一种多孔金属材料的电子束焊接方法、焊接件

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种多孔金属材料的电子束焊接方法、焊接件。

背景技术

多孔材料是指内部含一定数量封闭或相互贯通的孔洞从而构成网络结构的材料；其中，多孔金属材料兼具金属结构特性与孔隙功能特性，因而具有可加工性良好、形状稳定性强、传热散热能力优良、比重小、比表面积大等优点，被广泛应用于各个领域。但是多孔金属材料制造困难，难以制造尺寸较大或造型较复杂的零件，需要采用焊接技术对不同零件进行连接；同时，多孔金属材料零件在服役过程中难免会有磨损、裂纹等损伤，为避免全部材料报废，也需要采用先进的修复技术，在保证其原有性能的前提下对损伤部位进行修复以延长材料使用寿命，这一过程中同样需要对其进行焊接连接。

然而，多孔金属材料的特殊形态与物化学性质对所使用的焊接方法提出了较高的要求，如采用传统熔化焊焊接多孔材料会导致接头塌陷、采用钎焊时钎料向两侧母材的渗透堵塞孔隙、采用固相连接过程中孔隙结构破坏。

发明内容

本发明解决的技术问题是以下问题中的至少一种：多孔金属材料焊接过程中，容易出现孔隙堵塞、孔隙结构破坏和焊接接头塌陷等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多孔金属材料的电子束焊接方法，包括：

步骤S1、将待焊接多孔金属材料的焊接端面加工成竖向平面，得到待焊接工件；

步骤S2、将两个所述待焊接工件使用焊接工装固定在一起，以在两个所述竖向平面之间形成I形坡口；

步骤S3、在所述I形坡口中进行多次铺粉-点焊处理，得到焊接件；其中，所述铺粉-点焊处理包括：在所述I形坡口中铺设金属粉末，使用脉冲电子束对所述金属粉末进行连续点焊，以形成多孔焊缝。

可选地，所述脉冲电子束的加速电压为50-120kV，焊接束流为3-10mA，焊接速度为2-5m/s。

可选地，所述步骤S3中，所述在所述I形坡口中铺设金属粉末，包括，将金属粉末平铺到所述I形坡口中，采用刮刀将所述“I”形坡口中多余的金属粉末刮除。

可选地，所述刮刀采用橡胶或塑料制成。

可选地，所述步骤S1中，所述将待焊接多孔金属材料的焊接端面加工成竖向平面采用慢走丝线切割加工方式。

可选地，所述步骤S1中，所述将待焊接多孔金属材料的焊接端面加工成竖向平面的过程中，对加工过程中待焊接多孔金属材料中出现的孔隙堵塞或孔隙破坏，采用化学腐蚀或电化学腐蚀方法进行修复。

可选地，所述金属粉末与所述待焊接多孔金属材料的成分相同。

可选地，所述待焊接多孔金属材料为镍基高温合金。

可选地，还包括：步骤S4、对焊道进行清理，以去除多余的金属粉末。

本发明还提供了一种焊接件，采用如上所述的多孔金属材料的电子束焊接方法制得。

与现有技术相比，本发明提供的多孔金属材料的电子束焊接方法基于熔化焊，利用扫描电子束精度高、输入能量可控等优势，方便对焊缝尺寸与焊缝凝固速度进行控制，使得焊缝金属不会出现下塌而填补孔隙，也就不会出现因填补孔隙导致的接头塌陷。同时，本发明中采用铺设金属粉末与脉冲电子束连续点焊的焊接方式，可以在保证焊接处多孔形态的前提下，实现多孔金属材料的连接。本发明的焊接方式，在焊接过程中不需要对待焊接件施加外力，因而不会出现孔隙破坏的情况，也不会出现钎料向两侧母材渗透堵塞孔隙的情况。另外，利用本发明的焊接方法还充分发挥了电子束焊接的焊接变形小、真空环境污染小与焊接质量稳定的优点，从而大幅度提高多孔金属材料的焊接质量。

附图说明

图1为本发明实施例中多孔金属材料的电子束焊接方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中两个待焊接工件使用焊接工装固定在一起后的结构示意图；

图3本发明实施例中使用刮刀对“I”形坡口中多余的金属粉末刮除的示意图；

图4为发明实施例中使用脉冲电子束对所述金属粉末进行连续点焊的示意图。

附图标记说明：

1、定位件，2、待焊接工件，201、竖向平面，3、金属粉末，4、刮刀，5、脉冲电子束。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。

传统熔化焊进行多孔金属材料焊接，易出现熔融焊缝金属向下流动，填补孔隙导致接头塌陷；钎焊过程中，钎料由于重力与毛细作用会向孔隙内部流动，导致钎焊处孔隙被完全堵塞；固相连接通常需要通过施加外力使材料实现连接，但这一过程通常伴随着连接界面的破碎与重连，对多孔金属材料而言，会破坏其孔隙结构。

