一种钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法与流程

本发明涉及焊接领域，具体涉及一种钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法。

背景技术：

钨铜合金综合了金属钨和铜的优点，微观组织均匀、耐高温、强度高、耐电弧烧蚀、密度大，导电、导热性能适中，有较广泛的用途。目前，已用于制造抗电弧烧蚀的高压电器开关的触头和火箭喷管喉衬、尾舵等高温构件，也用作电加工的电极、高温模具以及其他要求导电导热性能和高温使用的场合。

铬锆铜(cucrzr)具有较高的强度和硬度，导电性和导热性强，耐磨性和减磨性好，经时效处理后硬度、强度、导电性和导热性均显著提高。广泛用于电机整流子和对焊机等的电极，以及其他高温要求强度、硬度、导电性的零件。

钨铜与铬锆铜合金的连接能充分发挥这两种材料的优良性能，在高压开关电触头中，钨铜合金材料和铬锆铜合金常用作触头和基座，因此研究这两种材料的焊接具有重要的意义。

钨铜合金熔点极高，超过3000℃其中的钨成分还无法熔化，因此常规的熔化焊方法很难焊接。由于铜及铜合金的导热系数大，容易氧化，焊接接头中易产生气孔和裂纹等缺陷，铜合金的流动性大，空间位置的焊接难度大，熔焊的方法焊接铜合金也比较困难。近年来，学者们对钨铜及铜合金焊接进行了一系列的研究。专利cn108237280a提出了一种钨铜电极的焊接方法，采用钎焊的方法实现钨铜电极头和铜底座的连接，通过阻焊剂，把焊缝分成排气区和钎料加入区，钎焊率可以达到80％以上，该方法中阻焊剂的添加工艺比较复杂，焊接效率低。专利cn105057873a中先采用烧结的方法制造钨铜合金，在钨铜合金的表面上形成一层纯铜，然后采用电子束焊接的方法实现钨铜合金表面的铜和铬锆铜合金的连接。该方法钨铜合金烧结过程工艺复杂，烧结温度高，压力大，能耗高，电子束焊接虽然热影响区域小，但是需要高真空的环境，焊接成本高。此外，文献(j.lietal.fusionengineeringanddesign86(2011)2874–2878)中采用扩散焊的方法焊接钨和铬锆铜，加入钛中间层，钛的屈服强度和弹性模量比较小，长时间的扩散过程可有效减小焊接应力。

技术实现要素：

本发明的目的是为了缩短钨铜合金与铬锆铜合金焊接时间和避免阻焊剂的使用，降低焊接成本，提高焊接效率。为此本发明采用超声波辅助钎焊的方法连接钨铜与铬锆铜合金，通过钛合金中间层，在焊接过程中引用超声波，利用声空化作用促进融化的钎料在焊接面上的铺展和润湿。钨铜合金和铬锆铜合金组合焊接时，移动其中的一块母材，促进气泡的排出，然后在较低的焊接压力下，较短的时间内完成超声波辅助钎焊过程，此外，本发明可以在大气环境下进行焊接，对焊接操作人员的技术要求低，焊接效率高。

本发明的一种钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法，它是按照以下步骤进行的：

一、焊接前将待焊接的钨铜块与铬锆铜基座表面打磨光亮，并用丙酮作为清洗剂对两块母材进行超声波清洗，除去表面的杂质；

二、用卡具将上一步清洗后的钨铜块和铬锆铜基座固定在预热台上，预热温度为500～600℃，预热时间为5～30min；

三、预热后，用火焰喷枪分别对钨铜和铬锆铜的待焊接表面进行局部加热，火焰将待焊部位完整包围，在温度达到钎剂熔点的时，在待焊表面铺放钎剂，并使钎剂在待焊接表面铺展开；

四、在温度达到银基或者铜基钎料熔点时，将银基或铜基钎料预涂覆在已经被钎剂覆盖的待焊接表面；

五、钎料在待焊接面预铺展后，使用钛板作为中间层，置于钨铜或铬锆铜的待焊接面上，然后通过超声振动头对钛合金板施加超声；

六、将已经涂覆钎料的钨铜和铬锆铜母材通过卡具将焊接面组合到一起，并用火焰喷枪加热，达到焊接温度后，平移错位钨铜块2-3mm、往复2-5次；

七、将超声振动头放在钨铜合金上，施加0.2mpa压力，进行超声波辅助钎焊，保持压力，对焊接件进行风冷处理，即完成所述的钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法；

其中，步骤五和七中超声振动的工艺参数均为：振幅2-10μm，频率15-45khz，振动时间1-5s。

本发明方案的技术原理：

钨铜和铬锆铜合金的熔焊容易造成合金元素烧损、焊接裂纹、气孔等焊接缺陷，需要开发二者新的焊接方法，以形成良好的焊接接头。因此，本发明采用一种新的钎焊方法连接钨铜和铬锆铜合金，钎焊方法降低了焊接温度，有效减少或者避免了合金元素的烧损，同时用火焰喷枪局部加热焊接区域，并配合钎剂的保护作用，可使待焊表面保持洁净。通过钛合金板将超声振动引入到液态钎料润湿待焊表面的过程，促进液态钎料对母材润湿铺展。组合焊接过程中焊接面之间的相对移动，排出多余的气体，进而施加的超声振动，不仅可进一步促进焊缝中气孔的排出，而且通过声空化在液态钎料中产生高温、高压、微射流等热、力学效应，促进金属液的流动和原子的扩散，在较低焊接压力下，快速形成致密、可靠的焊接接头。

