一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，本发明专利技术属于材料焊（连）接技术领域，方法步骤如下：（1）板材组对及夹紧；（2）陶瓷‑铜基钎料‑钛合金接触面预紧力调节；（3）激光束聚焦在钛合金板上1.5mm处施焊，实现钛合金‑陶瓷异种材料的连接该技术针对钛合金‑陶瓷异种材料焊接过程中产生的残余应力问题，采用激光作为焊接热源，以铜基钎料作为中间层材料，通过激光钎焊实现钎料在陶瓷表面的润湿并且产生连续的反应层，减少钛合金‑陶瓷焊接接头中残余应力的生成，改善接头的力学性能。采用激光单道焊，获得包含钛合金侧熔焊焊缝、未熔化的钛合金及钎焊焊缝的异种材料的高质量、高效率焊接接头。

A laser brazing method for dissimilar materials of titanium alloy and ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法
本专利技术涉及本专利技术涉及机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应堆、航空航天等方面的一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，属于材料焊（连）接
，具体是一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法。
技术介绍
作为一种先进结构陶瓷材料，陶瓷具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀性能优异、热稳定性和化学稳定性高的特点，在宇航、能源、机械和光学等方面有着重要应用。然而，陶瓷具有脆性大、延性小和加工性差等特性，在使用过程中容易发生断裂，并且大尺寸的复杂陶瓷构件制备困难，限制了陶瓷的工程应用。在实际工程中，为满足某些特殊需求，需要将陶瓷和金属材料组合使用，获得兼具陶瓷和金属优异性能的复合构件。钛及其合金由于其具有高强度、高韧性、低密度、耐高温和良好的耐腐蚀性等优点，已被广泛应用于各种工业领域。实现陶瓷与钛合金的可靠连接，既能发挥该陶瓷材料优异的抗腐蚀、耐高温及耐磨损等性能，又能充分利用钛合金材料密度小、韧性好、强度高的特性，具有重要的理论和实用价值。实现陶瓷与钛合金的有效连接难点主要在两者的物理与化学性质差异较大。物理性质差异具体表现为二者的弹性模量和线膨胀系数的不匹配，在焊接后会导致界面处存在较大的残余应力。而化学性质差异则主要为陶瓷的成键形式主要为共价键，钛合金为金属键。钎焊方法是通过添加钎料熔化来润湿并连接材料的方法，钎焊过程中母材不熔化，因此焊后变形较小，并且工艺简单、接头性能可靠，钎焊方法目前是金属与陶瓷材料最有效的连接方式之一。金属与陶瓷钎焊连接中，可以在钎料中添加活性元素以改善钎料对陶瓷连接界面的润湿能力，但因为金属和陶瓷在热膨胀系数、弹性模量等物理性质方面差异巨大，焊后会产生较大的残余应力，导致陶瓷/金属接头的强度过低。综上，实现陶瓷界面的冶金反应，降低接头中的残余应力是实现陶瓷与钛合金高性能连接的关键之处。钎焊可以解决熔化焊过程中所产生的问题，因为在钎焊过程中母材一直处于固态。如果在接头中保留未完全熔化的钛合金，可缓解两侧母材关于热膨胀系数的不匹配程度，降低焊后残余应力。以铜基钎料作为填充材料，通过激光钎焊来实现此种形式的钛合金-陶瓷的焊接。当激光聚焦在钛合金板上时，焊接接头中包含钛合金熔焊焊缝与钎焊焊缝及未熔化的钛合金。由于未熔化钛合金的存在，钎焊焊缝主要有熔化的铜基钎料组成，且两侧母材处于固相状态，因此钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法可以降低接头中的残余应力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，其方法步骤如下：S1：接头形式：接头形式为I形坡口对接，铜基钎料厚度为0.2mm，组焊装夹时保证陶瓷-铜基钎料-钛合金接触面存在一定的预紧力。S2：焊接工艺：采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率350～500W；激光偏移量1.0~1.5mm；离焦量0～+5mm；焊接速度500～600mm/min；保护气体流量10~20L/min；通过优化焊参数，防止接头出现孔洞、裂纹等缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。S3：焊接时，激光光斑聚焦在钛合金板上，部分熔化的钛合金形成熔化焊焊缝；在未熔化钛合金的热传导作用下，陶瓷-钎料-钛合金界面的温度达到了钎料的熔化温度820℃，最终熔化钎料，在陶瓷-钛合金界面形成了钎焊焊缝。S4：通过调整激光偏移量和焊接速度，在熔化焊焊缝与钎焊焊缝之间始终存在一定宽度的未熔化的钛合金，其作用是调节和释放接头处的热应力，缓解两侧母材关于热膨胀系数的不匹配程度，降低接头的焊后残余应力，焊接结束后，得到了由未熔化钛合金分隔开来的钛合金熔焊焊缝和钎焊焊缝的混合接头。S5：通过控制激光偏移量和激光功率，从而改变陶瓷-钛合金界面的热输入，改善其微观组织，降低在钎焊焊缝中产生的残余应力，从而降低接头的脆性。作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤S3中，开始焊接时，激光光斑照射在钛合金板上，通过调整激光偏移量和激光功率，避免钛合金完全熔化，同时又能将足够的热量传导到钎焊界面促进钎料的熔化。作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤S4中，焊接接头包含钛合金熔化焊缝与钎焊焊缝及未熔化的钛合金；未熔化的钛合金作用是调节和释放接头处的热应力，缓解两侧母材关于热膨胀系数的不匹配程度，降低接头的焊后残余应力。