用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料及钎焊工艺

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。

说明书

技术领域

本发明涉及用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料及钎焊工艺，属于异质材料焊接技术领域。

背景技术

随着钨铜合金越来越多地应用在高温结构件上，钨铜合金与不锈钢连接制成复合件正越来越受到市场欢迎。钨铜合金与不锈钢异种材料连接时常因为两者的线胀系数、熔点以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，钨铜合金对气体杂质敏感，焊接界面易形成孔洞，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钨铜复合材料与不锈钢等异种材料焊接面临的主要问题。

钎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。钎焊作为重要的焊接技术，对于新材料连接具有独特优越性，特别适用于难熔焊材料及异种材料的连接。真空钎焊技术因在真空环境下对材料进行钎焊，是抑制钨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-Zr-Cu系钎料钎焊钨铜合金与不锈钢的真空钎焊工艺。相比于Ti-Fe-Zr-Cu系钎料，本发明提供的Ni基急冷钎料具有钎料熔化温度范围窄，钎料熔化时间短等优势，有利于提高钎焊效率。此外，采用Ni基钎料钎焊钨铜与不锈钢，钎焊接头具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能，更有利于扩大钨铜合金的应用范围。专利号为201510126420.9的中国专利公开了一种采用Zr基钎料钎焊钨铜合金与不锈钢的真空钎焊工艺，润湿性和填缝性较差，钎焊接头质量不高。专利号为201510687945.X的中国专利公开了一种钨铜合金与不锈钢整体材料的制备方法，制备繁琐，工艺复杂。

发明内容

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钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni基急冷钎料及钎焊工艺，该方法采用Ni基急冷钎料对钨铜合金与不锈钢进行真空钎焊工艺，提供的Ni基急冷钎料具有熔化温度范围窄，熔化时间短，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；提供的真空钎焊工艺无需添加钎剂及其他保护措施，实施方便快捷，钎料的制备以及钎焊工艺可重复再现，便于推广与应用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于钎焊钨铜合金与不锈钢的Ni 基急冷钎料，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。

作为优选，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。

作为优选，Ni基急冷钎料为箔片状，厚度为50～80μm。

一种钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，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15～25μm，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6×10^-4Pa的钎焊炉中，然后按以下工艺曲线进行钎焊：

a)以8～12℃/min加热至300～350℃，在该温度下保温15～20min；

b)以5～10℃/min继续加热至750～850℃，在该温度下保温15～20min；

c)以7～13℃/min继续加热至钎焊温度1020～1035℃，在钎焊温度下保温15～20min；

d)以5～8℃/min的；冷却速度冷却至400～600℃；

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100℃以下取出焊件。

作为优选，所述步骤(1)中所用的Ni基急冷钎料厚度为50～80μm，

作为优选，所述步骤(1)中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。

作为优选，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。

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0.01～0.04MPa的恒定垂直压力。

作为优选，所述步骤(2)中钎料与不锈钢母材之间放置厚度为15～25μm的不锈钢片。

本发明制备的Ni基急冷钎料，通过合理添加多种合金元素使钎料具有良好的钎焊工艺性能，满足W-Cu合金与不锈钢钎焊接头在复杂环境中的性能要求。其中加入适量 的Mn元素可以通过固溶作用提高钎焊接头的力学性能；加入适量的Si元素可降低钎料的熔点及提高润湿性；加入适量的Cu元素可提高合金钎料的塑性和强度，提高钎料对母材的润湿性，促进钎料与母材的固溶冶金反应，提高钎焊接头的综合性能；加入适量的Zr元素可以细化晶粒，提高接头强度，韧性和耐腐蚀性；同时钎料中大量的Ni元素不仅可以提高钎料对母材的润湿性，还可以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。

本发明提供的钎焊工艺是采用先将W-Cu合金，Ni基急冷钎料及不锈钢以对接的方式放入专门的钎焊夹具中，再将样品和夹具一同放入真空炉完成钎焊，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钎焊接头。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)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，有利于Ni基急冷钎料对两种母材的润湿与填缝，最终能形成组织致密，强度高的钎焊接头。

(2)镍基钎料是一种通用的多功能型钎料，采用镍基钎料钎焊钨铜和不锈钢，接头具有良好的抗氧化和抗腐蚀性，扩大了钨铜合金的应用场合。

(3)本发明提供的真空钎焊工艺无须添加钎剂及其他保护措施，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钎焊接头。

附图说明

图1为具体实施方式1的钎焊结构件结构示意图；

图2为具体实施1得到的钎焊接头扫描电镜照片；

图3为具体实施1得到的钎焊接头剪切断口微观形貌照片。

具体实施方式

实施例1

选择W55-Cu合金与奥氏体不锈钢进行对接接头真空钎焊。其中W55-Cu合金与奥氏体不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。

