一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法技术

本发明专利技术属于材料熔化焊接领域，特别是一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法。采用电子束为热源，在因瓦合金和铝合金之间添加中间层，通过两步对接焊接方法，先进行中间层与因瓦合金的电子束焊接，再进行中间层与铝合金的电子束焊接，所述中间层的材料为不与因瓦合金反应生成金属间化合物且线膨胀系数介于因瓦合金与铝合金之间的材料。本申请添加钢、铜等不与因瓦合金生成脆性金属间化合物的中间层，可降低因瓦合金与铝接头冶金反应的复杂性，将三元或多元冶金反应变为二元冶金反应，进化了冶金调控的难度。

An Electron Beam Welding Method for Invar Alloy and Aluminum Alloy Dissimilar Metals

【技术实现步骤摘要】
一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法
本专利技术属于材料熔化焊接领域，特别是一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法。
技术介绍
因瓦合金为含Ni为35.4％的铁基合金，在-80℃到230℃之间线膨胀系数稳定，塑性、韧性、冲击韧性、断面收缩率和延伸率均很高，还具有耐腐蚀性强的特点，是精密仪器设备不可或缺的结构材料，被广泛应用于航空航天、原子能、电子、现代武器装备及医疗器械等领域的仪器制备中。而铝合金具有密度低、导热、导电性好、成本低的优点，成为当前应用最广泛的轻合金。若通过焊接形成因瓦合金与铝合金的双金属复合结构，充分发挥二者性能优势，具有重要意义。但由于因瓦合金与铝合金线膨胀系数及化学性质差异大，焊后接头易形成较高的残余应力及大量的金属间化合物，是常规的熔化焊方法、熔钎焊方法很难获得高质量接头，焊后接头内部及表面产生大量裂纹，降低了接头力学性能。因此，降低因瓦合金与铝合金线膨胀系数及化学性质的不匹配，改善接头冶金反应及应力状态是提升因瓦合金与铝合金焊接接头力学性能的关键，可推动因瓦合金与铝合金焊接接头在工业领域中的应用。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种添加中间层的因瓦合金和铝合金电子束焊接方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法，采用电子束为热源，在因瓦合金和铝合金之间添加中间层，通过两步对接焊接方法，先进行中间层与因瓦合金的电子束焊接，再进行中间层与铝合金的电子束焊接，所述中间层的材料为不与因瓦合金反应生成金属间化合物且线膨胀系数介于因瓦合金与铝合金之间的材料。进一步的，所述因瓦合金和中间层的厚度相同，所述铝合金的厚度大于因瓦合金的厚度0.5-2mm；所述因瓦合金和中间层的厚度为1mm-10mm，所述铝合金厚度为3-12mm。进一步的，所述中间层的材料为低合金钢、低碳钢、不锈钢或铜。上述的方法具体包括如下步骤：步骤1：材料制备；步骤2：因瓦合金与中间层焊接；步骤3：切割中间层；步骤4：中间层与铝合金焊接。进一步的，所述步骤1具体为：采用线切割因瓦合金母材、中间层及铝合金母材，并将铝合金母材、中间层、因瓦合金母材采用200号水砂纸对母材及中间层打磨，再用超声清洗打磨后的中间层与母材，放置于干燥室中干燥。进一步的，所述步骤2包括如下步骤：步骤2-1：使用夹具将因瓦合金和中间层对接加紧，中间不留缝隙，并放入真空室；步骤2-2：将真空室内真空抽至2×10-4mbar以下时，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接；步骤2-3：采用电子束对中焊接，表面聚焦后，调整束流、焊接速度参数，使对接接头完全熔透，形成因瓦合金与中间层的焊接，中间层厚度为5mm-10mm。进一步的，所述步骤3具体为：采用线切割将焊后的因瓦合金与中间层接头的中间层侧切至0.5mm-10mm；切割完毕后采用200号砂纸打磨，采用丙酮清洗油污后放入干燥室中干燥。进一步的，所述步骤4具体包括：步骤4-1：将带有不同中间层厚度的因瓦合金与铝合金对接加紧，中间不留缝隙，并放入真空室；步骤4-2：将真空室内真空抽至2×10-4mbar时，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接；步骤4-3：采用电子束偏束焊接，调整聚焦电流、束流、焊接速度、扫描速度等参数，使铝合金熔化并向中间层及因瓦合金侧铺展，形成因瓦合金与铝合金的焊接。进一步的，步骤2-2和步骤4-2中的点固焊接采用表面聚焦，点固束流为1-2mA，点固位置间隔为3-10mm。进一步的，步骤2-3中对中焊接中电子束流垂直作用于中间层中心线，加速电压30-60kV，表面聚焦，焊接速度为300-600mm/min，电子束流为3-20mA；步骤4-3中焊接时加速电压30-60kV，焦点位于构件铝合金侧上表面之上3-10mm，电子束流垂直作用于中间层中心线向铝合金侧偏移0.5-10mm，焊接速度为300-600mm/min，电子束流4-18mA，电子束扫描频率50-1000Hz，扫描幅值2-5mm；步骤2-3和步骤4-3中的扫描波形为锯齿波，圆形波，或三角波。本专利技术与现有技术相比，其显著优点如下：(1)本申请添加钢、铜等不与因瓦合金生成脆性金属间化合物的中间层，可降低因瓦合金与铝接头冶金反应的复杂性，将三元或多元冶金反应变为二元冶金反应，进化了冶金调控的难度。(2)本申请通过添加线膨胀系数介于因瓦合金和铝合金之间的中间层，减小了接头线膨胀系数的不匹配性，缓解了接头残余应力。(3)抑制了因瓦合金和铝合金熔化焊接头焊后开裂的现象，解决了因瓦合金和铝合金冶金不相容、物理性质不匹配的难题。(4)本申请的因瓦合金和铝合金焊接接头完整，表面无裂纹缺陷。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1添加中间层的因瓦合金与铝合金焊接接头形成原理示意图。图2添加中间层的2mm厚因瓦合金与铝合金焊接接头外观形貌。图3添加中间层的3mm厚因瓦合金与铝合金焊接接头外观形貌。附图标记说明：1-因瓦合金，2-铝合金，3-中间层。具体实施方式本专利技术提供一种通过添加中间层耦合电子束能量输入降低接头线膨胀系数差异、调控接头冶金行为、提升接头力学性能的因瓦合金和铝合金电子束焊接方法。一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法，采用电子束为热源，在因瓦合金和铝合金之间添加低合金、低碳钢、不锈钢或铜等金属作为中间层，通过两步对接焊接方法，先进行中间层与因瓦合金的电子束焊接，再进行中间层与铝合金的电子束焊接，进而实现对因瓦合金与铝合金的高质量、高效率焊接。所述的因瓦合金厚度为1mm-10mm，所述的铝合金为3-12mm，即对接时，铝合金较因瓦合金厚2mm(0.5-2)，使得焊接过程中铝合金向中间层处铺展，增加有效结合面积，提升接头承载能力。本专利技术所述的中间层为低合金钢、低碳钢、不锈钢、铜等不与因瓦合金反应生成金属间化合物且线膨胀系数介于因瓦合金与铝合金之间的材料。一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法步骤具体为：第一步：采用线切割因瓦合金母材、中间层及铝合金母材，并将铝合金母材、中间层、因瓦合金母材打磨清洗，置于真空中干燥。第二步：使用夹具将因瓦合金和中间层对接加紧，中间不留缝隙，并放入真空室。将真空室内真空抽至2×10-4mbar以下(1-3)时，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接。第三步：采用第一道表面聚焦电子束对中焊接，表面聚焦后，调整束流、焊接速度，使对接接头完全熔透，形成因瓦合金与中间层的焊接，中间层宽度5mm-10mm。第四步：采用线切割将焊后的因瓦合金与中间层接头的中间层侧切宽度至0.5mm-10mm。切割完毕后采用200号砂纸打磨，采用丙酮清洗油污后放入干燥室中干燥。第五步：将带有不同中间层厚度的因瓦合金与铝合金对接加紧，中间不留缝隙，并放入真空室。将真空室内真空抽至2×10-4mbar时，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接。第六步：采用电子束偏束焊接，调整聚焦电流、束流、焊接速度、扫描速度等参数，使铝合金熔化并向中间层及因瓦合金侧铺展，形成因瓦合金与铝合金的焊接。第七步：焊接完成后在真空室中冷却后打开真空室，取出焊接构件。本专利技术所述的第一步中因瓦合金与中间层等厚，并较铝合金母材薄2mm。其特征还在于所述的第一步和第四步中可采用200号水砂纸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法，其特征在于，采用电子束为热源，在因瓦合金(1)和铝合金(2)之间添加中间层(3)，通过两步对接焊接方法，先进行中间层(3)与因瓦合金(1)的电子束焊接，再进行中间层(3)与铝合金(2)的电子束焊接，所述中间层(3)的材料为不与因瓦合金(1)反应生成金属间化合物且线膨胀系数介于因瓦合金(1)与铝合金(2)之间的材料。

