温区能承受高温和钛合金用在低温区能减重的性能。但是，该方案的实现有赖于以下问题的解决：铌合金与钛合金的熔点相差大，其熔点相差约800℃，热导率也相差较大，铌的热导率为0.036卡/cm·秒·℃，而钛的热导率为0.125卡/cm·秒·℃，则焊接时容易出现铌合金未熔化，而钛合金已经熔化流掉的情况。目前，对于厚度在4mm以下的铌合金与钛合金板材的焊接，采用将焊缝区放在偏向铌合金一边的方法进行焊接。但是，对于厚度更大的铌合金与钛合金板材的焊接问题还未能解决。当对厚板材进行焊接时，由于电子束焊接零件的熔深过大，往往会出现由于热应力过大而使板材大幅度翘曲变形问题，最终造成所焊接板材的平直度不能满足要求。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其工序步骤简单、操作简便，焊缝质量高且焊接板平直度好，能解决厚板材焊接中所存在的板材大幅度翘曲变形问题。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

[0005] (a)焊接面处理：采用常规机械加工方式，将需焊接的焊接件即铌合金厚板与钛合金厚板的焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm，且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面；

[0006] (b)酸洗：酸洗：首先，在耐酸腐蚀容器中配制酸洗用的酸溶液；常温下，将步骤(a)中经处理后的焊接件分别投入酸溶液中进行酸洗，其酸洗反应时间为5-20分钟；酸洗后，再用水清洗并晾干；

[0007] 所述酸溶液由工业氢 氟酸HF、工业硝酸HNO3和水H2O按体积比 为2∶2.5-6∶2-10的比例混合配制而成，或者由工业氢氟酸HF、工业硫酸H2SO4、工业硝酸HNO3和水H2O按体积比为2∶3-5∶3-6∶6-10的比例混合配制而成，该酸溶液用于对铌合金厚板进行酸洗；所述酸溶液由工业氢氟酸HF、工业硝酸HNO3和水H2O按体积比为
1∶4-8∶5-10的比例混合配制而成，该酸溶液用于对钛合金厚板进行酸洗；

[0008] (c)焊接：采用中高压真空电子束焊机，按常规焊接方法，先对两焊接件的一面进-2 -3行焊接，焊接时，炉室的真空度≤5.0×10 Pa，枪室的真空度≤9.0×10 Pa，焊接位置为距离铌合金厚板的焊接面0.15～0.25mm处，焊接电压为56～60KV，电子束束流为20～
200mA，焊接件的移动速度为550～650mm/min，焊缝深度为板材厚度的1/2～3/4；焊缝凝固后，在同样的焊接条件下，对两焊接件的另一面进行焊接，所述焊缝深度为板材厚度的
1/4～3/4。

[0009] 所述铌合金厚板与钛合金厚板的板材厚度为4～20mm。

[0010] 步骤(c)中所述的两焊接件通过夹具夹紧固定在所述焊机的焊接板上，夹紧固定时，要将两焊接件的焊接面对齐且贴紧固定；所述夹具由相配合的两个上夹具1和一个下夹具2组成；步骤(c)中所述的焊缝凝固后，将两焊接件翻转并重新固定在所述焊机的焊接板上，对两焊接件的另一面进行焊接。

[0011] 所述下夹具的夹持面中部开有一个宽为6-10mm的直线型凹槽，两个上夹具的形状、结构均相同。

[0012] 所述上夹具和下夹具上均开有多个螺栓安装孔，上夹具和下夹具通过多个螺栓将两焊接件夹紧固定在所述焊机的焊接板上。

[0013] 所述上夹具的前后两端开有两个螺栓安装孔，下夹具的直线型凹槽两侧对应各开有两个螺栓安装孔，前后两个螺栓安装孔间的间距≥焊接件的长度。

[0014] 步骤(b)中所述的对铌合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为2∶5∶4或1∶5∶10的比例混合配制而成。

[0015] 步骤(b)中所述的对钛合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为1∶6∶8或1∶5∶20的比例混合配制而成。

[0016] 步骤(a)中所述的对焊接面进行处理时，先用铣床将其加工成新鲜表面，再用砂纸对所得到的新鲜表面进行打磨。

[0017] 所述砂纸为400号砂纸。

[0018] 本发明与现有技术相比具有以下优点：1、工序步骤简单、操作简便，焊接工装简单且拆卸方便；2、采用本焊接方法，双面焊接焊缝熔透性好，能够将厚度在4～20mm之间的铌合金与钛合金板材牢固焊接且焊缝平整、牢固且无气孔，焊缝质量达到国家一级标准；3、焊缝质量高且焊接板平直度好，能有效解决铌合金与钛合金厚板材焊接中所存在的板材大幅度翘曲变形问题，结合利用铌合金在高温区能承受高温和钛合金用在低温区能减重的性能，在提高飞行器的入口温度的同时，也能相应减轻飞行器的重量，使用效果相当好，使得飞行器的设计与制造技术取得更进一步的发展。

