真空扩散焊结合真空钎焊制备CT球管转子铜套的方法

摘要

本发明公开了一种真空扩散焊结合真空钎焊制备CT球管转子铜套的方法，包括以下步骤：S1、表面处理：将碳钢基体和若干铜导条进行表面处理，将铜导条电镀银；S2、真空扩散焊：将铜导条插入碳钢基体的径向固定槽内，然后将碳钢基体放入真空发电等离子设备中进行真空扩散焊；S3、真空钎焊：将熔合铜导条后的碳钢基体与铜端环之间通过添加钎料进行真空钎焊，温度为900‑950℃，得到工件；S4、热处理：将真空钎焊后的工件继续放置在真空钎焊炉内进行热处理；S5、精密加工。本发明采用真空扩散焊和真空钎焊相结合，制备出一种满足CT球管高温真空使用环境的转子铜套，可以满足CT球管行业的特殊需求。

说明书

技术领域

本发明涉及钎焊制备CT球管转子技术领域，具体是涉及真空扩散焊结合真空钎焊制备CT球管转子铜套的方法。

背景技术

CT球管是一种用于产生X射线的高真空的阴极射线二极管，当电流在阴极灯丝加热时，产生自由电子，此时在阴阳两极同时施加高压电，使电势差突然增大，形成活跃的电子束并由阴极高速撞击阳极钼基钨靶，其中1%的电能转换为X射线发出，其余转换为热能散出。由于CT球管的高热容量，需要更大的力矩驱动靶盘高速旋转，因此普通转子铜套无法实现，需采用高性能的铸铜转子。

铜的熔点高，一般CT球管铜套采用压铸的方式，将铜液注入模腔，施以压力，再将铜液挤入有间隙的钢基体里面，钢铜界面紧密，几乎不存在气孔和缝隙，但由于是非真空条件，容易发生氧化；而真空钎焊不会氧化，灵活机动，可以满足特殊行业小批量的需求，缺点则是钢铜界面存在较多气孔和缝隙，在真空环境下会大量放气和变形。

因此，需要开发一种满足CT球管高温真空使用环境的转子铜套，可以满足CT球管行业技术复杂程度高的特殊需求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种真空扩散焊结合真空钎焊制备CT球管转子铜套的方法。

本发明的技术方案是：

真空扩散焊结合真空钎焊制备CT球管转子铜套的方法，包括以下步骤：

S1、表面处理：将碳钢基体和若干铜导条依次采用酸洗、碱洗和金相砂纸打磨去除表面油脂和氧化物，将铜导条进行超声电镀，镀层厚度为0.2-0.5mm，得到电镀后的铜导条；

S2、真空扩散焊：将电镀后的铜导条一一插入碳钢基体的径向固定槽内，然后将碳钢基体放入真空发电等离子设备中，加压至30MPa，升温至980℃，保温30min，使铜导条与碳钢基体之间形成冶金结合，随后冷却至常温，释放热应力得到熔合铜导条后的碳钢基体；

S3、真空钎焊：将熔合铜导条后的碳钢基体与铜端环之间通过添加钎料进行真空钎焊，温度为900-950℃，得到工件；

S4、热处理：将真空钎焊后的工件继续放置在真空钎焊炉内以400-500℃/h的降温速度快速冷却至780℃，保温15min，随后以40-80℃/h的降温速度冷却至室温出炉，得到工件；

S5、精密加工：采用铣床加工工件至符合工艺要求。

进一步地，所述步骤S1中碳钢基体的材料为15#碳钢，铜导条的材料为T2铜，选用高质量的基材能够使制备的转子工件性能更优。

进一步地，所述步骤S1中电镀层为银，使用镀银后的铜导条与碳钢基体之间更容易形成冶金结合，结合力更强，得到的工件强度更高。

进一步地，所述步骤S2中采用脉冲电流的发电方式，其中，基值电流为260A，脉冲电流为320A，脉冲频率为2Hz，占空比为50%，利用脉冲电流的磁收缩作用加强对真空扩散焊中焊缝部位的刺激，有利于提高焊接部位的均匀性，避免出现上凸下凹现象，提高了工件强度。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S3-1、预置钎料：将真空扩散焊后的碳钢基体端头处均匀铺设片状钎料，在片状钎料的上方铺设面积相同的薄纯铝片，在薄纯铝片上方铺设中间层辅料，在中间层辅料上方铺设与薄纯铝片面积相同的片状钎料；

S3-2、预钎焊：将铺设钎料后的碳钢基体放入真空钎焊炉中，抽真空至0.01Pa，以50-70℃/h的升温速度升温至100-150℃，保温30min，继续抽真空至2Pa，随后以180-220℃/h的升温速度升温至250-350℃，保温1h，随后以80-110℃/h的升温速度升温至400-450℃，保温10-20min，再保持真空状态以260-280℃/h的降温速度快速冷却至室温出炉，得到与熔融钎料微冶金结合的碳钢基体；

