CN114309910B - 一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，首先对待焊的两块CuCrZr合金板材进行表面处理，然后对待焊的CuCrZr合金进行工装夹持，防止焊接过程的变形影响；对待焊接的合金板材先用低功率进行扫描预热，随后进行定速、定功率焊接，焊接过程完成后先将焊接件进行炉冷，待其冷却半小时后取出焊接样品，在空气中静置至室温后，重复进行一次上述焊接操作，再经过时效热处理后，即可得到良好的双面焊焊接接头，得到的接头具有较高熔深/熔宽比。本发明的方法适合高精密配件的焊接，经电子束焊接得到的接头组织较好，拉伸性能较佳，可达300MPa，经过时效处理后的焊接接头可以达到350MPa以上，能偶满足实际工程的要求。

Description

一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法

技术领域

本发明涉及一种电子束焊接方法，具体涉及一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法。

背景技术

可控热核聚变能满足人类未来能源需求的理想新能源，为此我国提出建成中国聚变工程试验堆的方案。在试验堆建设过程中，铜铬锆合金作为一种重要的高性能材料成为试验堆反应装置中第一壁、电子回旋加速器(波导管)的关键组成材料，以往的波导管材料采用316不锈钢，该材料在微波作用下极易产生局部过热，影响其内壁Cu涂层的稳定性和可靠性。在微波窗波导管设计方案中，高热导、高电导、低变形的CuCrZr合金取代不锈钢等材料作为微波窗组件的主要金属材料。具有以下优势：①波导管内壁不需要沉积Cu涂层，简化了组件的制造流程；②整个组件只包含CuCrZr合金、铜环和金刚石，减少了材料之间的不匹配；③CuCrZr合金具有低焊接变形～2-3％。采用新型铜合金(CuCrZr)取代不锈钢作为波导管并用电子束精密焊接成型，避免波导管内局部过热导致的能量损耗，实现微波窗的性能提升。，然而该方案处于设计阶段，尚有诸多关键问题，例如CuCrZr合金的焊接应力与变形控制，铜合金波导管在使役条件下的变形行为等，缺乏工艺和理论的探索。

目前针对电子束焊接工艺的研究比较倾向于钛合金、铝合金材料等，针对铜合金材料电子束焊接工艺、成型、焊后性能缺乏成体系的研究。而对于具有高热导、高电导性能的铜铬锆合金，研究主要集中在铜铬锆合金的熔炼、铸造、锻造等制备工艺，对该合金的焊接工艺及性能研究较少。因此，研究CuCrZr合金电子束焊接工艺及焊后性能优化成为当下亟待解决的问题。为了解决这些问题，本发明采用低功率电子束焊机，采用不同的电子束焊接工艺焊接铜铬锆合金，得出较优的焊接工艺参数，并发明了一种电子束焊接铜铬锆材料焊后热处理工艺。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)准备阶段：将CuCrZr合金板的待焊接面进行线切割加工形成平直面，然后对CuCrZr合金板切割后的平直面进行表面处理，形成待焊件；将处理好的两块待焊件固定在夹具之上，防止焊接过程的变形影响，使两块待焊件的待焊接面对齐贴近拼接形成焊缝，然后将夹具放于焊接室内，焊接室抽真空；

2)焊接阶段：对待焊件进行焊前预热，对焊缝正面进行电子束焊接，焊接结束后在焊接室内冷却20～40min，随后将焊接件取出置于空气中自然冷却至室温；之后第二次将两块待焊件翻过来重复固定在夹具之上，按照与第一次焊接工艺相同的步骤对焊缝反面继续进行一次焊接操作，最终得到电子束双面焊焊接接头；

