用于釬焊鎢銅合金與不銹鋼的Ni基急冷釬料及釬焊工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于釬焊鎢銅合金與不銹鋼的Ni基急冷釬料及釬焊工藝，包括以下步驟：(1)利用金相砂紙對待釬焊的W?Cu合金和不銹鋼表面進行清理；利用W3.5號金相砂紙對即將用于釬焊的Ni基急冷釬料雙面進行研磨清理，研磨后將W?Cu合金、不銹鋼及Ni基急冷釬料一起置于丙酮中，采用超聲波清洗后進行烘干處理；(2)將清洗后的Ni基急冷釬料置于W?Cu合金與不銹鋼待焊表面之間，控制釬焊間隙15～25μm，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中；(3)將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6×10?4Pa的釬焊爐中，然后按以下工藝曲線進行釬焊。本發明提供的Ni基急冷釬料熔化溫度范圍窄，釬料熔化時間短，有利于提高釬焊效率，且Ni元素能與W，Cu，Fe，Cr等元素發生一定的固溶反應。
【專利說明】
用于釘焊鉆銅合金與不誘鋼的N i基急冷釘料及釘焊工藝
技術領域
[0001] 本發明設及用于針焊鶴銅合金與不誘鋼的Μ基急冷針料及針焊工藝，屬于異質材 料焊接技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著鶴銅合金越來越多地應用在高溫結構件上，鶴銅合金與不誘鋼連接制成復合 件正越來越受到市場歡迎。鶴銅合金與不誘鋼異種材料連接時常因為兩者的線脹系數、烙 點W及熱導率等存在較大差異，且復合件在制備及使用過程中受循環熱載荷作用，接頭處 易產生應力集中，增加斷裂傾向，降低焊縫金屬的力學性能。此外，鶴銅合金對氣體雜質敏 感，焊接界面易形成孔桐，焊縫組織脆化，影響接頭的氣密性及承載能力。因此，焊接中間合 金的設計及由循環熱載荷造成的組織結構變化和由氣體雜質污染、焊接應力引起的焊縫性 能失效是鶴銅復合材料與不誘鋼等異種材料焊接面臨的主要問題。
[0003] 針焊因其特殊的工藝特點，具有對母材影響小，焊件應力和變形小等優勢。針焊作 為重要的焊接技術，對于新材料連接具有獨特優越性，特別適用于難烙焊材料及異種材料 的連接。真空針焊技術因在真空環境下對材料進行針焊，是抑制鶴銅合金被氣體雜質污染 的較好的方法。專利號為201210158935.3的中國專利公開了一種采用Ti-Fe-化-Cu系針料 針焊鶴銅合金與不誘鋼的真空針焊工藝。相比于Ti-Fe-Zr-化系針料，本發明提供的Ni基急 冷針料具有針料烙化溫度范圍窄，針料烙化時間短等優勢，有利于提高針焊效率。此外，采 用Μ基針料針焊鶴銅與不誘鋼，針焊接頭具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能，更有利于擴大 鶴銅合金的應用范圍。專利號為201510126420.9的中國專利公開了一種采用Zr基針料針焊 鶴銅合金與不誘鋼的真空針焊工藝，潤濕性和填縫性較差，針焊接頭質量不高。專利號為 201510687945.X的中國專利公開了一種鶴銅合金與不誘鋼整體材料的制備方法，制備繁 瑣，工藝復雜。
【發明內容】
[0004] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種用于針焊鶴銅合金 與不誘鋼的Ni基急冷針料及針焊工藝，該方法采用Ni基急冷針料對鶴銅合金與不誘鋼進行 真空針焊工藝，提供的Ni基急冷針料具有烙化溫度范圍窄，烙化時間短，抗氧化和抗腐蝕性 能好等優勢，能獲得組織致密的高強度接頭;提供的真空針焊工藝無需添加針劑及其他保 護措施，實施方便快捷，針料的制備W及針焊工藝可重復再現，便于推廣與應用。
[0005] 技術方案:為解決上述技術問題，本發明的一種用于針焊鶴銅合金與不誘鋼的Μ 基急冷針料，Ni基急冷針料質量百分比組成為:Μη 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu 3.5 ~5.5%，Zr 0.6~0.9%，余量為Ni。
[0006] 作為優選，化基急冷針料質量百分比組成為:Mn 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量為Ni。
