一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法
【专利摘要】本发明属于金属连接领域，具体涉及一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法。本发明提供的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法通过将低碳钢试样打磨、洗净后预热，利用加热板将试样加热到240℃～260℃，将混合钎剂布撒到母材打磨后的焊接位置，同时将钎料持续送入焊接位置的熔化液滴中，将浸镀过焊锡的紫铜导线直接插入低碳钢试样焊接位置的焊锡液滴，润湿形成完整的接头，待液滴完全凝固后，可静置冷却至室温得到。本发明提供的连接方法相较于传统焊接方式，具有设备简单、原料简单、工艺简便、焊接温度低等优点。利用本发明提供的连接方法得到的焊接接头具有电阻率低，接头的可重复性好的优良性能。
【专利说明】一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法
【【技术领域】】
[0001]本发明属于金属连接领域，具体涉及一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法。
【【背景技术】】
[0002]为了研究金属材料，尤其是碳钢等黑色金属材料的电化学腐蚀过程发生的原因及规律，常采用电化学腐蚀试验，进行极化曲线测量。一般需用石蜡对试样进行蜡封，在试样上留出Icm2面积进行测试，此外，试样还需采用导线与电化学工作站进行连接，连接接头金属的暴露位置同样需要进行蜡封。
[0003]在对碳钢等铁基材料进行制样的过程中，往往需要将铁基材料与紫铜导线进行连接。在金属连接过程中，尤其是在非承载结构的连接中，常常采用钎焊进行连接。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。既能够保证接头质量，又能够保证连接工艺基本不影响母材性能。目前常用的连接方式除焊接外，还存在压接、钻孔等连接方式。压接则主要依靠机械力对试样间进行材料的物理连接，其电阻率往往由于压接力的不同、卡具不同而存在较大差异，从而导致极化曲线的差异；钻孔连接同样存在重复性差、连接电阻率不稳定等缺陷。因此，采用焊接方式，最为可靠，而钎焊由于其设备小巧、连接稳定、连接头电阻率低等优势，成为最为适宜导通接头的连接方式。
[0004]美国焊接学会(AWS)规定，当钎料液相线温度高于450°C，属于硬钎焊，低于450°C，则属于软钎焊，而我国一般以350°C作为分界线。对于碳钢等材料连接，通常采用电弧焊、硬钎焊进行连接，此类连接方法焊接温度高，热影响区大，而且往往由于热源温度高，导致试样的烧蚀和涂层的破坏等。此外，由于热影响，还会造成晶粒长大、组织变化等现象，对测量材料的极化曲线的准 确度造成一定影响。
[0005]针对碳钢母材，其相转变最低温度为727°C，因此，焊接过程若想基本不影响母材性能，应保证焊接温度低于727°C。因此若采用钎焊连接碳钢基体与紫铜导线，应满足焊接温度低于727°C。此外，碳钢材料的再结晶温度一般在0.4Tm,以Q235钢(A3钢亦属此类)为例，其碳含量在0.2左右，其熔点温度为1500°C左右(1495~1538°C )，则再结晶温度在600 0C左右，在此温度以下则不易出现新的等轴晶。
[0006]异种材料焊接以Cu母材与碳钢母材为例，如采用钎焊，则需钎料与两种母材均能润湿，并发生反应，生成化合物。现在针对上述两种母材，多采用电弧焊或硬钎焊方法。如《现代焊接》碳钢与紫铜的焊接工艺研究中，记述了采用Ag50CuZnCd钎料进行钎焊，钎焊温度> 800°C ;此外，还有采用H62黄铜钎料进行焊接的。但上述钎料均为硬钎焊，不能满足保持原有母材相和组织的要求，若要保持碳钢组织，应将钎焊温度降低到600°C以下。而采用软钎焊则更为合适。但目前，仅铜基、镍基等材料可通过软钎焊进行连接。而碳钢与铜的软钎焊连接未见报道。【
【发明内容】
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[0007]为克服上述碳钢与紫铜通过传统工艺焊接过程中存在的不足，本发明提供了一种低温连接碳钢与紫铜异种材料的方法，降低了接头电阻率以及连接工艺对于母材的热影响，保证接头的良好性能。
[0008]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]本发明提供了一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，包括制样和测试步骤，其中制样包括将试样与导线的低温连接，其中低温连接包括下述步骤:
[0010]I).备样:将净化打磨后碳钢试样烘干后用电热板将碳钢试样预热并保持在240°C~260°C，并于碳钢试样上布撒混合钎剂和钎料；碳钢试样的上下表面为平行面，碳钢试样打磨的粗糙度为3.2微米以下。
[0011]2).焊接导线:将经浸镀处理的紫铜导线同经步骤I)处理的碳钢试样接触，冷却至室温，即得。
