高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法技术

本发明专利技术涉及高端装备制造技术领域，属于异质材料复合结构高能束焊接制造，具体公开了一种高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法。该方法所采用的高速激光熔覆技术，其光粉交汇位置的上移显著减少了作用于基体的激光能量，降低了母材稀释率。通过将用于传统表面强化或修复领域的激光熔覆技术拓展应用于异种金属焊接领域，基于增材制造思路，通过小尺寸熔覆焊道的高速叠加，实现异种金属中厚板的低热输入、低应力、弱界面反应连接。同时设计了一种适用于钛/钢异种金属连接的Cu

【技术实现步骤摘要】
高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法


[0001]本专利技术涉及高端装备制造
，属于异质材料复合结构高能束焊接制造，具体为一种用于钛合金/钢中厚板焊接的高速激光熔覆增材CuNi合金的连接方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、能源化工和海工装备等领域。钢是工业装备制造领域应用最广泛的结构材料，其综合力学性能优异、生产成本较低。钛合金/钢异质材料复合构件兼具两种材料的性能优点，可满足现代装备制造业结构轻量化和材料性能多样化的需求。因此，实现钛合金与钢的高质高效连接对于促进装备制造技术的创新发展具有重要意义。
[0003]钛合金与钢之间的连接主要通过摩擦焊（连续驱动摩擦焊、线性摩擦焊）、扩散焊、爆炸焊和机械连接等方法实现。应用上述方法可以获得具有较高力学性能的钛/钢异质金属接头，但接头形式受限，难以适应工业生产需求。熔化焊技术可灵活应用于不同焊接位置和多种焊接工况，同时便于实现自动化高效生产，是先进装备制造业中应用最为广泛的焊接技术。
[0004]激光焊和电子束焊是钛合金/钢异种金属最合适的熔化焊方法，具有能量密度高、母材熔化精准可控等特点，有助于调控异种金属接头界面冶金反应以获得具有较高力学性能的异种金属接头。然而电子束焊接需在真空环境下进行，限制了被焊工件的结构尺寸。激光焊可较好的控制熔池尺寸及母材稀释率，但随着被焊板材厚度的增加，实现熔透成形所需的激光功率显著升高，由此带来的母材稀释率增加、界面反应加剧、焊接应力升高等问题将导致异种金属中厚板焊接接头开裂风险增加、接头力学性能恶化等弊端。目前包括钛/钢、钛/铝、铝/钢等在内的异种金属板料对接焊研究主要集中于3mm以内的薄板连接，最大板厚不超过5mm，而实际应用场景下更多的是5mm甚至是8mm以上的中厚板焊接。现有工艺技术还不能满足异种金属中厚板的焊接需求。
[0005]异种金属之间的熔化焊连接多采用熔钎焊原理，即在熔点高的一侧母材采用钎焊连接，熔点低的一侧母材采用熔化焊连接。通过熔钎焊方法可有效控制焊接热输入，在控制界面脆性金属间化合物生成的同时降低热物性差异导致的焊接应力，进而获得具有良好性能的异种金属焊接接头。而对于5mm甚至是工业生产应用更多的8mm以上中厚板的异种金属焊接，熔钎焊方法将不再适用。中厚板的焊接需要更高的焊接热输入以保证接头成形，而高热输入工艺下接头界面脆性相将大量生成，严重制约接头力学性能。采用传统的多层多道焊方法焊接异种金属，多次热循环导致界面脆性相进一步生长和残余应力升高。由此可见，现有工艺技术难以满足异种金属中厚板的焊接需求。
[0006]除焊接方法和焊接热输入之外，填充金属（中间层）是影响异种金属接头组织性能的另一个关键因素。目前钛合金/钢异种金属焊接主要采用纯铜及硅青铜、铝青铜等商用铜合金焊材，尚无关于钛合金/钢异种金属专用焊材的公开资料报道。现有的铜合金焊材无法满足钛/钢异种金属焊接需要，焊材的合金体系及合金元素的临界浓度仍需要进一步优化，
以适应钛合金/钢异种金属的焊缝冶金需求。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术目的是提出一种用于钛合金与钢中厚板焊接的高速激光熔覆增材连接方法，该方法使用专用的CuNi合金粉末。
[0008]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法，包括如下步骤：（1）合金粉末配置。
[0009]本方法采用铜
‑
镍二元合金，铜
‑
镍二元合金粉末中Cu元素含量范围为90%~60%（质量百分数），Ni元素含量范围为10%~40%（质量百分数）。合金粉末设计依据：
①
选择铜元素作为合金粉末的主元素，其原因在于相比其他金属元素，Ti
‑
Cu金属间化合物脆性更小、硬度更低；Cu与Fe元素之间不会形成脆性金属间化合物；选择铜合金作为焊缝基体是由于铜合金良好的塑韧性有助于缓解钛合金与钢热物性差异导致的焊接应力。