[0007] 作為優選，Ni基急冷針料為錐片狀，厚度為50~80μπι。
[000引一種鶴銅合金與不誘鋼的針焊工藝，包括W下步驟：
[0009] (1)利用W28~W3.5號金相砂紙對待針焊的W-化合金和不誘鋼表面進行清理，重點 清理待針焊面上的雜質、油污W及氧化膜;利用W3.5號金相砂紙對即將用于針焊的Μ基急 冷針料雙面進行研磨清理，研磨后將W-Cu合金、不誘鋼及Μ基急冷針料一起置于丙酬中，采 用超聲波清洗15~20min后進行烘干處理；
[0010] (2)將清洗后的Μ基急冷針料置于W-Cu合金與不誘鋼待焊表面之間，控制針焊間 隙15~25μπι，并緊貼裝配于專用針焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓 頭；
[0011] (3)將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的針焊爐中，然后按W下工 藝曲線進行針焊：
[0012] a)W8~12°C/min加熱至300~350°C，在該溫度下保溫15~20min;
[0013] b)W5~l(TC/min繼續加熱至750~85(TC，在該溫度下保溫15~20min;
[0014] c)W7~13°C/min繼續加熱至針焊溫度1020~1035°C，在針焊溫度下保溫15~ 20min；
[0015] d)W5~8°C/min的;冷卻速度冷卻至400~600。。
[0016] e)程序運行結束，關閉加熱，焊件進行隨爐冷卻，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0017] 作為優選，所述步驟(1)中所用的Ni基急冷針料厚度為50~80皿，
[0018] 作為優選，所述步驟（1)中Ni基急冷針料質量百分比組成為:Μη 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu3.5~5.5%，Zr0.6~0.9%，余量為Ni。
[0019] 作為優選，所述步驟（1)中Ni基急冷針料質量百分比組成為：Μη 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量為Ni。
[0020] 作為優選，所述步驟(2)中在夾具上放置額定質量的壓頭產生0.01~0.04M化的恒 定垂直壓力。
[0021] 作為優選，所述步驟(2)中針料與不誘鋼母材之間放置厚度為15~25WI1的不誘鋼 片。
[0022] 本發明制備的Μ基急冷針料，通過合理添加多種合金元素使針料具有良好的針焊 工藝性能，滿足W-Cu合金與不誘鋼針焊接頭在復雜環境中的性能要求。其中加入適量的Μη 元素可W通過固溶作用提高針焊接頭的力學性能;加入適量的Si元素可降低針料的烙點及 提高潤濕性;加入適量的化元素可提高合金針料的塑性和強度，提高針料對母材的潤濕性， 促進針料與母材的固溶冶金反應，提高針焊接頭的綜合性能;加入適量的Zr元素可W細化 晶粒，提高接頭強度，初性和耐腐蝕性；同時針料中大量的Μ元素不僅可W提高針料對母材 的潤濕性，還可W通過與母材元素的固溶反應提高接頭的強度及抗氧化抗腐蝕性。
[0023] 本發明提供的針焊工藝是采用先將W-化合金，Ni基急冷針料及不誘鋼W對接的方 式放入專口的針焊夾具中，再將樣品和夾具一同放入真空爐完成針焊，高真空環境配合合 理的工藝參數設定，使得整個構件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，有助于獲得力 學性能良好的針焊接頭。
[0024] 有益效果:與現有技術相比，本發明具有W下優點：
[0025] (1)本發明提供的Μ基急冷針料烙化溫度范圍窄，針料烙化時間短，有利于提高針 焊效率，且Ni元素能與胖，加，。6，吐等元素發生一定的固溶反應，有利于化基急冷針料對兩 種母材的潤濕與填縫，最終能形成組織致密，強度高的針焊接頭。
[0026] (2)儀基針料是一種通用的多功能型針料，采用儀基針料針焊鶴銅和不誘鋼，接頭 具有良好的抗氧化和抗腐蝕性，擴大了鶴銅合金的應用場合。
