一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法及其应用

1.本发明涉及电子束焊接技术领域，具体而言，涉及一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法及其应用。

背景技术：

2.氢氧发动机作为一种高效液体火箭发动机，具有化学能高、环保、高校冷却等优势，使航天发展的重要方向。推力室是氢氧发动机中的重要部件，其在工作过程中承受高温高压气体的冲击，在制备过程中需要异种材料进行焊接制造。电子束焊接方式具有能量密度精确可控，且提供高真空保护环境的优势，能够避免异种材料在焊接过程中变形，适用于异种材料的焊接。
3.但是，由异种材料组成的异种接头通常绝对塞贝克系数较大，在进行电子束焊接过程中，会产生较大的电感磁场，尤其是当焊接厚度≥5mm时更加明显，从而导致电子束发生偏转，进而在焊缝根部产生未熔合缺陷，使推力室在工作过程中容易发生故障，严重时会导致发动机报废。目前，为了解决上述问题，常规的方法为进行二次、三次补焊，但是多次补焊会引入大量的焊接热输入，进而导致接头力学性能下降，难以满足航空航天发动机的使用需求。因此，对具有高绝对塞贝克系数的异种材料进行电子束焊接是目前航空航天氢氧发动机制造过程中的瓶颈问题。

技术实现要素：

4.本发明解决的问题是提供一种能够消除高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊缝根部未熔合缺陷的电子束焊接方法，提升焊接接头的力学性能，实现高绝对塞贝克系数异种材料之间的高质量连接。
5.为解决上述问题，本发明提供一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、对所述异种材料进行退火热处理，并冷却至室温，得到退火异种材料；
7.步骤s2、对所述退火异种材料进行磨削加工，使所述退火异种材料的对接面的倾角角度为4-8
°
，得到预加工异种材料；
8.步骤s3、对所述预加工异种材料进行退磁处理，并对所述预加工异种材料之间的对接面进行预处理，得到预处理异种材料；
9.步骤s4、将所述预处理异种材料的对接面贴合，完成所述预处理异种材料之间的焊接装配；
10.步骤s5、将电子束定位于所述异种材料的焊缝中心，进行电子束焊接。
11.优选地，所述步骤s1中，对所述异种材料进行退火热处理，所述退火热处理的温度超过所述异种材料的居里点，时间不低于2h，冷却至室温后，得到所述退火异种材料。
12.优选地，所述步骤s3中，采用交变退磁机对所述预加工异种材料进行退磁处理，使所述预加工异种材料的剩磁小于或等于3高斯。
13.优选地，所述步骤s3中，采用酒精和丙酮对所述预加工异种材料之间的对接面进行预处理。
14.优选地，所述步骤s4中，将所述预处理异种材料中高塞贝克系数材料的长边和低塞贝克系数材料的短边置于焊缝正面，使所述预处理异种材料的对接面贴合，完成所述预处理异种材料之间的焊接装配。
15.优选地，所述高塞贝克系数材料和所述低塞贝克系数材料之间的装配间隙小于或等于0.01mm。
16.优选地，所述步骤s5中，采用表面聚焦，加速电压为55kv，聚焦电流为2490ma，定位束流为2ma，将电子束定位于所述异种材料的所述焊缝中心。
17.优选地，所述步骤s5中，所述电子束焊接的参数设置为：加速电压55kv，聚焦电流2490ma，焊接电流28ma，焊接速度为600mm/min。
18.优选地，所述异种材料中至少一种材料为铁磁性材料。
19.本发明通过对异种材料进行磨削加工，使异种材料的对接面具有4-8
°
的倾角，在后续电子束焊接过程中，实现了高塞贝克系数材料和低塞贝克系数材料的熔化比的调整，消除了高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接过程中电子束焊缝根部未熔合的缺陷，能够实现焊接的一次成形，降低了制造成本，提高了高绝对塞贝克系数异种材料之间的焊接接头的力学性能，使焊接接头的质量能够达到ⅰ级焊缝要求，实现高绝对塞贝克系数异种材料之间的高质量连接；对异种材料进行超过居里点的退火处理以及退磁处理，降低电子束焊接过程中剩磁对电子束偏转的影响，对异种材料的对接面进行预处理，能够除去对接面上的杂质，保证焊接质量。
20.另一方面，本发明还提供一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法的应用，将如上所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法在氢氧发电机制造领域中的应用。
21.本发明通过将上述高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法应用于氢氧发电机制造领域，能够提高氢氧发电机中异种材料焊接时的接头焊接质量，提高氢氧发动机制造的良品率，降低了制造成本。