针对上述问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种多孔金属材料的电子束焊接方法，包括：

步骤S1、将待焊接多孔金属材料的焊接端面加工成竖向平面201，得到待焊接工件2；

步骤S2、将两个所述待焊接工件2使用焊接工装固定在一起，以在两个所述竖向平面201之间形成I形坡口；

步骤S3、在所述I形坡口中进行多次铺粉-点焊处理，直至I形坡口内焊缝高度稍高于坡口深度得到焊接件；其中，所述铺粉-点焊处理包括：在所述I形坡口中铺设金属粉末3，使用脉冲电子束5对所述金属粉末进行连续点焊，以形成多孔焊缝；

步骤S4、对焊道进行清理，以去除多余的金属粉末。

步骤S5、将所述焊接件的多余部分切除。需要说明的是，多余部分是指对超出焊接件尺寸规格的部分。

与现有技术相比，本发明提供的多孔金属材料的电子束焊接方法基于熔化焊，利用扫描电子束精度高、输入能量可控等优势，方便对焊缝尺寸与焊缝凝固速度进行控制，使得焊缝金属不会出现下塌而填补孔隙，也就不会出现因填补孔隙导致的接头塌陷。同时，本发明中采用铺设金属粉末与脉冲电子束连续点焊的焊接方式，可以在保证焊接处多孔形态的前提下，实现多孔金属材料的连接。本发明的焊接方式，在焊接过程中不需要对待焊接件施加外力，因而不会出现孔隙破坏的情况，也不会出现钎料向两侧母材渗透堵塞孔隙的情况。另外，利用本发明的焊接方法还充分发挥了电子束焊接的焊接变形小、真空环境污染小与焊接质量稳定的优点，从而大幅度提高多孔金属材料的焊接质量。

示例性地，本发明的实施例中，步骤S2中、将两个所述待焊接工件使用焊接工装固定在一起后的结构如图2所示，焊接工装包括多个定位件1，每个待焊接工件2通过三个成“品”字形分布的定位件1固定，两个待焊接工件2的竖直平面201之间形成I形坡口。本发明的一些实施例中，所述脉冲电子束5的加速电压为50-120kV，焊接束流为3-10mA，焊接速度为2-5m/s。

本发明的一些实施例中，所述步骤S3中，所述在所述I形坡口中铺设金属粉末3，包括，将金属粉末3平铺到所述I形坡口中，采用刮刀4将所述“I”形坡口中多余的金属粉末刮除。优选地，所述刮刀4采用橡胶或塑料制成，从而避免刮刀4对待焊接工件2造成损伤。图3为使用刮刀4对“I”形坡口中多余的金属粉末刮除的示意图。图4为使用脉冲电子束对所述金属粉末进行连续点焊的示意图。

使用脉冲电子束5对所述金属粉末进行连续点焊过程中，所述连续点焊在“I”形坡口母材界面处应利用电子束的偏束功能使电子束方向与“I”形坡口界面法线方向的夹角小于90°，即电子束倾斜穿过金属粉末与坡口界面母材，使母材界面熔化并与熔化的粉末之间形成冶金结合；

本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，所述将待焊接多孔金属材料的焊接端面加工成竖向平面201采用慢走丝线切割加工方式。多孔金属材料表面加工易造成孔隙堵塞，采用慢走丝线切割加工方式进行焊接端面加工可以有效避免上述情况的发生，以保证焊接端面孔隙为开孔。

本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，所述将待焊接多孔金属材料的焊接端面加工成竖向平面201的过程中，对加工过程中待焊接多孔金属材料中出现的孔隙堵塞或孔隙破坏，采用化学腐蚀(例如酸洗)或电化学腐蚀方法进行修复。

本发明的一些实施例中，所述金属粉末与所述待焊接多孔金属材料的成分相同。示例性地，所述待焊接多孔金属材料为镍基高温合金，例如，Inconel718、inconel 625等合金。

本发明还提供了一种焊接件，采用如上所述的多孔金属材料的电子束焊接方法制得。

需要说明的是，本发明中，I形坡口的宽度与所用电子束焊机可实现的偏束角度和待焊接工件的厚度有关，应以电子束偏转下可实现一侧待连接零件待焊接工件坡口底部熔化、且电子束不被另一侧待焊接工件的坡口上边缘所阻挡为I形坡口的最小宽度。连续点焊在母材界面处的电子束功率与坡口内部仅有金属粉末的区域应存在区别，即自坡口界面至坡口中心区域应划分为功率渐变区与功率稳定区，其中，所述功率渐变区自坡口界面至所述功率稳定区之间的功率是增长还是降低，取决于母材及金属粉末的性质。需要说明的是，I形坡口的宽度即两个待焊接工件之间的距离。

另外，需要说明的是，虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。