[0027] (3)本發明提供的真空針焊工藝無須添加針劑及其他保護措施，高真空環境配合 合理的工藝參數設定，使得整個構件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，有助于獲得 力學性能良好的針焊接頭。
【附圖說明】
[0028] 圖1為【具體實施方式】1的針焊結構件結構示意圖；
[0029] 圖2為具體實施1得到的針焊接頭掃描電鏡照片；
[0030] 圖3為具體實施1得到的針焊接頭剪切斷口微觀形貌照片。
【具體實施方式】
[0031] 實施例1
[0032] 選擇W55-化合金與奧氏體不誘鋼進行對接接頭真空針焊。其中W55-化合金與奧氏 體不誘鋼試樣尺寸均為20mmX 20mmX 5mm，待針焊面為20mmX 5mm截面。
[0033] 所用的Ni基急冷針料厚度為50μπι，質量百分比組成為:Μη 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量為Ni。
[0034] -種鶴銅合金與不誘鋼的針焊工藝，包括W下步驟：
[00對 （1)利用W28~W3.5號金相砂紙對待針焊的W-化合金和不誘鋼表面進行清理，重點 清理待針焊面上的雜質、油污W及氧化膜;利用W3.5號金相砂紙將即將用于針焊的Μ基急 冷針料雙面進行研磨清理，研磨后將W-Cu合金，不誘鋼及Μ基急冷針料一起置于丙酬中，采 用超聲波清洗15~20min后進行烘干處理；
[0036] (2)將清洗后的Μ基急冷針料置于W-Cu合金與不誘鋼待焊表面之間，控制針焊間 隙20μπι，并緊貼裝配于專用針焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭， 產生0.02MPa的恒定垂直壓力，如圖1所示；
[0037] (3)將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的針焊爐中，然后按W下工 藝曲線進行針焊：
[003引 a)Wl(TC/min 加熱至 300。。
[0039] b)在該溫度下保溫15min，目的是使母材和針料表面或內部的放氣過程能夠充分 進行；
[0040] c)W7°C/min 繼續加熱至800°C;
[0041] d)在該溫度下保溫15min，目的是避免過大的熱慣性和保證控溫精度；
[0042] e似irC/min繼續加熱至針焊溫度1025°C ;
[0043] f)在針焊溫度下保溫15min，目的是使針焊過程能夠充分進行，防止出現未針透等 焊接缺陷；
[0044] g)W7°C/min 冷卻至 500°C;
[0045] h)程序運行結束，關閉加熱，焊件進行隨爐冷卻，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0046] 實驗結果:獲得的W55-CU合金與奧氏體不誘鋼接頭成型美觀，如圖2和圖3所示，掃 描電鏡觀察發現針料對兩側母材具有良好的潤濕性，針焊界面形成致密的界面結合，無微 裂紋，氣孔等缺陷，室溫剪切強度為275MPa。
[0047] 實施例2
[0048] 選擇W55-化合金與奧氏體不誘鋼進行對接接頭真空針焊。其中W55-化合金與奧氏 體不誘鋼試樣尺寸均為20mmX 20mmX 5mm，待針焊面為20mmX 5mm截面。
[0049] 所用的Ni基急冷針料厚度為70μπι，質量百分比組成為:Μη 21.0%，Si 3.0%，Cu 4.0%，Zr 0.6%，余量為Ni。
[0050] -種鶴銅合金與不誘鋼的針焊工藝，包括W下步驟：
[0051] (1)利用W28~W3.5號金相砂紙對待針焊的W-化合金和不誘鋼表面進行清理，重點 清理待針焊面上的雜質、油污W及氧化膜;利用W3.5號金相砂紙將即將用于針焊的Μ基急 冷針料雙面進行研磨清理，研磨后將W-Cu合金，不誘鋼及Μ基急冷針料一起置于丙酬中，采 用超聲波清洗15~20min后進行烘干處理；
[0052] (2)將清洗后的Μ基急冷針料置于W-Cu合金與不誘鋼待焊表面之間，控制針焊間 隙15μπι，并緊貼裝配于專用針焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭， 產生0.03Μ化的恒定垂直壓力；
[0053] (3)將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的針焊爐中，然后按W下工 藝曲線進行針焊：