附图说明
22.图1为本发明实施例中高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法的流程示意图；
23.图2为本发明实施例1中异种材料的装配关系示意图；
24.图3为对比例1中异种材料的装配关系示意图；
25.图4为本发明实施例1中异种材料焊接接头金相分析图；
26.图5为对比例1中异种材料焊接接头金相分析图。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
28.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。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
31.本发明实施例提供一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，如图1所示，包括以下步骤：
32.步骤s1、对所述异种材料进行退火热处理，并冷却至室温，得到退火异种材料；
33.步骤s2、对所述退火异种材料进行磨削加工，使所述退火异种材料的对接面的倾角角度为4-8
°
，得到预加工异种材料；
34.步骤s3、对所述预加工异种材料进行退磁处理，并对所述预加工异种材料之间的对接面进行预处理，得到预处理异种材料；
35.步骤s4、将所述预处理异种材料的对接面贴合，完成所述预处理异种材料之间的焊接装配；
36.步骤s5、将电子束定位于所述异种材料的焊缝中心，进行电子束焊接。
37.应说明的是，本发明实施例中高绝对塞贝克系数异种材料是指塞贝克系数差值在1
×
10-5
v/k以上的异种材料。示例性地，gh4169材料和电铸ni材料为高绝对塞贝克系数异种材料。
38.此外，异种材料中至少一种材料为铁磁性材料。
39.步骤s1中，对异种材料进行退火热处理能够提高后续电子束焊接过程中的焊接质量。进一步地，对所述异种材料进行退火热处理，所述退火热处理的温度超过所述异种材料的居里点，时间不低于2h，冷却至室温后，得到所述退火异种材料。进行超过居里点的退火热处理能够降低材料中自发磁化强度，消除材料剩磁。
40.步骤s2中，对所述退火异种材料进行磨削加工，使所述退火异种材料的对接面的倾角角度为4-8
°
，得到预加工异种材料。当对接面的倾角角度小于4
°
时或超过8
°
时，无法完全消除电子束焊接过程中未熔合缺陷。
41.应说明的是，异种材料的对接面的倾角角度与异种材料本身的性质，尤其是塞贝克系数的差值有关，可以根据异种材料的性质进行调节。
42.示例性地，当异种材料初始对接面与上下表面垂直时，对异种材料的对接面进行磨削加工，使加工后的倾斜斜面与初始对接面的夹角为4-8
°
，预加工异种材料具有上下表面分别形成长边和短边。
43.步骤s3中，对预加工异种材料进行退磁处理能够进一步消除异种材料的剩磁，降低剩磁对电子束偏转的影响。具体地，采用tc2交变退磁机对所述预加工异种材料进行退磁处理，使所述预加工异种材料的剩磁小于或等于3高斯。将异种材料的剩磁控制再3高斯以下，能够避免电子束焊接过程中电子束偏转产生的未熔合缺陷。
44.对预加工异种材料的对接面进行预处理，具体为采用酒精和丙酮对异种材料的对接面进行清洗，使表面光洁无油污及水，从而使异种材料能够良好配合，并降低杂质对焊接质量的影响。
45.步骤s4中，将所述预处理异种材料中高塞贝克系数材料的长边和低塞贝克系数材料的短边置于焊缝正面，使所述预处理异种材料的对接面贴合，完成所述预处理异种材料之间的焊接装配。
46.由于在电子束焊接过程中，电子束会向具有高热电势的一侧偏转，通过上述装配方式，在电子束焊接时能够增大电子束对低塞贝克系数材料的热作用面积，使低塞贝克系数材料的熔化量增加，通过这种方式，能够对高塞贝克系数材料和低塞贝克系数材料的熔合比进行调控，解决高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接过程中由于磁场引发的电子束向高塞贝克系数材料一侧偏转带来的未熔合缺陷。
47.装配过程中，所述高塞贝克系数材料和所述低塞贝克系数材料之间的装配间隙小于或等于0.01mm。将装配间隙控制在0.01mm以下能够在电子束焊接过程中使两者充分结合焊接在一起，提高焊接接头的质量。
48.步骤s5中，采用表面聚焦，加速电压为55kv，聚焦电流为2490ma，定位束流为2ma，将电子束定位于所述异种材料的所述焊缝中心，所述电子束焊接的参数设置为：加速电压55kv，聚焦电流2490ma，焊接电流28ma，焊接速度为600mm/min。
49.即，先采用表面聚焦将电子束定位于异种材料的焊缝中心，然后采用加速电压55kv，聚焦电流2490ma，焊接电流28ma，焊接速度为600mm/min的参数对高绝对塞贝克系数异种材料进行电子束焊接。