②
选择Ni作为合金粉末的主要合金元素，其原因一方面是Cu与Ni元素固溶度高，二者之间无脆性中间相生成；另一方面是在Cu固溶体中加入Ni元素，有助于改善因Cu
‑
Fe二元体系难混熔特点导致的焊缝与钢连接强度低的问题。
[0010]配粉：按照预定成分配比称取一定质量的高纯铜粉、镍粉，纯净度不低于99.99%，原始粉末粒径为15~53μm。
[0011]（2）混粉。采用高能球磨混粉或者母合金熔炼后气雾化制粉工艺制备所需要的Cu
‑
Ni二元合金粉末。
[0012]球磨混粉：将称量好的合金粉末与不锈钢磨球混合后装入球磨罐。采用湿式球磨工艺，加入无水酒精作为球磨介质，球料比为15~20:1，转速300~500r/min，球磨时间为15~20h。球磨后粉末烘干待用。
[0013]（3）待焊试件焊前准备和坡口加工。
[0014]采用钢丝角磨机去除待焊母材表面氧化膜，采用刨床或其他机加工方式在待焊板材（钛合金板和钢板）边缘加工单边V型坡口。两块试板拼接后形成对称V形凹槽（用于焊缝的沉积成形）。采用无水乙醇或丙酮擦拭待焊母材并吹干待用。其中，待焊板材厚度为8~15mm。
[0015]（4）焊前装配。
[0016]将待焊钛合金与钢板平铺在平整工作台上，无对接间隙。拼装定位后采用手工氩弧焊或散焦激光焊点焊固定。点焊位置位于待焊试件两侧端部5mm之内。
[0017]（5）焊缝增材成型。
[0018]采用高速激光熔覆工艺实现正面焊缝成型，选择高速激光熔覆为主要连接方式，通过逐层叠加的增材制造方式形成所需要的焊缝。Cu
‑
Ni二元合金粉末输送采用气载式送粉器完成，调节激光指示光斑位置，光粉交互点位于工件上方（可实现低热输入条件下的高速成型），在V形凹槽的根部正中间布置第一道熔覆层，第一层只有1道熔覆层；然后从第二层开始，相邻道次之间保持一定的搭接量，依次向上熔覆增材，直至整个V形凹槽被填满。
[0019]（6）根部重熔。
[0020]正面焊缝沉积成型完成后，将板材翻转，在不送粉条件下，采用激光自熔焊模式对
背面焊缝根部进行重熔，以消除可能存在的根部未熔合缺陷。
[0021]（7）焊接完成，待自然冷却后取下试件。
[0022]进一步优选的，步骤（3）中，待焊板材边缘V形坡口角度为40
o
~60
o
。另外，当待焊板材厚度为15mm以上时，将单面V形坡口调整为K形坡口。
[0023]进一步优选的，步骤（5）中，激光功率4~6kW，送粉速度15~30g/min，熔覆线速度3~6m/min，保护气流量 20~30L/min；保护气和送粉气均为99.9%高纯氩气。
[0024]进一步优选的，步骤（1）中的铜
‑
镍二元合金粉末中的Ni元素含量范围为30%~40%。步骤（5）中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）合金粉末配置：采用高能球磨混粉或者母合金熔炼后气雾化制粉工艺制备所需要的Cu
‑
Ni二元合金粉末；（2）坡口加工：在施焊前，分别在待焊板材钛合金板（1）和钢板（2）的边缘加工单V形坡口，两板对接后形成V形凹槽用于焊缝的沉积成形；其中，待焊板材厚度为8~15mm；（3）焊缝增材成型：采用高速激光熔覆工艺实现正面焊缝成型；Cu
‑
Ni二元合金粉末输送采用气载式送粉器完成，调节激光指示光斑位置，光粉交互点位于工件上方，在V形凹槽的根部正中间布置第一道熔覆层，第一层只有1道熔覆层；然后从第二层开始，相邻道次之间保持搭接量，依次向上熔覆增材，直至整个V形凹槽被填满；（4）根部重熔：正面焊缝沉积成型完成后，将板材翻转，在不送粉条件下，采用激光自熔焊模式对背面焊缝根部进行重熔；（5）焊接完成，待自然冷却后取下试件。2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法，其特征在于：在进行步骤（3）焊缝增材成型之前进行焊前装配：将待焊钛合金与钢板平铺在平整工作台上，无对接间隙；拼装定位后采用手工氩弧焊或散焦激光焊点焊固定，点焊位置位于待焊试件两侧端部5mm之内。3.根据权利要求1或2所述的高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法，其特征在于：步骤（1）中的铜
‑
镍二元合金粉末中的Ni元素含量范围为10%~40%。4.根据权利要求1所述的高速激光熔覆增材CuNi合金实现钛钢中厚板连接方法，其特征在于：步骤（1）中，球磨混粉：将称量好的合金粉末与不锈钢磨球混合后装入球磨罐...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝晓虎，任国鑫，崔泽琴，兰利伟，王文先，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：