[0012]本发明提供的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法中，碳钢母材的碳含量< 0.3% ;采用的混合钎剂的熔点为180°C~249°C，混合钎剂由ZnCl2和NH4Cl组成，混合钎剂中NH4Cl的质量百分比为16%~26% ;钎料为软钎料中的Sn钎料或Sn-3.5Ag。[0013]本发明中先将碳钢母材切割成块体或薄片试样(如直径为5mm~20mm的圆柱或长方体试样，薄片试样亦可)以满足电化学试验应用，将试样上下表面加工为平行面，须将试样焊接位置打磨为表面粗糙度3.2微米以下，可单个试样加热或小批量试样加热；焊接前，应将电热板表面清理干净，无残渣、液体或易挥发物残留。随后进行预热；首先，将电热板预热到232°C以上温度，采用的加热板的控温精度为1°C，减少了在加热过程中温度骤变对整个母材的影响，使得钎料持续熔化并充分润湿母材，保证了最终焊接头具有良好的性能；并保证母材具有一定的过热度，根据相图可知，当Sn的加热温度达到232°C以上10~15°C便可出现液相，熔化后的Sn可与母材迅速反应。母材金属中的Fe与Sn生成FeSn和FeSn2两种成分固定的稳定化合物，利用这一原理，可以满足Fe相与FeSn (FeSn2)相与Sn相的稳定过渡，即满足Sn与铁基母材的润湿，并形成分子结合。最终形成稳定的接头。钎料的选择上，较软钎料中的铅基、锌基等钎料而言，纯Sn或Sn-3.5Ag的使用，使得最终制得的接头在性能上更优良。
[0014]由于无防护(覆盖层、气氛)的Fe基材料在加热中极易氧化，故而温度不宜过高，当温度超过200°C即会发生明显氧化。在抛光的焊接位置出现棕黄色氧化层，随加热时间延长或温度升高，氧化量逐渐增大。焊接过程中，可用红外测温仪测量试样温度，当试样温度达到232°C以上温度并保证一定过热度后，将助焊剂添加到母材焊接面上，同时用焊锡丝直接接触铁基母材焊接位置，待焊丝熔化，助焊剂在液态锡覆盖下逐渐清除焊接表面的氧化物，由于液态锡覆盖，阻止了助焊剂的迅速挥发，保证了助焊剂对表面的清洁作用。随着焊接表面净化以及Fe与Sn反应的完成，钎料逐渐与基体润湿，并逐渐铺展，当润湿角大于90°后，即可认为在基体Fe与钎料Sn之间生成了 FeSn (FeSn2)过渡层，从而完成母材的反应，随后，可将试样从电热板上移除，在试样台静置。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0016]I)设备简单:仅用电热板即可完成纯铜与碳钢的异种材料连接；[0017]2)原料简单:所用原料均可通过市售获得，仅需ZnCl2, NH4Cl,纯Sn焊锡丝；
[0018]3)工艺简便:通过现有钎料选择、焊接温度控制、钎剂配比优化即可获得良好的焊接接头；
[0019]4)焊接温度低:避免了通过硬钎焊连接带来的高温，将焊接温度控制在300°C以下，热影响区小，远低于碳钢的退火温度，对母材微观组织及性能影响小；
[0020]5)焊接接头性能优良:得到的焊接接头电阻率低，接头的可重复性好。
【【具体实施方式】】
[0021]实施例1[0022]母材采用Q235碳钢，切割为直径10臟，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1臟，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用“松香”进行助焊，钎剂的熔点温度为:135°C。首先将试样加热到245°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将钎料持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎剂先于钎料熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0023]实施例2
[0024]母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl274%，NH4C126%，熔点温度为:180°C，首先将试样加热到235°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将纯Sn持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎剂先于钎料熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0025]实施例3
[0026]母材采用Q235碳钢，切割为直径10臟，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1臟，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl284%，NH4Cl 16%，熔点温度为:249°C，首先将试样加热到255°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将Sn-3.5Ag持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料先于钎剂熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0027]实施例4