50.本发明的另一实施例还提供一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法的应用，将如上所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法在氢氧发电机制造领域中的应用。
51.通过将上述高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法应用于氢氧发电机制造领域，能够提高氢氧发电机中异种材料焊接时的接头焊接质量，提高氢氧发动机制造的良品率，降低了制造成本。
52.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。
53.实施例1
54.本实施例的焊接对象为gh4169材料和电铸ni材料，gh4169材料和电铸ni材料均为平板材料，两者的初始对接面为垂直对接面，具体步骤如下：
55.1.1、对gh4169材料进行固溶和双时效热处理，以20℃/min的升温速率升温至960℃，保温2h空冷至室温，然后以20℃/min的升温速率升温至720℃，再以50℃/h的降温速率降温至620℃，保温8h后空冷；对电铸ni材料(居里点为358℃)以15℃/min的升温速率升温
至280℃，保温后空冷至室温；
56.1.2、采用磨削加工，分别将gh4169材料和电铸ni材料加工出倾斜对接面，使倾斜对接面于初始垂直对接面的夹角为4
°
；
57.1.3、采用tc2交变退磁机对电铸ni进行退磁热处理，使电铸ni剩磁≤3高斯；
58.1.4、采用酒精和丙酮对gh4169材料和电铸ni材料的表面进行清洗，去除表面的油污及水；
59.1.5、如图2所示，将gh4169材料的长边和电铸ni材料的短边置于焊缝正面，并使gh4169材料和电铸ni材料的对接面贴合，保证最大装配间隙≤0.01mm；
60.1.6、采用采用表面聚焦，加速电压为55kv，聚焦电流为2490ma，定位束流为2ma，将电子束定位于焊缝中心，电子束焊接的参数设置为：加速电压55kv，聚焦电流2490ma，焊接电流28ma，焊接速度为600mm/min，完成gh4169材料和电铸ni材料的电子束焊接。
61.对比例1
62.本实施例的焊接对象为gh4169材料和电铸ni材料，gh4169材料和电铸ni材料均为平板材料，两者的初始对接面为垂直对接面，具体步骤如下：
63.2.1、gh4169材料进行固溶和双时效热处理，以20℃/min的升温速率升温至960℃，保温2h空冷至室温，然后以20℃/min的升温速率升温至720℃，再以50℃/h的降温速率降温至620℃，保温8h后空冷；对电铸ni材料(居里点为358℃)以15℃/min的升温速率升温至280℃，保温后空冷至室温；
64.2.2、采用tc2交变退磁机对电铸ni进行退磁热处理，使电铸ni剩磁≤3高斯；
65.2.3、采用酒精和丙酮对gh4169材料和电铸ni材料的表面进行清洗，去除表面的油污及水；
66.2.4、如图3所示，将gh4169材料和电铸ni材料的垂直对接面贴合，保证最大装配间隙≤0.01mm；
67.2.5、采用采用表面聚焦，加速电压为55kv，聚焦电流为2490ma，定位束流为2ma，将电子束定位于焊缝中心，电子束焊接的参数设置为：加速电压55kv，聚焦电流2490ma，焊接电流28ma，焊接速度为600mm/min，完成gh4169材料和电铸ni材料的电子束焊接。
68.实验例
69.分别对采用实施例1和对比例1中电子束焊接方法得到的焊接接头进行x射线探伤，并用光学显微镜对焊缝截面进行缺陷检查。
70.结果如图4和图5所示，其中，图4为实施例1中得到的焊接接头的金相分析图，图4中(a)为实施例1中焊缝放大100倍后的形貌图，图4中(b)为实施例1中焊缝根部放大1000倍后的形貌图，图5为对比例1中得到的焊接接头的金相分析图，图5中(a)为对比例1中焊缝放大100倍后的形貌图，图5中(b)为对比例1中焊缝根部放大1000倍后的形貌图。
71.如图4所示，实施例1中焊缝根部未发现未熔合缺陷产生，且焊缝质量符合i级接头标准；如图5所示，对比例1中，焊缝根部发现了未熔合缺陷的产生，且整体焊缝质量较低。这主要是由于实施例1通过设计具有倾斜角度的对接面，实现了高塞贝克系数材料和低塞贝克系数材料的熔化比调整，消除了电子束焊缝根部未熔合缺陷，且不必采取多次焊接的方式，降低了制造成本，提高接头的力学性能，使接头质量达到ⅰ级焊缝要求，实现异种材料的高质量连接。
72.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开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。