[0化4] a)Wl2°C/min 加熱至 350。。
[0055] b)在該溫度下保溫20min，目的是使母材和針料表面或內部的放氣過程能夠充分 進行；
[0056] C似5°C/min 繼續加熱至850。。
[0057] d)在該溫度下保溫20min，目的是避免過大的熱慣性和保證控溫精度；
[0化引 e) Wl(TC/min繼續加熱至針焊溫度103(TC ;
[0059] f)在針焊溫度下保溫20min，目的是使針焊過程能夠充分進行，防止出現未針透等 焊接缺陷；
[0060] g)W5°C/min 冷卻至600°C;
[0061] h)程序運行結束，關閉加熱，焊件進行隨爐冷卻，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0062] 實驗結果:獲得的W55-CU合金與奧氏體不誘鋼接頭成型美觀，掃描電鏡觀察發現 針料對兩側母材具有良好的潤濕性，針焊界面形成致密的界面結合，無微裂紋，氣孔等缺 陷，室溫剪切強度為249MPa。
[0063] 實施例3
[0064] 選擇W55-化合金與奧氏體不誘鋼進行對接接頭真空針焊。其中W55-化合金與奧氏 體不誘鋼試樣尺寸均為20mmX 20mmX 5mm，待針焊面為20mmX 5mm截面。
[0065] 所用的Ni基急冷針料厚度為80μπι，質量百分比組成為:Μη 25.0%，Si 5.0%，Cu 5.5%，Zr 0.9%，余量為Ni。
[0066] -種鶴銅合金與不誘鋼的針焊工藝，包括W下步驟：
[0067] (1)利用W28~W3.5號金相砂紙對待針焊的W-化合金和不誘鋼表面進行清理，重點 清理待針焊面上的雜質、油污W及氧化膜;利用W3.5號金相砂紙將即將用于針焊的Μ基急 冷針料雙面進行研磨清理，研磨后將W-Cu合金，不誘鋼及Μ基急冷針料一起置于丙酬中，采 用超聲波清洗15~20min后進行烘干處理；
[0068] (2)將清洗后的Μ基急冷針料置于W-Cu合金與不誘鋼待焊表面之間，控制針焊間 隙25μπι，并緊貼裝配于專用針焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭， 產生0.04MPa的恒定垂直壓力；
[0069] (3)將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的針焊爐中，然后按W下工 藝曲線進行針焊：
[0070] 曰）^8°(：/111111加熱至300°(：;
[0071] b)在該溫度下保溫15min，目的是使母材和針料表面或內部的放氣過程能夠充分 進行；
[0072] C似9°C/min繼續加熱至850。
[0073] d)在該溫度下保溫20min，目的是避免過大的熱慣性和保證控溫精度；
[0074] e似13°C/min繼續加熱至針焊溫度1035°C ;
[0075] f)在針焊溫度下保溫20min，目的是使針焊過程能夠充分進行，防止出現未針透等 焊接缺陷；
[0076] g) W8°C/min冷卻至400°C ;
[0077] h)程序運行結束，關閉加熱，焊件進行隨爐冷卻，待真空室溫度冷至100°CW下取 出焊件。
[0078] 實驗結果:獲得的W55-CU合金與奧氏體不誘鋼接頭成型美觀，掃描電鏡觀察發現 針料對兩側母材具有良好的潤濕性，針焊界面形成致密的界面結合，無微裂紋，氣孔等缺 陷，室溫剪切強度為271MPa。
[0079] 為了便于與上述實施例對比，再做5組對比實施例:每個對比實施例與實施例1僅 僅Ni基急冷針料組分不同，其它焊接工藝均相同。表1列出了各對比實施例中針料組成質量 百分比W及焊接后接頭的性能參數。
[0080] 表 1
[0081]
