用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料及钎焊工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料及钎焊工艺，包括以下步骤：(1)利用金相砂纸对待钎焊的W?Cu合金和不锈钢表面进行清理；利用W3.5号金相砂纸对即将用于钎焊的Ni基急冷钎料双面进行研磨清理，研磨后将W?Cu合金、不锈钢及Ni基急冷钎料一起置于丙酮中，采用超声波清洗后进行烘干处理；(2)将清洗后的Ni基急冷钎料置于W?Cu合金与不锈钢待焊表面之间，控制钎焊间隙15～25μm，并紧贴装配于专用钎焊夹具中；(3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10?4Pa的钎焊炉中，然后按以下工艺曲线进行钎焊。本发明提供的Ni基急冷钎料熔化温度范围窄，钎料熔化时间短，有利于提高钎焊效率，且Ni元素能与W，Cu，Fe，Cr等元素发生一定的固溶反应。
【专利说明】
用于钉焊钻铜合金与不诱钢的N i基急冷钉料及钉焊工艺
技术领域
[0001] 本发明设及用于针焊鹤铜合金与不诱钢的Μ基急冷针料及针焊工艺，属于异质材 料焊接技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着鹤铜合金越来越多地应用在高溫结构件上，鹤铜合金与不诱钢连接制成复合 件正越来越受到市场欢迎。鹤铜合金与不诱钢异种材料连接时常因为两者的线胀系数、烙 点W及热导率等存在较大差异，且复合件在制备及使用过程中受循环热载荷作用，接头处 易产生应力集中，增加断裂倾向，降低焊缝金属的力学性能。此外，鹤铜合金对气体杂质敏 感，焊接界面易形成孔桐，焊缝组织脆化，影响接头的气密性及承载能力。因此，焊接中间合 金的设计及由循环热载荷造成的组织结构变化和由气体杂质污染、焊接应力引起的焊缝性 能失效是鹤铜复合材料与不诱钢等异种材料焊接面临的主要问题。
[0003] 针焊因其特殊的工艺特点，具有对母材影响小，焊件应力和变形小等优势。针焊作 为重要的焊接技术，对于新材料连接具有独特优越性，特别适用于难烙焊材料及异种材料 的连接。真空针焊技术因在真空环境下对材料进行针焊，是抑制鹤铜合金被气体杂质污染 的较好的方法。专利号为201210158935.3的中国专利公开了一种采用Ti-Fe-化-Cu系针料 针焊鹤铜合金与不诱钢的真空针焊工艺。相比于Ti-Fe-Zr-化系针料，本发明提供的Ni基急 冷针料具有针料烙化溫度范围窄，针料烙化时间短等优势，有利于提高针焊效率。此外，采 用Μ基针料针焊鹤铜与不诱钢，针焊接头具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能，更有利于扩大 鹤铜合金的应用范围。专利号为201510126420.9的中国专利公开了一种采用Zr基针料针焊 鹤铜合金与不诱钢的真空针焊工艺，润湿性和填缝性较差，针焊接头质量不高。专利号为 201510687945.X的中国专利公开了一种鹤铜合金与不诱钢整体材料的制备方法，制备繁 琐，工艺复杂。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于针焊鹤铜合金 与不诱钢的Ni基急冷针料及针焊工艺，该方法采用Ni基急冷针料对鹤铜合金与不诱钢进行 真空针焊工艺，提供的Ni基急冷针料具有烙化溫度范围窄，烙化时间短，抗氧化和抗腐蚀性 能好等优势，能获得组织致密的高强度接头;提供的真空针焊工艺无需添加针剂及其他保 护措施，实施方便快捷，针料的制备W及针焊工艺可重复再现，便于推广与应用。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种用于针焊鹤铜合金与不诱钢的Μ 基急冷针料，Ni基急冷针料质量百分比组成为:Μη 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu 3.5 ~5.5%，Zr 0.6~0.9%，余量为Ni。
[0006] 作为优选，化基急冷针料质量百分比组成为:Mn 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量为Ni。
[0007] 作为优选，Ni基急冷针料为锥片状，厚度为50~80μπι。
[000引一种鹤铜合金与不诱钢的针焊工艺，包括W下步骤：