3)焊后热处理：将焊接之后的焊接接头放入马弗炉中进行时效热处理，以提高接头的强度，即制备完成。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤1)中进行表面处理的方法为：对CuCrZr合金板切割后的平直面用溶剂进行清洁处理，以便清楚油污、锈斑及其他杂质，然后用砂纸打磨CuCrZr合金板的待结合面以及焊缝两侧表面。可以使用砂纸型号为180#、320#、600#的砂纸逐级打磨待接合面，使得待接合面无油污、锈斑及其他杂质，且应保证待接合面的平整度。可以使用砂纸型号为320#、600#的砂纸逐级打磨焊缝两侧表面，直至出现较好的反光面，焊缝两侧表面无杂质。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤1)中，两块待焊件的对接间隙≤0.4mm固定在夹具之上，焊缝不开坡口。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤2)中焊前预热的工艺参数为：焊接电压60-70kV、焊接电流4-6mA、对缝束流3-4mA、聚焦束流260-270mA；预热范围为焊缝中心及焊缝两侧5mm内，预热方法为小电流下束，控制电机手柄，先均匀预热焊缝，后预热焊缝两侧。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤2)中电子束焊接的焊接工艺参数为：焊接电压60-70kV、焊接电流45-50mA、焊接速度90-100mm/min、对缝束流3-4mA、聚焦束流260-270mA。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤3)中，时效热处理的步骤为：以室温为起始温度，以8～12℃/min的升温速率升温至480-520℃之后，保温300-400min，最后以8～12℃/min的降温速度降温至室温。

所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤3)中，时效热处理的步骤为：以室温为起始温度，以10℃/min的升温速率升温至500℃之后，保温360min，最后以10℃/min的降温速度降温至室温。

本发明取得的有益效果是：

本发明的方法适合高精密配件的焊接，经电子束焊接得到的接头组织较好，拉伸性能较佳，可达300MPa，经过时效处理后的焊接接头可以达到350MPa以上，能够满足实际工程的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中焊件固定在夹具上的结构示意图；

图2为实验编号3的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的试样外观照片；

图3为实验编号3的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的接头的焊缝金相组织图；

图4为实验编号1-9的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的接头，各接头的截面形貌对照图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明实施例中采用的CuCrZr合金板母材，Cu、Cr、Zr组分的含量列于表1中，余量为杂质。对该母材进行抗拉强度、屈服强度和延伸率测试，测试方法参见“GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》”，测试结果一并列于表1中。

表1材料各元素含量

实施例1：

一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，包括以下步骤：

1、使用线切割机将CuCrZr合金板切割成100*65*5mm板材，CuCrZr合金板的待焊接面被切割成平直面，对切割后的待焊接面进行丙酮擦拭表面并干燥处理。然后使用砂纸对CuCrZr合金板的待焊接面及焊缝两侧表面进行逐级打磨，将待焊接面打磨成表面平整、无杂质、水分、锈斑等状态，将焊缝两侧表面打磨成呈现金属光泽、表面无杂质等状态。对照图1中，将处理好的两块待焊件2固定在夹具1之上，使两块待焊件的待焊接面对齐贴近拼接形成焊缝3。

2、开启电子束电源总开关。

3、开启抽真空泵。

4、打开控制台。

5、开启焊接室，将固定在夹具之上的待焊件放于焊接室内，开启自动抽真空程序。

6、随后对待焊件进行焊前预热，设置预热参数，顺序打开聚焦、偏压、灯丝、高压，后进行焊前预热操作。焊前预热参数为：焊接电压65kV、焊接电流5mA、对缝束流3-4mA、聚焦束流265mA，预热范围为焊缝中心及焊缝两侧5mm内，预热方法为小电流下束，控制电机手柄，先均匀预热焊缝，后预热焊缝两侧。焊前预热5min。

7、随后进行对缝焊接，设置焊接工艺参数，进行第一次焊接操作，对焊缝正面进行电子束焊接，正面焊接结束后在焊接室内冷却30min，随后将焊接件取出置于空气中自然冷却至室温；之后第二次将两块待焊件翻过来重复固定在夹具之上，按照与第一次焊接工艺相同的步骤对焊缝反面继续进行一次焊接操作，最终得到电子束双面焊焊接接头。

上述焊接工艺参数为：焊接电压65kV、焊接电流45、47或49mA、焊接速度90、95或100mm/min、对缝束流3.5mA、聚焦束流265mA，表面聚焦。

8、打开马弗炉冷却水，将样品置于马弗炉，设置热处理工艺：起始温度为室温(20℃)，以10℃/min的升温速率升温至500℃(升温时间为480min)，保温360min，最后以10℃/min的降温速度降温至室温(降温时间为480min)，最终待设定温度及炉内温度冷却至室温，取出样品。