S3-3、钎料加工：对钎料部位进行精车加工，使其与铜端环能够相互匹配；

S3-4、二次钎焊：在钎料部位上方铺设膏状钎料，将钎焊后的碳钢基体与铜端环使用夹具固定放入真空钎焊炉中，将真空钎焊炉抽真空至5×10

更进一步地，所述步骤S3-1中片状钎料的成分及含量为：Ag 85-88wt%、In 6-9wt%、Cu 4wt%、Cd 1.5-2.5wt%，片状钎料的厚度为0.3-0.8mm，所述纯薄铝片的厚度为50-70μm，所述中间层辅料为超细WO

更进一步地，所述步骤S3-4中膏状钎料的成分及含量为：Ag-In微球75-82wt%、粘结剂16-23wt%、抗氧化剂2wt%。改进后的膏状钎料提高了真空钎焊加工的灵活性。

更进一步地，所述Ag-In微球为直径45-50μm的Ag球外包覆厚度2-3μm的In层；所述粘结剂的成分及含量为：松油醇60-65wt%、聚乙二醇12wt%、饱和硅酸钠溶液12-17wt%、松香树脂8wt%、烷基酚聚氧乙烯醚2wt%、白油1wt%；所述抗氧化剂为对苯二酚。所使用的Ag-In微球在较低的温度下即可使外层的In熔化，与内部的Ag形成富银化合物，而富银化合物熔点较高，能够提高真空钎焊温度工艺范围，且Ag-In微球与片状钎料的契合度高，结合强度更好。利用上述配比得到的结合剂黏度适中，具有良好的触变性能，且在600℃以上高温下完全分解无残留。

进一步地，所述夹具包括石墨基体和用于固定转子的固定环，所述石墨基体中部由上至下开设有放置槽，所述放置槽底部设有转盘，位于放置槽内下部的石墨基体表面设有环形槽，所述环形槽与碳钢基体和铜端环的钎焊部位对应，所述固定环为两组且分别位于环形槽上下两侧。利用夹具可以有效对工件进行固定，避免在焊接过程中出现错位或挤压变形。

更进一步地，所述转盘外圆周设有凸环，所述石墨基体内部设有与所述凸环转动连接的凹槽。可以通过旋转的方式提高焊接均匀性。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明采用真空扩散焊和真空钎焊相结合，制备出一种满足CT球管高温真空使用环境的转子铜套，可以满足CT球管行业的特殊需求。

（2）本发明使用镀银后的铜导条与碳钢基体进行真空扩散焊，并结合脉冲电流的作用，有利于提高焊接部位的均匀性，避免出现上凸下凹现象，更容易形成冶金结合，结合力更强，得到的工件强度更高。

（3）本发明使用分步真空钎焊的方法对钎料的配方进行了改进以及对钎料进行了预处理，能够减少钎料流失，防止焊缝部位减薄，提高了碳钢基体与铜端环之间的结合强度，使用Ag-In为主的钎料可以改善铜钢之间的润湿性，并且钎料具有良好的铺展性和填缝性，加入铝片可以有效缓解接头处残余应力，加入超细WO

（4）本发明所使用的Ag-In微球在较低的温度下即可使外层的In熔化，与内部的Ag形成富银化合物，而富银化合物熔点较高，能够提高真空钎焊温度工艺范围，且Ag-In微球与片状钎料的契合度高，结合强度更好。利用上述配比得到的结合剂黏度适中，具有良好的触变性能，且在600℃以上高温下完全分解无残留。

附图说明

图1是本发明碳钢基体的结构示意图；

图2是本发明成品转子铜套工件结构示意图；

图3是本发明夹具结构示意图。

其中，1-碳钢基体，11-径向固定槽，2-铜导条，3-铜端环，4-石墨基体，5-固定环，6-放置槽，7-转盘，8-环形槽，9-凸环。

具体实施方式

实施例1

真空扩散焊结合真空钎焊制备CT球管转子铜套的方法，包括以下步骤：

S1、表面处理：将碳钢基体1和若干铜导条2依次采用酸洗、碱洗和金相砂纸打磨去除表面油脂和氧化物，将铜导条2进行超声电镀银，银镀层厚度为0.2mm，得到电镀后的铜导条2；碳钢基体1的材料为15#碳钢，铜导条2的材料为T2铜；

S2、真空扩散焊：将电镀后的铜导条2一一插入碳钢基体1的径向固定槽11内，然后将碳钢基体1放入真空发电等离子设备中，采用脉冲电流的发电方式，其中，基值电流为260A，脉冲电流为320A，脉冲频率为2Hz，占空比为50%，加压至30MPa，升温至980℃，保温30min，使铜导条2与碳钢基体1之间形成冶金结合，随后冷却至常温25℃，释放热应力得到熔合铜导条2后的碳钢基体1；

S3、真空钎焊：将熔合铜导条2后的碳钢基体1与铜端环3之间通过添加钎料进行真空钎焊，温度为900℃，得到工件，具体包括以下步骤：

S3-1、预置钎料：将真空扩散焊后的碳钢基体1端头处均匀铺设片状钎料，在片状钎料的上方铺设面积相同的薄纯铝片，在薄纯铝片上方铺设中间层辅料，在中间层辅料上方铺设与薄纯铝片面积相同的片状钎料；片状钎料的成分及含量为：Ag 85wt%、In 9wt%、Cu4wt%、Cd 2wt%，片状钎料的厚度为0.3mm，纯薄铝片的厚度为50μm，中间层辅料为超细WO