【技术特征摘要】
1.一种因瓦合金与铝合金异种金属电子束焊接方法，其特征在于，采用电子束为热源，在因瓦合金(1)和铝合金(2)之间添加中间层(3)，通过两步对接焊接方法，先进行中间层(3)与因瓦合金(1)的电子束焊接，再进行中间层(3)与铝合金(2)的电子束焊接，所述中间层(3)的材料为不与因瓦合金(1)反应生成金属间化合物且线膨胀系数介于因瓦合金(1)与铝合金(2)之间的材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述因瓦合金(1)和中间层(3)的厚度相同，所述铝合金(2)的厚度大于因瓦合金(1)的厚度0.5-2mm；所述因瓦合金(1)和中间层(3)的厚度为1mm-10mm，所述铝合金厚度为3-12mm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间层(3)的材料为低合金钢、低碳钢、不锈钢或铜。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：材料制备；步骤2：因瓦合金与中间层焊接；步骤3：切割中间层；步骤4：中间层与铝合金焊接。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：采用线切割因瓦合金母材、中间层及铝合金母材，并将铝合金母材、中间层、因瓦合金母材采用200号水砂纸对母材及中间层打磨，再用超声清洗打磨后的中间层与母材，放置于干燥室中干燥。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：步骤2-1：使用夹具将因瓦合金和中间层对接加紧，中间不留缝隙，并放入真空室；步骤2-2：将真空室内真空抽至2×10-4mbar以下时，采用表面聚焦电子束作为热源，对中点固焊接；步骤2-3：采用电子束对中焊接，表面聚焦...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓鹏，陈海瑞，蒋晗，彭勇，杨东青，范霁康，王克鸿，周琦，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32