9、取出焊接成型件，将焊缝表面的飞溅清理干净，将氧化皮进行打磨处理。

10、进行力学行为评价、金相分析等接头性能评价试验。

11、为了探究较佳的焊接工艺，设计了9组对照试验，具体方案及拉伸强度如表2(电压恒定65kV)，焊接成型件的焊缝照片如图1所示，焊缝无裂纹、咬边、下榻。

表29组对照试验的焊接工艺参数条件

对实验编号3的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的接头(焊接接头分为母材区、热影响区和熔合区三部分)，该接头的焊缝金相组织图见图3中。图3(a)为热影响区的金相组织结果，图3(b)为熔合区的金相组织结果，可以看出：内组织较好，未观察到裂纹、孔洞等明显焊接缺陷。焊缝分为熔合区热影响区。

实验编号3的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的试样，其外观照片如图2所示。从图2可以看出，两块CuCrZr合金板的结合度较好。

对实验编号1-9的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的接头，分别进行抗拉强度、屈服强度和延伸率测试，测试方法参见“GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》”，测试结果如表3中所示。

表3.各焊接工艺下的接头强度

实验编号1-9的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的接头，接头的截面形貌对照图参见图4中。从图4中可以看出，焊接电流过小(45mA)的同时焊接速度过快(100mm/min)，上下焊缝没有融合在一起。

对实验编号3的焊接工艺参数条件+焊后未热处理工艺制备的接头，以及实验编号3的焊接工艺参数条件+焊后热处理工艺制备的接头，分别进行抗拉强度、屈服强度和延伸率测试，测试结果如表4中所示。

表4.热处理工艺与未热处理焊接接头强度对比

可以看出，焊接接头强度平均约为300MPa，工艺焊后热处理得到的接头强度为350MPa，达到母材的70％，满足工程需求。最终得到结论：合格。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (4)

1.一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1）准备阶段：将CuCrZr合金板的待焊接面进行线切割加工形成平直面，然后对CuCrZr合金板切割后的平直面进行表面处理，形成待焊件；将处理好的两块待焊件固定在夹具之上，使两块待焊件的待焊接面对齐贴近拼接形成焊缝，然后将夹具放于焊接室内，焊接室抽真空；

2）焊接阶段：对待焊件进行焊前预热，对焊缝正面进行电子束焊接，焊接结束后在焊接室内冷却40~60min，随后将焊接件取出置于空气中自然冷却至室温；之后第二次将两块待焊件翻过来重复固定在夹具之上，按照与第一次焊接工艺相同的步骤对焊缝反面继续进行一次焊接操作，最终得到电子束双面焊焊接接头；

3）焊后热处理：将焊接之后的焊接接头放入马弗炉中进行时效热处理，以提高接头的强度，即制备完成；

步骤2）中焊前预热的工艺参数为：焊接电压60-70kV、焊接电流4-6mA、对缝束流3-4mA、聚焦束流260-270mA；预热范围为焊缝中心及焊缝两侧5mm内，先均匀预热焊缝，后预热焊缝两侧；

步骤2）中电子束焊接的焊接工艺参数为：焊接电压60-70kV、焊接电流45mA、焊接速度95-100mm/min、对缝束流3-4mA、聚焦束流260-270mA；

步骤3）中，时效热处理的步骤为：以室温为起始温度，以8~12℃/min的升温速率升温至480-520℃之后，保温300-400min，最后以8~12℃/min的降温速度降温至室温。

2.如权利要求1所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤1）中进行表面处理的方法为：对CuCrZr合金板切割后的平直面用溶剂进行清洁处理，以便清除油污、锈斑及其他杂质，然后用砂纸打磨CuCrZr合金板的待结合面以及焊缝两侧表面。

3.如权利要求1所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤1）中，两块待焊件的对接间隙≤0.4mm固定在夹具之上，焊缝不开坡口。

4.如权利要求1所述的一种铜铬锆合金的电子束焊接工艺及焊后热处理方法，其特征在于步骤3）中，时效热处理的步骤为：以室温为起始温度，以10℃/min的升温速率升温至500℃之后，保温360min，最后以10℃/min的降温速度降温至室温。

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