[0019] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0020] 图1为本发明所用上夹具的结构示意图。

[0021] 图2为图1沿A-A面剖视的结构示意图。

[0022] 图3为本发明所用下夹具的结构示意图。

[0023] 图4为图3沿B-B面剖视的结构示意图。

[0024] 附图标记说明：

[0025] 1-上夹具；2-下夹具；3-直线型凹槽；4-螺栓安装孔。

具体实施方式

[0026] 第一优选实施方式

[0027] 本发明一种铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法包括以下步骤：

[0028] 第一步、焊接面处理：采用常规机械加工方式，将需焊接的焊接件即铌合金厚板与钛合金厚板的焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm，且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面，所述铌合金厚板与钛合金厚板的板材厚度为4～20mm。本具体实施例中，将厚度为6mm、长度为250mm的Nb521合金与TC4合金进行对焊。首先，将需焊接的两焊接件即Nb521铌合金板材与TC4钛合金板材的焊接面，用铣床加工成新鲜表面，并且保证该表面与其它相邻各表面相垂直；之后，再用400号砂纸打磨焊接表面，最终将两焊接件的焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面。

[0029] 第二步、酸洗：首先，在耐酸腐蚀容器中配制酸洗用的酸溶液；之后，常温下，将第一步中经处理后的焊接件分别投入酸溶液中进行酸洗，其酸洗反应时间为5-20分钟；酸洗后，用水清洗并晾干即可。其中，对铌合金厚板进行酸洗的酸溶液，由工业氢氟酸HF、工业硝酸HNO3和水H2O按体积比为2∶2.5-6∶2-10的比例混合配制而成，或者由工业氢氟酸HF、工业硫酸H2SO4、工业硝酸HNO3和水H2O按体积比为2∶3-5∶3-6∶6-10的比例混合配制而成；而对钛合金厚板进行酸洗的酸溶液，由工业氢氟酸HF、工业硝酸HNO3和水H2O按体积比为1∶4-8∶5-10的比例混合配制而成。本具体实施例中，对Nb521铌合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为2∶5∶4的比例混合配制而成；而对TC4钛合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为1∶6∶8的比例混合配制而成。配制好酸溶液之后，将第一步中处理好的两焊接件分别投入各自对应的酸溶液中进行酸洗，其酸洗反应时间为8分钟且均在常温下进行；酸洗后，用清水冲洗干净、晾干即可。

[0030] 第三步、焊接：采用中高压真空电子束焊机，按常规焊接方法，先对两焊接件的一面进行焊接，首先通过夹具将两焊接件夹紧固定在焊机的焊接板上，焊接时，炉室的真空度-2 -3≤5.0×10 Pa，枪室的真空度≤9.0×10 Pa，焊接位置为距离铌合金厚板的焊接面0.15～
0.25mm处，焊接电压为56～60KV，电子束束流为20～200mA，焊接件的移动速度为550～
650mm/min，焊缝深度为板材厚度的1/2～3/4；焊缝凝固后，将两焊接件翻转并重新固定在焊机焊接板上，在同样的焊接条件下，对两焊接件的另一面进行焊接，所述焊缝深度为板材厚度的1/4～3/4。

[0031] 本具体实施例中，采用中高压真空电子束焊机焊接之前，先将两焊接件通过夹具夹紧固定在焊机的焊接板上，夹紧固定时，要将两焊接件的焊接面对齐且贴紧固定。结合图1、图2、图3及图4，其夹具由相配合的两个形状、结构均相同的上夹具1和一个下夹具2组成，并且上夹具1和下夹具2均为长方形的夹板。其中，下夹具2的夹持面中部开有一个宽为6-10mm的直线型凹槽3，其直线型凹槽3的上半部分宽度为10mm，下半部分宽度为6mm。
夹紧固定之前，先将两焊接件放在下夹具2上并使两焊接件的焊接面对齐，并且两焊接件的上表面位于同一水平线上；之后，再用上夹具1压住固定。固定时，两个上夹具1间存在一定的间隙，两焊接件的焊接面结合处位于此间隙之间，以确保两个上夹具1不会影响焊接的进行。实践中，下夹具2上也可不设置直线型凹槽3。而上夹具1的前后两端开有两个螺栓安装孔4，下夹具2的直线型凹槽3两侧对应各开有两个螺栓安装孔4，前后两个螺栓安装孔4间的间距≥焊接件的长度，上夹具1和下夹具2通过四个螺栓将两焊接件夹紧固定在焊机的焊接板上。

