Ni基-药芯焊丝及制备铜-钢基梯度复合材料的方法与流程

本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种ni基-药芯焊丝，还涉及一种基于该ni基-药芯焊丝作为过渡层制备铜-钢基梯度复合材料的方法。

背景技术：

由于我国铜资源的短缺，导致铜及其合金价格逐年提高，并且铜的强度较低易变形，严重制约着其长远发展。钢材在我国年产量逐年增高，价格较低且具有较高的强度及加工性，适用于各种工况条件下的零件材料。若采用铜-钢双金属复合材料来替代单一的纯铜或铜合金的使用是一个不错的选择。这样既可以节约大量的贵金属铜，降低了零件制造成本，还能充分发挥铜优异的耐蚀、隔磁性和钢的高强、易加工性，从而提高了铜/钢复合零件的综合力学性能，具有较好的经济效益和使用范围。但是，铜和钢之间的热物性参数相差较大，如线膨胀系数差异，使得零件易产生焊接热应力；导热系数差异(铜侧散热快)，使其在不预热的情况下得不到熔合性较好的焊接接头。因此，采用堆焊的方式制备铜/钢复合结构件具有明显的优势，既可以满足铜侧在无需预热的条件下进行，还能在焊接过程中以梯度结构形式添加过渡材料，以提高铜和钢界面之间的结合能力，提升复合零件的力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种ni基-药芯焊丝，作为过渡层避免了铜-钢直接连接时，由于两种材料的热物性参数差异而造成的焊接缺陷。

本发明的另外一个目的是提供一种基于上述ni基-药芯焊丝作为过渡层制备铜-钢基梯度复合材料的方法，该方法解决了现有铜/钢复合材料间由于直接相连而导致的焊接缺陷，能够使得零件由钢侧到铜侧达到梯度形式的结合，以增强异质材料界面的结合能力，提高了复合构件的力学性能。

本发明所采用的技术方案是，一种ni基-药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：ni粉：86％～90％，mn粉：3％～5％，si粉：6％～7％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明的特征还在于，

焊皮为纯铜带，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％-25wt％。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种基于ni基-药芯焊丝作为过渡层制备铜-钢基梯度复合材料的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按质量百分比分别称取：ni粉：86％～90％，mn粉：3％～5％，si粉：6％～7％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；

将上述称取好的金属粉末作为药芯，以纯铜带作为焊皮，通过焊丝成型机制成所需的ni基-药芯焊丝；

步骤2：将低碳钢焊丝、纯铜焊丝和步骤1所制备的用于过渡层的ni基-药芯焊丝分别进行表面处理：清洗-烘干；

步骤3：将碳钢板表面进行机械清理，放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理；

步骤4：利用熔化极气体保护焊技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊：首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层，最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构。

本发明的特征还在于，

步骤2中，低碳钢焊丝为：chw50-c6焊丝；纯铜焊丝为：s201焊丝。

步骤2中，将低碳钢焊丝、纯铜焊丝及ni基-药芯焊丝分别进行的表面处理为：使用无水乙醇对焊丝表面进行擦拭，然后在40℃～60℃条件下烘干。

步骤3中，低碳钢板为：q235钢板，超声波清洗时间为：15min～30min，预热温度为：200℃～300℃。

步骤4中，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a～225a、焊接电压：21v～22v、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：3.2mm～3.4mm、摆弧频率：4.5-5hz、保护气体：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a～235a、焊接电压：23v～24v、焊接速度：0.15mm/min～0.25mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210a～250a、焊接电压：25v～26v、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：2.8mm～3.0mm、摆弧频率：3.5-4hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气。

步骤4中，钢侧和过渡层的焊丝伸出长度：15mm，铜侧的焊丝伸出长度：11mm，钢侧和过渡层的层间冷却温度：120℃～160℃，铜侧的层间冷却温度：80℃～100℃。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的ni基-药芯焊丝，作为过渡层避免了铜-钢直接连接时，由于两种材料的热物性参数差异而造成的焊接缺陷。

(2)本发明的制备方法通过在铜、钢异质材料焊接间添加梯度过渡层，使得过渡层与钢、过渡层与铜之间达到梯度结合形式，避免了铜-钢直接连接时，由于两种材料的热物性参数差异而造成的焊接缺陷，提升零件综合力学性能。

(3)本发明的制备方法在逐层堆焊时，前一道焊缝对后一道焊缝可以起到良好的预热效果，而后一道焊缝又为前一道焊缝起到了良好的热处理作用，同时还能缩短复合零件的生产周期，提高材料利用率，以节约制造成本。

(4)本发明的制备方法中基于的控制层间温度，能够降低钢至钢侧、钢至铜侧和铜至铜侧焊接裂纹的产生，且工艺简单、操作方便、能够极大程度上优化铜-钢复合结构件的生产流程。

附图说明

图1是本发明实施例3中铜-钢梯度复合后薄壁墙体结构的宏观形貌图；

图2是本发明实施例3中薄壁墙体结构过渡层焊缝中心的微观形貌图；

图3是本发明实施例3中薄壁墙体结构过渡层-铜侧界面的微观形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种ni基-药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：ni粉：86％～90％，mn粉：3％～5％，si粉：6％～7％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。