[0028]母材采用Q235碳钢，切割为直径10臟，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1臟，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl290%，NH4Cl 10%，熔点温度为:240°C，首先将试样加热到230°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将铅基钎料持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料钎料均未熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0029]实施例5
[0030]母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl290%，NH4Cl 10%，熔点温度为:240°C，首先将试样加热到240°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将Sn持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎剂与钎料几乎同时熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0031]实施例6
[0032]母材采用Q235碳钢，切割为直径10臟，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1臟，钎料采用纯Sn钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl284%，NH4Cl 16%，熔点温度为:249°C，首先将试样加热到240°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将Sn-3.5Ag持续送入焊接位置的熔化液滴中，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料先于钎剂熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0033]实施例7
[0034]母材采用Q235碳钢，切割为直径10mm，高度IOmm圆柱，紫铜导线直径1mm，钎料采用Sn3.5Ag共晶钎料进行焊接，钎剂采用ZnCl290%，NH4C110%，熔点温度为:240°C，首先将试样加热到240°C，将钎剂布撒到母材焊接位置，同时将锌基钎料持续送入接触位置的熔化液滴，随焊丝不断熔化，液滴逐渐变大，钎料先于钎剂熔化，随后进行导线焊接，冷却至室温，形成接头。
[0035]依据上述I~7各实施例中均对Q235碳钢打磨至表面粗糙度为3.2微米以下，先用氢氧化钠清洗，随后用丙酮清洗后烘干，预热至250°C后进行碳钢试样母材反应和与紫铜导线焊接。将I~7各实施例中的碳钢(直径IOmm,高度IOmm圆柱)、紫铜导线直径(1mm，长20cm)、接头组成的导体进行电阻测量，对比各实施例的导电性能，每实施例制作6组平行式样，取平均值。所得电阻结果见表1所示。
[0036]各实施例焊接结果如表1所示:
[0037]表1各实施例焊接结果
[0038]
【权利要求】
1.一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，所述低温连接包括下述步骤: 0.备样:将净化打磨后碳钢试样烘干后用电热板将碳钢试样预热并保持在240°c?260°C，并于碳钢试样上布撒混合钎剂和钎料； 2).焊接导线:将经浸镀处理的紫铜导线同经步骤I)处理的碳钢试样接触，冷却至室温，即得。
2.如权利I所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于:所述碳钢母材的碳含量< 0.3%。
3.如权利I所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于:所述混合钎剂的熔点为180°C?249°C。
4.如权利3所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于:所述混合钎剂由ZnCl2和NH4Cl组成，混合钎剂中NH4Cl的质量百分比为16%?26%。
5.如权利I所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于:所述钎料为软钎料。
6.如权利I所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于:所述软钎料为Sn钎料或Sn-3.5Ag。
7.如权利I所述的一种电化学腐蚀试验用低碳钢、紫铜导线的低温连接方法，其特征在于:将所述碳钢试样的上下表面为平行面，碳钢试样打磨的粗糙度为3.2微米以下。
【文档编号】G01N1/28GK103624357SQ201310687706
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】聂京凯, 韩钰, 朱全军, 陈新, 李现兵, 樊超, 陈川, 马光, 祝志祥, 杨富尧, 孔晓峰, 何明峰, 王斌, 江应沪 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院, 国网浙江省电力公司金华供电公司