技术特征：

1.一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、对所述异种材料进行退火热处理，并冷却至室温，得到退火异种材料；步骤s2、对所述退火异种材料进行磨削加工，使所述退火异种材料的对接面的倾角角度为4-8
°
，得到预加工异种材料；步骤s3、对所述预加工异种材料进行退磁处理，并对所述预加工异种材料之间的对接面进行预处理，得到预处理异种材料；步骤s4、将所述预处理异种材料的对接面贴合，完成所述预处理异种材料之间的焊接装配；步骤s5、将电子束定位于所述异种材料的焊缝中心，进行电子束焊接。2.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤s1中，对所述异种材料进行退火热处理，所述退火热处理的温度超过所述异种材料的居里点，时间不低于2h，冷却至室温后，得到所述退火异种材料。3.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤s3中，采用交变退磁机对所述预加工异种材料进行退磁处理，使所述预加工异种材料的剩磁小于或等于3高斯。4.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤s3中，采用酒精和丙酮对所述预加工异种材料之间的对接面进行预处理。5.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤s4中，将所述预处理异种材料中高塞贝克系数材料的长边和低塞贝克系数材料的短边置于焊缝正面，使所述预处理异种材料的对接面贴合，完成所述预处理异种材料之间的焊接装配。6.根据权利要求5所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述高塞贝克系数材料和所述低塞贝克系数材料之间的装配间隙小于或等于0.01mm。7.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤s5中，采用表面聚焦，加速电压为55kv，聚焦电流为2490ma，定位束流为2ma，将电子束定位于所述异种材料的所述焊缝中心。8.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述电子束焊接的参数设置为：加速电压55kv，聚焦电流2490ma，焊接电流28ma，焊接速度为600mm/min。9.根据权利要求1所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法，其特征在于，所述异种材料中至少一种材料为铁磁性材料。10.一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法的应用，其特征在于，将权利要求1-9任一项所述的高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法在氢氧发电机制造领域中的应用。

技术总结

本发明提供一种高绝对塞贝克系数异种材料电子束焊接方法及其应用，所述方法包括：对异种材料进行退火热处理，并冷却至室温；对退火异种材料进行磨削加工，使退火异种材料的对接面的倾角角度为4-8

技术研发人员：

王厚勤 张秉刚 王晓冰 李赫 邱宇

受保护的技术使用者：

哈尔滨工业大学

技术研发日：

2022.10.18

技术公布日：

2022/12/30