所用的Ni基急冷钎料厚度为50μm，质量百分比组成为：Mn 23.0％，Si 4.0％，Cu 5.0％，Zr 0.8％，余量为Ni。

一种钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，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号金相砂纸将即将用于钎焊 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20μm，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，产生0.02MPa的恒定垂直压力，如图1所示；

(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：

a)以10℃/min加热至300℃；

b)在该温度下保温15min，目的是使母材和钎料表面或内部的放气过程能够充分进行；

c)以7℃/min继续加热至800℃；

d)在该温度下保温15min，目的是避免过大的热惯性和保证控温精度；

e)以11℃/min继续加热至钎焊温度1025℃；

f)在钎焊温度下保温15min，目的是使钎焊过程能够充分进行，防止出现未钎透等焊接缺陷；

g)以7℃/min冷却至500℃；

h)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100℃以下取出焊件。

实验结果：获得的W55-Cu合金与奥氏体不锈钢接头成型美观，如图2和图3所示，扫描电镜观察发现钎料对两侧母材具有良好的润湿性，钎焊界面形成致密的界面结合，无微裂纹，气孔等缺陷，室温剪切强度为275MPa。

实施例2

选择W55-Cu合金与奥氏体不锈钢进行对接接头真空钎焊。其中W55-Cu合金与奥氏体不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。

所用的Ni基急冷钎料厚度为70μm，质量百分比组成为：Mn 21.0％，Si 3.0％，Cu 4.0％，Zr 0.6％，余量为Ni。

一种钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，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号金相砂纸将即将用于钎焊的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15μm，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，产生0.03MPa的恒定垂直压力；

(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：

a)以12℃/min加热至350℃；

b)在该温度下保温20min，目的是使母材和钎料表面或内部的放气过程能够充分进行；

c)以5℃/min继续加热至850℃；

d)在该温度下保温20min，目的是避免过大的热惯性和保证控温精度；

e)以10℃/min继续加热至钎焊温度1030℃；

f)在钎焊温度下保温20min，目的是使钎焊过程能够充分进行，防止出现未钎透等焊接缺陷；

g)以5℃/min冷却至600℃；

h)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100℃以下取出焊件。

实验结果：获得的W55-Cu合金与奥氏体不锈钢接头成型美观，扫描电镜观察发现钎料对两侧母材具有良好的润湿性，钎焊界面形成致密的界面结合，无微裂纹，气孔等缺陷，室温剪切强度为249MPa。

实施例3

选择W55-Cu合金与奥氏体不锈钢进行对接接头真空钎焊。其中W55-Cu合金与奥氏体不锈钢试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。

所用的Ni基急冷钎料厚度为80μm，质量百分比组成为：Mn 25.0％，Si 5.0％，Cu 5.5％，Zr 0.9％，余量为Ni。

一种钨铜合金与不锈钢的钎焊工艺，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号金相砂纸将即将用于钎焊的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25μm，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，产生0.04MPa的恒定垂直压力；

(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：

a)以8℃/min加热至300℃；

b)在该温度下保温15min，目的是使母材和钎料表面或内部的放气过程能够充分进行；

c)以9℃/min继续加热至850℃；

d)在该温度下保温20min，目的是避免过大的热惯性和保证控温精度；

e)以13℃/min继续加热至钎焊温度1035℃；

f)在钎焊温度下保温20min，目的是使钎焊过程能够充分进行，防止出现未钎透等焊接缺陷；

g)以8℃/min冷却至400℃；

h)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100℃以下取出焊件。

实验结果：获得的W55-Cu合金与奥氏体不锈钢接头成型美观，扫描电镜观察发现钎料对两侧母材具有良好的润湿性，钎焊界面形成致密的界面结合，无微裂纹，气孔等缺陷，室温剪切强度为271MPa。

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基急冷钎料组分不同，其它焊接工艺均相同。表1列出了各对比实施例中钎料组成质量百分比以及焊接后接头的性能参数。

表1

通过实施例1至3和对比实施例1至5得出，Mn元素在Ni基钎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，从而提高钎焊接头的力学性 能。在不含Mn元素的对比实施例1中可以发现钎焊接头的剪切强度较低。Si元素在Ni基钎料中的作用主要是降低钎料熔点和提供钎料润湿性的作用。在不含Si元素的对比实施例2中可以发现该钎料润湿性一般，焊后接头发现钎缝不连续缺陷。Cu元素在Ni基钎料中的作用一是提高Ni基钎料的润湿性；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Cu元素的对比实施例3中可以发现接头的润湿性一般，剪切强度较低。在Ni基钎料中加入适量的Zr元素的作用主要是细化晶粒，提高接头的塑韧性。在不含Zr元素的对比实施例4中可以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基钎料中的主要元素Ni的作用一是提高钎料对母材的润湿性；二是与母材中的W，Cu，Fe，Cr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，由于在该钎料体系中Ni元素含量较少，带来的首要问题是钎料对母材的润湿性差，尤其是在不锈钢一侧的润湿性很差，从而导致接头未钎上。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。

以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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。