[0009] (1)利用W28~W3.5号金相砂纸对待针焊的W-化合金和不诱钢表面进行清理，重点 清理待针焊面上的杂质、油污W及氧化膜;利用W3.5号金相砂纸对即将用于针焊的Μ基急 冷针料双面进行研磨清理，研磨后将W-Cu合金、不诱钢及Μ基急冷针料一起置于丙酬中，采 用超声波清洗15~20min后进行烘干处理；
[0010] (2)将清洗后的Μ基急冷针料置于W-Cu合金与不诱钢待焊表面之间，控制针焊间 隙15~25μπι，并紧贴装配于专用针焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压 头；
[0011] (3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的针焊炉中，然后按W下工 艺曲线进行针焊：
[0012] a)W8~12°C/min加热至300~350°C，在该溫度下保溫15~20min;
[0013] b)W5~l(TC/min继续加热至750~85(TC，在该溫度下保溫15~20min;
[0014] c)W7~13°C/min继续加热至针焊溫度1020~1035°C，在针焊溫度下保溫15~ 20min；
[0015] d)W5~8°C/min的;冷却速度冷却至400~600。。
[0016] e)程序运行结束，关闭加热，焊件进行随炉冷却，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0017] 作为优选，所述步骤(1)中所用的Ni基急冷针料厚度为50~80皿，
[0018] 作为优选，所述步骤（1)中Ni基急冷针料质量百分比组成为:Μη 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu3.5~5.5%，Zr0.6~0.9%，余量为Ni。
[0019] 作为优选，所述步骤（1)中Ni基急冷针料质量百分比组成为：Μη 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量为Ni。
[0020] 作为优选，所述步骤(2)中在夹具上放置额定质量的压头产生0.01~0.04M化的恒 定垂直压力。
[0021] 作为优选，所述步骤(2)中针料与不诱钢母材之间放置厚度为15~25WI1的不诱钢 片。
[0022] 本发明制备的Μ基急冷针料，通过合理添加多种合金元素使针料具有良好的针焊 工艺性能，满足W-Cu合金与不诱钢针焊接头在复杂环境中的性能要求。其中加入适量的Μη 元素可W通过固溶作用提高针焊接头的力学性能;加入适量的Si元素可降低针料的烙点及 提高润湿性;加入适量的化元素可提高合金针料的塑性和强度，提高针料对母材的润湿性， 促进针料与母材的固溶冶金反应，提高针焊接头的综合性能;加入适量的Zr元素可W细化 晶粒，提高接头强度，初性和耐腐蚀性；同时针料中大量的Μ元素不仅可W提高针料对母材 的润湿性，还可W通过与母材元素的固溶反应提高接头的强度及抗氧化抗腐蚀性。
[0023] 本发明提供的针焊工艺是采用先将W-化合金，Ni基急冷针料及不诱钢W对接的方 式放入专口的针焊夹具中，再将样品和夹具一同放入真空炉完成针焊，高真空环境配合合 理的工艺参数设定，使得整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，有助于获得力 学性能良好的针焊接头。
[0024] 有益效果:与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0025] (1)本发明提供的Μ基急冷针料烙化溫度范围窄，针料烙化时间短，有利于提高针 焊效率，且Ni元素能与胖，加，。6，吐等元素发生一定的固溶反应，有利于化基急冷针料对两 种母材的润湿与填缝，最终能形成组织致密，强度高的针焊接头。
[0026] (2)儀基针料是一种通用的多功能型针料，采用儀基针料针焊鹤铜和不诱钢，接头 具有良好的抗氧化和抗腐蚀性，扩大了鹤铜合金的应用场合。
[0027] (3)本发明提供的真空针焊工艺无须添加针剂及其他保护措施，高真空环境配合 合理的工艺参数设定，使得整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，有助于获得 力学性能良好的针焊接头。
【附图说明】
[0028] 图1为【具体实施方式】1的针焊结构件结构示意图；
[0029] 图2为具体实施1得到的针焊接头扫描电镜照片；