本发明包含以下有益效果：

1.焊接温度低，焊接变形量小，同时避免焊接后母材硬度大幅度下降。

2.焊接过程钎剂和火焰的双重保护，使待焊表现避免严重氧化。

3.引入的超声振动极大促进液态钎料与母材的润湿结合，帮助排出焊缝中的气孔，同时增强液态钎料的填缝能力，增加接头的钎透率。

4.焊接过程中铜合金不会形成液态，减少铜合金的氧化和裂纹的产生，导电率下降不明显。

5.焊接在大气环境下进行，灵活性强，效率高，成本低。

附图说明

图1为实施例1焊接后的零件毛坯照片；

图2为实施例1机加工之后零件的局部形貌照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法，它是按照以下步骤进行的：

一、焊接前将待焊接的钨铜块与铬锆铜基座表面打磨光亮，并用丙酮作为清洗剂对两块母材进行超声波清洗，除去表面的杂质；

二、用卡具将上一步清洗后的钨铜块和铬锆铜基座固定在预热台上，预热温度为500～600℃，预热时间为5～30min；

三、预热后，用火焰喷枪分别对钨铜和铬锆铜的待焊接表面进行局部加热，火焰将待焊部位完整包围，在温度达到钎剂熔点的时，在待焊表面铺放钎剂，并使钎剂在待焊接表面铺展开；

四、在温度达到银基或者铜基钎料熔点时，将银基或铜基钎料预涂覆在已经被钎剂覆盖的待焊接表面；

五、钎料在待焊接面预铺展后，使用钛板作为中间层，置于钨铜或铬锆铜的待焊接面上，然后通过超声振动头对钛合金板施加超声；

六、将已经涂覆钎料的钨铜和铬锆铜母材通过卡具将焊接面组合到一起，并用火焰喷枪加热，达到焊接温度后，平移错位钨铜块2-3mm、往复2-5次；

七、将超声振动头放在钨铜合金上，施加0.2mpa压力，进行超声波辅助钎焊，保持压力，对焊接件进行风冷处理，即完成所述的钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法；

其中，步骤五和七中超声振动的工艺参数均为：振幅2-10μm，频率15-45khz，振动时间1-5s。

本实施方式步骤一打磨目的是减少氧化物对焊接过程产生不良影响，并且用丙酮作为清洗剂对两块母材进行超声波清洗，除去表面的杂质，避免对钎料、钎剂的润湿产生不良影响。

步骤二的预热可有效减少焊接过程造成的残余应力。预热过程应避免温度超过600℃，预热温度超过600℃，会造成铬锆铜硬度大幅度的衰减，并且预热时间越长衰减情况越严重。

步骤三预热后，用火焰喷枪分别对钨铜和铬锆铜的待焊接表面进行局部加热，火焰将待焊部位完整包围，是为了防止其高温氧化。钎剂的作用是去除焊件表面氧化膜，加强后续钎料在焊接面的铺展和润湿能力，同时也可以保护母材和钎料，使其在加热过程中减少氧化。

步骤五通过超声振动促进液态钎料在待焊接表面的铺展润湿，并与母材形成冶金结合。

步骤六平移错位钨铜块使焊接面发生相对摩擦，有利于减少焊接面气孔的产生。

具体实施方式二：本实施方式具体实施方式一不同的是：步骤五中待焊接表面保留的钎料层厚度为0.1-0.6mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式具体实施方式一不同的是：钨铜合金为wcu20，铬锆铜合金为cucr1zr。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式具体实施方式一不同的是：步骤三在预热后，用火焰喷枪分别对钨铜和铬锆铜的待焊接表面进行局部加热，加热时间8～10min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式具体实施方式一不同的是：所述的钎剂为qj101、qj102或qj305。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式具体实施方式一不同的是：所述的银基为hl303、hl304、hl306、hl307或hl316，铜基钎料为hl204或hl205。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式具体实施方式一不同的是：步骤六火焰喷枪加热的加热温度为780℃～800℃。其它与具体实施方式一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例的一种钨铜合金与铬锆铜合金的钎焊方法，它是按照以下步骤进行的：

焊接过程：

一、选取长方体钨铜块(wcu20)和圆柱形铬锆铜基座(cucr1zr)，其中钨铜块的尺寸是30mm×10mm×28mm，圆柱形铬锆铜基座的外径为r1＝80.5mm，内径r2＝53.5mm，高度为30mm，其上均匀分布四个缺口，缺口的宽度为28.5mm，最大厚度为10.5mm，高度为30mm，将需要焊接的钨铜与铬锆铜材料用500#砂纸打磨光亮，并且用丙酮作为清洗剂在超声振动的情况下对板材进行焊前清洗20min。

二、将丙酮清洗后的钨铜块和铬锆铜基座放在加热平台上进行预热，设定预热温度600℃。

三、在预热温度接近600℃时，用火焰喷枪对焊接区域进行局部加热，加热时间8～10min，在温度达到700℃以上时，用刮刀将qj102钎剂涂覆在钨铜和铬锆铜的待焊接表面。

四、继续加热至780℃，将银基钎料棒(牌号hl306)涂覆在已经被钎剂破除过氧化膜的表面。

五、钎料在焊接面预铺展后，把3mm厚的钛板作为中间层，分别置于钨铜和铬锆铜的待焊接表面上，对工件施加超声振动，待焊接表面保留0.2mm的钎料层。采用的超声振幅为10μm，振动频率为22khz，振动时间为2s。

六、两块已经处理完成的母材通过卡具组合在一起，保持加热温度780℃～800℃之间，用镊子夹持钨铜块在焊接面平移摩擦错位2mm、往复2次。

七、把超声振动头放在钨铜块上，施加0.2mpa压力，进行超声波辅助钎焊。超声振动参数与步骤五的一致。

八、保持压力不变，焊接件进行风冷处理，焊后形成的毛坯件如图1所示，机加工之后接头的局部形貌如图2所示。如图所示，接头质量良好，焊缝致密，无明显缺陷。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。