[0082] 通過實施例1至3和對比實施例1至5得出，Μη元素在Ni基針料中的作用主要是和母 材中的Cu元素發生固溶反應生成Cu(Mn)固溶體，從而提高針焊接頭的力學性能。在不含Μη 元素的對比實施例1中可W發現針焊接頭的剪切強度較低。Si元素在Ni基針料中的作用主 要是降低針料烙點和提供針料潤濕性的作用。在不含Si元素的對比實施例2中可W發現該 針料潤濕性一般，焊后接頭發現針縫不連續缺陷。Cu元素在Μ基針料中的作用一是提高Μ 基針料的潤濕性;二是與Ni，Mn，Fe元素發生固溶反應，提高接頭力學性能。在不含化元素的 對比實施例3中可W發現接頭的潤濕性一般，剪切強度較低。在Ni基針料中加入適量的Zr元 素的作用主要是細化晶粒，提高接頭的塑初性。在不含Zr元素的對比實施例4中可W發現接 頭的剪切強度相比于實施例1中的剪切強度下降了很多。Ni基針料中的主要元素 Μ的作用 一是提高針料對母材的潤濕性;二是與母材中的胖，加，。6，吐等元素發生固溶反應，提高接 頭的力學性能及抗氧化腐蝕性能。在對比實施例5中，由于在該針料體系中Μ元素含量較 少，帶來的首要問題是針料對母材的潤濕性差，尤其是在不誘鋼一側的潤濕性很差，從而導 致接頭未針上。另外，由于含有過量的Si元素和Zr元素，接頭會形成大量的脆性化合物，極 大降低接頭的力學性能。
[0083] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種用于釬焊鎢銅合金與不銹鋼的Ni基急冷釬料，其特征在于:Ni基急冷釬料質量 百分比組成為:Mn 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu 3.5~5.5%，Zr 0.6~0.9%，余量為 Ni〇2. 根據權利要求1所述的用于釬焊鎢銅合金與不銹鋼的Ni基急冷釬料，其特征在于:Ni 基急冷釬料質量百分比組成為:Μη 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量為Ni。3. 根據權利要求1所述的用于釬焊鎢銅合金與不銹鋼的Ni基急冷釬料，其特征在于:Ni 基急冷釬料為箱片狀，厚度為50~80μπι。4. 一種鎢銅合金與不銹鋼的釬焊工藝，其特征在于，包括以下步驟： (1) 利用W28~W3.5號金相砂紙對待釬焊的W-Cu合金和不銹鋼表面進行清理，重點清理 待釬焊面上的雜質、油污以及氧化膜;利用W3.5號金相砂紙對即將用于釬焊的Ni基急冷釬 料雙面進行研磨清理，研磨后將W-Cu合金、不銹鋼及Ni基急冷釬料一起置于丙酮中，采用超 聲波清洗15~20min后進行烘干處理； (2) 將清洗后的Ni基急冷釬料置于W-Cu合金與不銹鋼待焊表面之間，控制釬焊間隙15 ~25μπι，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質量的壓頭； (3) 將裝配好的夾具整體置于真空度不低于6 Xl(T4Pa的釬焊爐中，然后按以下工藝曲 線進行釬焊： a) 以8~12°C/min加熱至300~350°C，在該溫度下保溫15~20min; b) 以5~10°C/min繼續加熱至750~850°C，在該溫度下保溫15~20min; c) 以7~13°C/min繼續加熱至釬焊溫度1020~1035°C，在釬焊溫度下保溫15~20min; d) 以5~8°C/min的;冷卻速度冷卻至400~600°C ; e) 程序運行結束，關閉加熱，焊件進行隨爐冷卻，待真空室溫度冷至l〇〇°C以下取出焊 件。5. 根據權利要求4所述的鎢銅合金與不銹鋼的釬焊工藝，其特征在于:所述步驟（1)中 所用的Ni基急冷釬料厚度為50~80μπι。6. 根據權利要求4所述的鎢銅合金與不銹鋼的釬焊工藝，其特征在于:所述步驟（1)中 Ni基急冷釬料質量百分比組成為:Μη 20.0~25.0%，Si 3.0~5.0%，Cu 3.5~5.5%，Zr 0.6~0.9%，余量為Ni。7. 根據權利要求4所述的鎢銅合金與不銹鋼的釬焊工藝，其特征在于:所述步驟（1)中 Ni基急冷釬料質量百分比組成為:Mn 23.0%，Si 4.0%，Cu 5.0%，Zr 0.8%，余量為Ni。8. 根據權利要求4所述的鎢銅合金與不銹鋼的釬焊工藝，其特征在于:所述步驟(2)中 在夾具上放置額定質量的壓頭產生0.01~0. 〇4MPa的恒定垂直壓力。9. 根據權利要求4所述的鎢銅合金與不銹鋼的釬焊工藝，其特征在于:所述步驟(2)中 釬料與不銹鋼母材之間放置厚度為15~25μπι的不銹鋼片。
【文檔編號】B23K1/20GK105965176SQ201610574070
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月20日
【發明人】夏春智, 周怡, 許祥平, 鄒家生
【申請人】江蘇科技大學