作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤S5中，对于激光偏移量和激光功率的控制，确保在钛合金没有完全熔化的前提下，钎焊界面能够获得足够的热量，使钎料熔化形成钎焊焊缝。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：该技术针对钛合金-陶瓷异种材料焊接过程中产生的残余应力问题，采用激光作为焊接热源，以铜基钎料作为中间层材料，通过激光钎焊实现钎料在陶瓷表面的润湿并且产生连续的反应层，减少钛合金-陶瓷焊接接头中残余应力的生成，改善接头的力学性能。采用激光单道焊，获得包含钛合金侧熔焊焊缝、未熔化的钛合金及钎焊焊缝的异种材料的高质量、高效率焊接接头。附图说明图1为钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法的钛合金-陶瓷激光钎焊示意图。图2为钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法中钛合金-陶瓷接头宏观形貌，（a）为钛合金-陶瓷接头横截面，（b）为腐蚀前的钎焊界面。图3为钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法中激光钎焊接头形成的物理模型。图4为钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法中钛合金-陶瓷接头微观组织，（a）为钛合金焊缝低倍照片，（b）为钎焊焊缝低倍照片，（c）为钎焊焊缝左侧高倍照片，（d）为钎焊焊缝右侧高倍照片。图5为钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法中拉伸试验结果，（a）为应力应变曲线，（b）为断裂位置。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1～5，本专利技术实施例如下：实施例一一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，其方法步骤如下：S1：接头形式：接头形式为I形坡口对接，铜基钎料厚度为0.2mm，组焊装夹时保证陶瓷-铜基钎料-钛合金接触面存在一定的预紧力。S2：焊接工艺：采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率为350W；激光偏移量为1.0mm；离焦量为1mm；焊接速度为500mm/min；保护气体流量为10L/min；通过优化焊参数，防止接头出现孔洞、裂纹等缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。S3：焊接时，激光光斑聚焦在钛合金板上，部分熔化的钛合金形成熔化焊焊缝；在未熔化钛合金的热传导作用下，陶瓷-钎料-钛合金界面的温度达到了钎料的熔化温度820℃，最终熔化钎料，在陶瓷-钛合金界面形成了钎焊焊缝。S4：通过调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，其特征在于：其方法步骤如下：/nS1：接头形式：接头形式为I形坡口对接，铜基钎料厚度为0.2mm，组焊装夹时保证陶瓷-铜基钎料-钛合金接触面存在一定的预紧力；/nS2：焊接工艺：采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率350～500W；激光偏移量1.0~1.5mm；离焦量0～+5mm；焊接速度500～600mm/min；保护气体流量10~20 L/min；通过优化焊参数，防止接头出现孔洞、裂纹等缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量；/nS3：焊接时，激光光斑聚焦在钛合金板上，部分熔化的钛合金形成熔化焊焊缝；在未熔化钛合金的热传导作用下，陶瓷-钎料-钛合金界面的温度达到了钎料的熔化温度820℃，最终熔化钎料，在陶瓷-钛合金界面形成了钎焊焊缝；/nS4：通过调整激光偏移量和焊接速度，在熔化焊焊缝与钎焊焊缝之间始终存在一定宽度的未熔化的钛合金，其作用是调节和释放接头处的热应力，缓解两侧母材关于热膨胀系数的不匹配程度，降低接头的焊后残余应力，焊接结束后，得到了由未熔化钛合金分隔开来的钛合金熔焊焊缝和钎焊焊缝的混合接头；/nS5：通过控制激光偏移量和激光功率，从而改变陶瓷-钛合金界面的热输入，改善其微观组织，降低在钎焊焊缝中产生的残余应力，从而降低接头的脆性。/n...

【技术特征摘要】
1.一种钛合金与陶瓷异种材料的激光钎焊方法，其特征在于：其方法步骤如下：
S1：接头形式：接头形式为I形坡口对接，铜基钎料厚度为0.2mm，组焊装夹时保证陶瓷-铜基钎料-钛合金接触面存在一定的预紧力；
S2：焊接工艺：采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率350～500W；激光偏移量1.0~1.5mm；离焦量0～+5mm；焊接速度500～600mm/min；保护气体流量10~20L/min；通过优化焊参数，防止接头出现孔洞、裂纹等缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量；
S3：焊接时，激光光斑聚焦在钛合金板上，部分熔化的钛合金形成熔化焊焊缝；在未熔化钛合金的热传导作用下，陶瓷-钎料-钛合金界面的温度达到了钎料的熔化温度820℃，最终熔化钎料，在陶瓷-钛合金界面形成了钎焊焊缝；
S4：通过调整激光偏移量和焊接速度，在熔化焊焊缝与钎焊焊缝之间始终存在一定宽度的未熔化的钛合金，其作用是调节和释放接头处的热应力，缓解两侧母材关于热膨胀系数的不匹配程度，降低接头的焊后残余应力，焊接结束后，得到了由未熔化钛合金分隔开来...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，周建平，陈言坤，鲍阳，高一迪，毕元波，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：新疆;65