其中：

1)ni元素为主要组元且占较大比重，是由于ni的熔点介于cu和fe之间，可以与cu元素、fe元素形成无限固溶体，并且均无金属间化合物产生，同时ni元素还可以提高成型件的韧性；

2)mn元素可以净化焊缝，脱氧、磷、硫等有害杂质，此外，mn元素还可以提高成型件的强度；

3)si元素主要作为脱氧剂，可以与钢中的feo结合形成密度小的硅酸盐焊渣，而被除去。还可以提升成型件的硬度。

焊皮为纯铜带，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％-25wt％。

本发明还提供一种基于ni基-药芯焊丝作为过渡层制备铜-钢基梯度复合材料的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按质量百分比分别称取：ni粉：86％～90％，mn粉：3％～5％，si粉：6％～7％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；

将上述称取好的金属粉末作为药芯，以纯铜带作为焊皮，通过焊丝成型机制成所需的ni基-药芯焊丝，具体为：将称取后的上述金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温，然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；

步骤2：将低碳钢焊丝、纯铜焊丝和步骤1所制备的用于过渡层的ni基-药芯焊丝分别进行表面处理：清洗-烘干；

步骤2中，低碳钢焊丝为：chw50-c6焊丝；纯铜焊丝为：s201焊丝；

步骤2中，将低碳钢焊丝、纯铜焊丝及ni基-药芯焊丝分别进行的表面处理为：使用无水乙醇对焊丝表面进行擦拭，然后在40℃～60℃条件下烘干；

步骤3：将碳钢板表面进行机械清理，放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理；

步骤3中，低碳钢板为：q235钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝200mm×50mm×5mm，超声波清洗时间为：15min～30min，预热温度为：200℃～300℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊：首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层，最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构；

步骤4中，钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a～225a、焊接电压：21v～22v、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：3.2mm～3.4mm、摆弧频率：4.5-5hz、保护气体：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a～235a、焊接电压：23v～24v、焊接速度：0.15mm/min～0.25mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210a～250a、焊接电压：25v～26v、焊接速度：0.2mm/min～0.3mm/min、摆幅宽度：2.8mm～3.0mm、摆弧频率：3.5-4hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气。

步骤4中，钢侧和过渡层的焊丝伸出长度：15mm，铜侧的焊丝伸出长度：11mm，钢侧和过渡层的层间冷却温度：120℃～160℃，铜侧的层间冷却温度：80℃～100℃。

实施例1-5中所用的钢板为：q235钢板，低碳钢焊丝为：chw50-c6焊丝，过渡层焊丝为：步骤1所制备的ni基-药芯焊丝，纯铜焊丝为：s201焊丝，钢板的尺寸规格为：200mm×50mm×5mm，三种焊丝的丝径均为：

实施例1

步骤1：首先按ni粉为86％，mn粉为5％，si粉为7％，cu粉为2％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％；

步骤2：将低碳钢焊丝、过渡层ni基-药芯焊丝和纯铜焊丝分别进行表面处理，即使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：40℃；

步骤3：将尺寸规格为：200mm×50mm×5mm的碳钢板表面进行机械清理，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：15min。晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：200℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊。首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层。钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a、焊接电压：21v、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3.2mm、摆弧频率：4.5hz、保护气体：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a、焊接电压：23v、焊接速度：0.15mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：210a、焊接电压：25v、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：2.8mm、摆弧频率：3.5hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气，焊接过程中控制钢侧和过渡层的层间冷却温度：120℃，铜侧的层间冷却温度：80℃。最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构。

用实施例1方法所制备出的铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁构件的力学性能为：抗拉强度294.759mpa，屈服强度189.434mpa，室温冲击功38j，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。

实施例2

步骤1：首先按ni粉为87％，mn粉为4％，si粉为6％，cu粉为3％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt％；

步骤2：将低碳钢焊丝、过渡层ni基-药芯焊丝和纯铜焊丝分别进行表面处理，即使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：42℃；

步骤3：将尺寸规格为：200mm×50mm×5mm的碳钢板表面进行机械清理，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：18min。晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：220℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊。首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层。钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：222a、焊接电压：21.5v、焊接速度：0.25mm/min、摆幅宽度：3.3mm、摆弧频率：4.7hz、保护气体：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：225a、焊接电压：23.5v、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：220a、焊接电压：25v、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：2.9mm、摆弧频率：3.6hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气，焊接过程中控制钢侧和过渡层的层间冷却温度：130℃，铜侧的层间冷却温度：85℃。最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构。

用实施例2方法所制备出的铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁构件的力学性能为：抗拉强度352.712mpa，屈服强度241.225mpa，室温冲击功45j，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。

实施例3

步骤1：首先按ni粉为88％，mn粉为4％，si粉为6％，cu粉为2％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为23wt％；

步骤2：将低碳钢焊丝、过渡层ni基-药芯焊丝和纯铜焊丝分别进行表面处理，即使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：50℃；