[0030] 图3为具体实施1得到的针焊接头剪切断口微观形貌照片。
【具体实施方式】
[0031] 实施例1
[0032] 选择W55-化合金与奥氏体不诱钢进行对接接头真空针焊。其中W55-化合金与奥氏 体不诱钢试样尺寸均为20mmX 20mmX 5mm，待针焊面为20mmX 5mm截面。
[0033] 所用的Ni基急冷针料厚度为50μπι，质量百分比组成为:Μη 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量为Ni。
[0034] -种鹤铜合金与不诱钢的针焊工艺，包括W下步骤：
[00对 （1)利用W28~W3.5号金相砂纸对待针焊的W-化合金和不诱钢表面进行清理，重点 清理待针焊面上的杂质、油污W及氧化膜;利用W3.5号金相砂纸将即将用于针焊的Μ基急 冷针料双面进行研磨清理，研磨后将W-Cu合金，不诱钢及Μ基急冷针料一起置于丙酬中，采 用超声波清洗15~20min后进行烘干处理；
[0036] (2)将清洗后的Μ基急冷针料置于W-Cu合金与不诱钢待焊表面之间，控制针焊间 隙20μπι，并紧贴装配于专用针焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头， 产生0.02MPa的恒定垂直压力，如图1所示；
[0037] (3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的针焊炉中，然后按W下工 艺曲线进行针焊：
[003引 a)Wl(TC/min 加热至 300。。
[0039] b)在该溫度下保溫15min，目的是使母材和针料表面或内部的放气过程能够充分 进行；
[0040] c)W7°C/min 继续加热至800°C;
[0041] d)在该溫度下保溫15min，目的是避免过大的热惯性和保证控溫精度；
[0042] e似irC/min继续加热至针焊溫度1025°C ;
[0043] f)在针焊溫度下保溫15min，目的是使针焊过程能够充分进行，防止出现未针透等 焊接缺陷；
[0044] g)W7°C/min 冷却至 500°C;
[0045] h)程序运行结束，关闭加热，焊件进行随炉冷却，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0046] 实验结果:获得的W55-CU合金与奥氏体不诱钢接头成型美观，如图2和图3所示，扫 描电镜观察发现针料对两侧母材具有良好的润湿性，针焊界面形成致密的界面结合，无微 裂纹，气孔等缺陷，室溫剪切强度为275MPa。
[0047] 实施例2
[0048] 选择W55-化合金与奥氏体不诱钢进行对接接头真空针焊。其中W55-化合金与奥氏 体不诱钢试样尺寸均为20mmX 20mmX 5mm，待针焊面为20mmX 5mm截面。
[0049] 所用的Ni基急冷针料厚度为70μπι，质量百分比组成为:Μη 21.0%，Si 3.0%，Cu 4.0%，Zr 0.6%，余量为Ni。
[0050] -种鹤铜合金与不诱钢的针焊工艺，包括W下步骤：
[0051] (1)利用W28~W3.5号金相砂纸对待针焊的W-化合金和不诱钢表面进行清理，重点 清理待针焊面上的杂质、油污W及氧化膜;利用W3.5号金相砂纸将即将用于针焊的Μ基急 冷针料双面进行研磨清理，研磨后将W-Cu合金，不诱钢及Μ基急冷针料一起置于丙酬中，采 用超声波清洗15~20min后进行烘干处理；
[0052] (2)将清洗后的Μ基急冷针料置于W-Cu合金与不诱钢待焊表面之间，控制针焊间 隙15μπι，并紧贴装配于专用针焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头， 产生0.03Μ化的恒定垂直压力；
[0053] (3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的针焊炉中，然后按W下工 艺曲线进行针焊：
[0化4] a)Wl2°C/min 加热至 350。。
[0055] b)在该溫度下保溫20min，目的是使母材和针料表面或内部的放气过程能够充分 进行；
[0056] C似5°C/min 继续加热至850。。
[0057] d)在该溫度下保溫20min，目的是避免过大的热惯性和保证控溫精度；
[0化引 e) Wl(TC/min继续加热至针焊溫度103(TC ;
[0059] f)在针焊溫度下保溫20min，目的是使针焊过程能够充分进行，防止出现未针透等 焊接缺陷；