[0032] 夹紧固定好之后，将装有两焊接件的夹具放入ZD60-15C CV6M型中高压真空电子-2 -5束焊机中，封好焊机门并抽空。当炉室真空为2.7×10 Pa，枪室真空为1.3×10 Pa时，开始焊接，焊接位置为距离Nb521铌合金厚板的焊接面0.15mm处，即焊接时，其焊接位置偏向Nb521铌合金板材一边。焊接电压为60KV，电子束束流为23mA，焊接件的移动速度为600mm/min，焊缝深度为板材厚度的4mm；焊缝凝固后，将两焊接件翻转并重新固定在焊机焊接板上，在同样的焊接条件下，用同样方法对两焊接件的另一面进行焊接，所述焊缝深度为4mm，其焊接后的焊缝平整、牢固且无气孔。

[0033] 第二优选实施方式

[0034] 本实施例中所述的铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法的工艺步骤与第一优选实施方式大体相同。只是，将厚度为7.4mm、长度为300mm的Nb521合金与TC4合金进行对焊。同样，首先采用相同的方法对两焊接件的焊接面进行处理，最终将将两焊接件的焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面；之后，配制酸溶液进行酸洗，不同的是，对Nb521铌合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为1∶5∶10的比例混合配制而成；而对TC4钛合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为1∶5∶10的比例混合配制而成。其酸洗反应时间为10分钟，之后，用清水冲洗干净、晾干即可。

[0035] 酸洗之后，同样采用相同焊接工艺对两焊接件进行对焊，首先，用与第一优选实施方式相同的夹具及固定方式，将两焊接件夹紧固定在焊机的焊接板上，之后，将装有板材的工装放入ZD60-15C CV6M型中高压真空电子束焊机中，封好焊机门并抽空。当炉室真空为-2 -52.5×10 Pa，枪室真空为1.5×10 Pa时，开始焊接，其焊接位置为为距离Nb521铌合金厚板的焊接面0.19mm处，即焊接时，其焊接位置偏向Nb521铌合金板材一边。其焊接电压为
60KV，电子束束流为25mA，焊接件的移动速度为590mm/min，焊缝深度为4.9mm。焊缝凝固后，将两焊接件翻转并重新固定在焊机焊接板上，在同样的焊接条件下，用同样方法对两焊接件的另一面进行焊接，其焊缝深度为4.9mm。

[0036] 焊接完成后，对两焊接件焊缝的室温拉伸性能进行两次测试，测试时焊缝位于拉伸样中部，其两次测试结果参见表1，两焊接板材焊缝处的探伤结果表明焊缝达到了国家标准一级焊缝的要求。

[0037] 表1

[0038]编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％) 断面收缩率(％)
1 595 475 21 62
2 595 490 19 64

[0039] 第三优选实施方式

[0040] 本实施例中所述的铌合金与钛合金厚板的电子束焊接方法的工艺步骤与第一优选实施方式大体相同。只是，将厚度为7.0mm、长度为70mm的C103合金与Ti533115合金进行对焊。同样，首先采用相同的方法对两焊接件的焊接面进行处理，最终将将两焊接件的焊接面均处理成粗糙度Ra≤1.6μm且与所在板材相邻各面相垂直的光滑面；之后，配制酸溶液进行酸洗，不同的是，对C103铌合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为1∶5∶10的比例混合配制而成；而对Ti533115钛合金厚板进行酸洗的酸溶液，由HF、HNO3和H2O按体积比为1∶5∶10的比例混合配制而成。其酸洗反应时间为15分钟，之后，用清水冲洗干净、晾干即可。

[0041] 酸洗之后，同样采用相同焊接工艺对两焊接件进行对焊，首先，用与第一优选实施方式相同的夹具及固定方式，将两焊接件夹紧固定在焊机的焊接板上，之后，将装有板材的工装放入ZD60-15C CV6M型中高压真空电子束焊机中，封好焊机门并抽空。当炉室真空为-2 -52.8×10 Pa，枪室真空为1.3×10 Pa时，开始焊接，其焊接位置为为距离C103铌合金厚板的焊接面0.18mm处，即焊接时，其焊接位置偏向C103铌合金板材一边。其焊接电压为60KV，电子束束流为23mA，焊接件的移动速度为600mm/min，焊缝深度为4.7mm。焊缝凝固后，将两焊接件翻转并重新固定在焊机焊接板上，在同样的焊接条件下，用同样方法对两焊接件的另一面进行焊接，其焊缝深度为4.7mm。

[0042] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。