步骤3：将尺寸规格为：200mm×50mm×5mm的碳钢板表面进行机械清理，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：20min。晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：250℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊。首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层。钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：223a、焊接电压：21.5v、焊接速度：0.25mm/min、摆幅宽度：3.3mm、摆弧频率：4.8hz、保护气体：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：230a、焊接电压：23.5v、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：230a、焊接电压：25.5v、焊接速度：0.25mm/min、摆幅宽度：2.9mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气，焊接过程中控制钢侧和过渡层的层间冷却温度：140℃，铜侧的层间冷却温度：90℃。最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构。

铜-钢梯度复合后薄壁墙体结构的宏观形貌如图1所示，薄壁墙体结构过渡层焊缝中心处的微观形貌如图2所示，薄壁墙体结构过渡层-铜侧界面结合处的微观形貌如图3所示。

由图1可以看出，使用该制备方法得到的铜-钢梯度复合薄壁墙体结构成形性良好，未出现明显的塌陷现象。

由图2可以看出，过渡层为胞状的枝晶结构，其为fe-ni-cu的三相组织，内部组织分布非常均匀。

由图3可以看出，ni基-过渡层与铜侧未出现明显的界面，已形成了梯度间结合。在铜侧可以发现泛铁现象中未出现较大颗粒的fe球或者fe的团聚倾向，通过力学性能测试发现，添加过渡层后，改变了fe的扩散形式，使得薄壁墙体结构的力学性能更优。

用实施例3方法所制备出的铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁构件的力学性能为：抗拉强度359.41mpa，屈服强度234.108mpa，室温冲击功46j，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。

实施例4

步骤1：首先按ni粉为89％，mn粉为3％，si粉为6％，cu粉为2％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为23wt％；

步骤2：将低碳钢焊丝、过渡层ni基-药芯焊丝和纯铜焊丝分别进行表面处理，即使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：55℃；

步骤3：将尺寸规格为：200mm×50mm×5mm的碳钢板表面进行机械清理，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：15min。晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：270℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊。首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层。钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：224a、焊接电压：22v、焊接速度：0.25mm/min、摆幅宽度：3.4mm、摆弧频率：4.9hz、保护气体：体积分数为90％ar+体积分数为10％co2的混合气体，以上组分体积百分比之和为100％；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：235a、焊接电压：23.5v、焊接速度：0.2mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：240a、焊接电压：25.5v、焊接速度：0.25mm/min、摆幅宽度：2.9mm、摆弧频率：3.9hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气，焊接过程中控制钢侧和过渡层的层间冷却温度：150℃，铜侧的层间冷却温度：95℃。最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构。

用实施例4方法所制备出的铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁构件的力学性能为：抗拉强度323.284mpa，屈服强度207.675mpa，室温冲击功42j，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。

实施例5

步骤1：首先按ni粉为90％，mn粉为3％，si粉为6％，cu粉为1％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为23wt％；

步骤2：将低碳钢焊丝、过渡层ni基-药芯焊丝和纯铜焊丝分别进行表面处理，即使用无水乙醇布进行擦拭，并放入真空管式炉中烘干，烘干温度为：60℃；

步骤3：将尺寸规格为：200mm×50mm×5mm的碳钢板表面进行机械清理，然后放入超声波仪器中进行无水乙醇清洗，清洗时间为：30min。晾干后放入真空箱式加热炉中进行预热处理，预热温度为：300℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，在低碳钢板表面进行逐层堆焊。首先基于低碳钢焊丝堆焊钢层，然后基于ni基-药芯焊丝堆焊梯度过渡层，最后基于纯铜焊丝堆焊铜层。钢侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：225a、焊接电压：22v、焊接速度：0.3mm/min、摆幅宽度：3.4mm、摆弧频率：5hz、保护气体：90％ar+10％co2的混合气体；过渡层焊接工艺具体参数为：焊接电流：235a、焊接电压：24v、焊接速度：0.25mm/min、摆幅宽度：3mm、摆弧频率：3.8hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气；铜侧焊接工艺具体参数为：焊接电流：250a、焊接电压：26v、焊接速度：0.3mm/min、摆幅宽度：3.0mm、摆弧频率：4hz、保护气体：体积分数为99.99％的ar气，焊接过程中控制钢侧和过渡层的层间冷却温度：160℃，铜侧的层间冷却温度：100℃。最终得到铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构。

用实施例5方法所制备出的铜-钢基梯度复合的薄壁墙体结构，经力学性能检测，薄壁构件的力学性能为：抗拉强度334.619mpa，屈服强度215.051mpa，室温冲击功44j，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，墙体结构无裂纹及夹渣缺陷。

本发明所研制的过渡层药芯焊丝是针对于电弧增材铜-钢异质结构零件，通过在铜、钢异质材料焊接过程中添加梯度过渡层，使得过渡层与钢、过渡层与铜之间能够达到梯度结合形式，避免了铜-钢直接连接时，造成的焊接缺陷，以提升零件综合力学性能。本发明制备方法基于电弧增材制造技术还可以缩短铜-钢复合零件的生产周期，提高材料的利用率，以节约制造成本。