[0060] g)W5°C/min 冷却至600°C;
[0061] h)程序运行结束，关闭加热，焊件进行随炉冷却，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0062] 实验结果:获得的W55-CU合金与奥氏体不诱钢接头成型美观，扫描电镜观察发现 针料对两侧母材具有良好的润湿性，针焊界面形成致密的界面结合，无微裂纹，气孔等缺 陷，室溫剪切强度为249MPa。
[0063] 实施例3
[0064] 选择W55-化合金与奥氏体不诱钢进行对接接头真空针焊。其中W55-化合金与奥氏 体不诱钢试样尺寸均为20mmX 20mmX 5mm，待针焊面为20mmX 5mm截面。
[0065] 所用的Ni基急冷针料厚度为80μπι，质量百分比组成为:Μη 25.0%，Si 5.0%，Cu 5.5%，Zr 0.9%，余量为Ni。
[0066] -种鹤铜合金与不诱钢的针焊工艺，包括W下步骤：
[0067] (1)利用W28~W3.5号金相砂纸对待针焊的W-化合金和不诱钢表面进行清理，重点 清理待针焊面上的杂质、油污W及氧化膜;利用W3.5号金相砂纸将即将用于针焊的Μ基急 冷针料双面进行研磨清理，研磨后将W-Cu合金，不诱钢及Μ基急冷针料一起置于丙酬中，采 用超声波清洗15~20min后进行烘干处理；
[0068] (2)将清洗后的Μ基急冷针料置于W-Cu合金与不诱钢待焊表面之间，控制针焊间 隙25μπι，并紧贴装配于专用针焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头， 产生0.04MPa的恒定垂直压力；
[0069] (3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的针焊炉中，然后按W下工 艺曲线进行针焊：
[0070] 曰）^8°(：/111111加热至300°(：;
[0071] b)在该溫度下保溫15min，目的是使母材和针料表面或内部的放气过程能够充分 进行；
[0072] C似9°C/min继续加热至850。
[0073] d)在该溫度下保溫20min，目的是避免过大的热惯性和保证控溫精度；
[0074] e似13°C/min继续加热至针焊溫度1035°C ;
[0075] f)在针焊溫度下保溫20min，目的是使针焊过程能够充分进行，防止出现未针透等 焊接缺陷；
[0076] g) W8°C/min冷却至400°C ;
[0077] h)程序运行结束，关闭加热，焊件进行随炉冷却，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0078] 实验结果:获得的W55-CU合金与奥氏体不诱钢接头成型美观，扫描电镜观察发现 针料对两侧母材具有良好的润湿性，针焊界面形成致密的界面结合，无微裂纹，气孔等缺 陷，室溫剪切强度为271MPa。
[0079] 为了便于与上述实施例对比，再做5组对比实施例:每个对比实施例与实施例1仅 仅Ni基急冷针料组分不同，其它焊接工艺均相同。表1列出了各对比实施例中针料组成质量 百分比W及焊接后接头的性能参数。
[0080] 表 1
[0081]
[0082] 通过实施例1至3和对比实施例1至5得出，Μη元素在Ni基针料中的作用主要是和母 材中的Cu元素发生固溶反应生成Cu(Mn)固溶体，从而提高针焊接头的力学性能。在不含Μη 元素的对比实施例1中可W发现针焊接头的剪切强度较低。Si元素在Ni基针料中的作用主 要是降低针料烙点和提供针料润湿性的作用。在不含Si元素的对比实施例2中可W发现该 针料润湿性一般，焊后接头发现针缝不连续缺陷。Cu元素在Μ基针料中的作用一是提高Μ 基针料的润湿性;二是与Ni，Mn，Fe元素发生固溶反应，提高接头力学性能。在不含化元素的 对比实施例3中可W发现接头的润湿性一般，剪切强度较低。在Ni基针料中加入适量的Zr元 素的作用主要是细化晶粒，提高接头的塑初性。在不含Zr元素的对比实施例4中可W发现接 头的剪切强度相比于实施例1中的剪切强度下降了很多。Ni基针料中的主要元素 Μ的作用 一是提高针料对母材的润湿性;二是与母材中的胖，加，。6，吐等元素发生固溶反应，提高接 头的力学性能及抗氧化腐蚀性能。在对比实施例5中，由于在该针料体系中Μ元素含量较 少，带来的首要问题是针料对母材的润湿性差，尤其是在不诱钢一侧的润湿性很差，从而导 致接头未针上。另外，由于含有过量的Si元素和Zr元素，接头会形成大量的脆性化合物，极 大降低接头的力学性能。
[0083] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料，其特征在于:Ni基急冷钎料质量 百分比组成为:Mn 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu 3.5~5.5%，Zr 0.6~0.9%，余量为 Ni〇2. 根据权利要求1所述的用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料，其特征在于:Ni 基急冷钎料质量百分比组成为:Μη 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量为Ni。3. 根据权利要求1所述的用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料，其特征在于:Ni 基急冷钎料为箱片状，厚度为50~80μπι。4. 一种钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，其特征在于，包括以下步骤： (1) 利用W28~W3.5号金相砂纸对待钎焊的W-Cu合金和不锈钢表面进行清理，重点清理 待钎焊面上的杂质、油污以及氧化膜;利用W3.5号金相砂纸对即将用于钎焊的Ni基急冷钎 料双面进行研磨清理，研磨后将W-Cu合金、不锈钢及Ni基急冷钎料一起置于丙酮中，采用超 声波清洗15~20min后进行烘干处理； (2) 将清洗后的Ni基急冷钎料置于W-Cu合金与不锈钢待焊表面之间，控制钎焊间隙15 ~25μπι，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头； (3) 将装配好的夹具整体置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的钎焊炉中，然后按以下工艺曲 线进行钎焊： a) 以8~12°C/min加热至300~350°C，在该温度下保温15~20min; b) 以5~10°C/min继续加热至750~850°C，在该温度下保温15~20min; c) 以7~13°C/min继续加热至钎焊温度1020~1035°C，在钎焊温度下保温15~20min; d) 以5~8°C/min的;冷却速度冷却至400~600°C ; e) 程序运行结束，关闭加热，焊件进行随炉冷却，待真空室温度冷至l〇〇°C以下取出焊 件。5. 根据权利要求4所述的钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，其特征在于:所述步骤（1)中 所用的Ni基急冷钎料厚度为50~80μπι。6. 根据权利要求4所述的钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，其特征在于:所述步骤（1)中 Ni基急冷钎料质量百分比组成为:Μη 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu 3.5~5.5%，Zr 0.6~0.9%，余量为Ni。7. 根据权利要求4所述的钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，其特征在于:所述步骤（1)中 Ni基急冷钎料质量百分比组成为:Mn 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量为Ni。8. 根据权利要求4所述的钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，其特征在于:所述步骤(2)中 在夹具上放置额定质量的压头产生0.01~0. 〇4MPa的恒定垂直压力。9. 根据权利要求4所述的钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，其特征在于:所述步骤(2)中 钎料与不锈钢母材之间放置厚度为15~25μπι的不锈钢片。
【文档编号】B23K1/20GK105965176SQ201610574070
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】夏春智, 周怡, 许祥平, 邹家生
【申请人】江苏科技大学