S3-2、预钎焊：将铺设钎料后的碳钢基体1放入真空钎焊炉中，抽真空至0.01Pa，以70℃/h的升温速度升温至100℃，保温30min，继续抽真空至2Pa，随后以220℃/h的升温速度升温至250℃，保温1h，随后以110℃/h的升温速度升温至400℃，保温10min，再保持真空状态以280℃/h的降温速度快速冷却至室温出炉，得到与熔融钎料微冶金结合的碳钢基体1；

S3-3、钎料加工：对钎料部位进行精车加工，使其与铜端环3能够相互匹配；

S3-4、二次钎焊：在钎料部位上方铺设膏状钎料，将钎焊后的碳钢基体1与铜端环3使用夹具固定放入真空钎焊炉中，将真空钎焊炉抽真空至5×10

S4、热处理：将真空钎焊后的工件继续放置在真空钎焊炉内以400℃/h的降温速度快速冷却至780℃，保温15min，随后以40℃/h的降温速度冷却至室温出炉，得到工件；

S5、精密加工：采用铣床加工工件至符合工艺要求。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：夹具包括石墨基体4和用于固定转子的固定环5，石墨基体4中部由上至下开设有放置槽6，放置槽6底部设有转盘7，位于放置槽6内下部的石墨基体4表面设有环形槽8，环形槽8与碳钢基体1和铜端环3的钎焊部位对应，固定环5为两组且分别位于环形槽8上下两侧，转盘7外圆周设有凸环9，石墨基体4内部设有与凸环9转动连接的凹槽。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：真空钎焊中的预置钎料工艺参数不同。

S3-1、预置钎料：将真空扩散焊后的碳钢基体1端头处均匀铺设片状钎料，在片状钎料的上方铺设面积相同的薄纯铝片，在薄纯铝片上方铺设中间层辅料，在中间层辅料上方铺设与薄纯铝片面积相同的片状钎料；片状钎料的成分及含量为Ag 87.5wt%、In 6wt%、Cu 4wt%、Cd 2.5wt%，片状钎料的厚度为0.5mm，纯薄铝片的厚度为60μm，中间层辅料为超细WO

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的预置钎料工艺参数不同。

S3-1、预置钎料：将真空扩散焊后的碳钢基体1端头处均匀铺设片状钎料，在片状钎料的上方铺设面积相同的薄纯铝片，在薄纯铝片上方铺设中间层辅料，在中间层辅料上方铺设与薄纯铝片面积相同的片状钎料；片状钎料的成分及含量为Ag 88wt%、In 6.5wt%、Cu 4wt%、Cd 1.5wt%，片状钎料的厚度为0.8mm，纯薄铝片的厚度为70μm，中间层辅料为超细WO

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的预钎焊升温速度不同。

S3-2、预钎焊：将铺设钎料后的碳钢基体1放入真空钎焊炉中，抽真空至0.01Pa，以60℃/h的升温速度升温至120℃，保温30min，继续抽真空至2Pa，随后以200℃/h的升温速度升温至300℃，保温1h，随后以100℃/h的升温速度升温至430℃，保温15min，再保持真空状态以270℃/h的降温速度快速冷却至室温出炉，得到与熔融钎料微冶金结合的碳钢基体1。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的预钎焊升温速度不同。

S3-2、预钎焊：将铺设钎料后的碳钢基体1放入真空钎焊炉中，抽真空至0.01Pa，以50℃/h的升温速度升温至150℃，保温30min，继续抽真空至2Pa，随后以180℃/h的升温速度升温至350℃，保温1h，随后以80℃/h的升温速度升温至450℃，保温20min，再保持真空状态以260℃/h的降温速度快速冷却至室温出炉，得到与熔融钎料微冶金结合的碳钢基体1。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的二次钎焊温度不同。

S1、表面处理中银镀层厚度为0.4mm；

S3、真空钎焊：将熔合铜导条2后的碳钢基体1与铜端环3之间通过添加钎料进行真空钎焊，温度为930℃，得到工件；

S3-4、二次钎焊：在钎料部位上方铺设膏状钎料，将钎焊后的碳钢基体1与铜端环3使用夹具固定放入真空钎焊炉中，将真空钎焊炉抽真空至5×10

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的二次钎焊温度不同。

S1、表面处理中银镀层厚度为0.5mm；

S3、真空钎焊：将熔合铜导条2后的碳钢基体1与铜端环3之间通过添加钎料进行真空钎焊，温度为950℃，得到工件；

S3-4、二次钎焊：在钎料部位上方铺设膏状钎料，将钎焊后的碳钢基体1与铜端环3使用夹具固定放入真空钎焊炉中，将真空钎焊炉抽真空至5×10

实施例9

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的膏状钎料的成分及含量不同。

S3-4、二次钎焊：膏状钎料的成分及含量为：Ag-In微球80wt%、粘结剂18wt%、抗氧化剂2wt%；Ag-In微球为直径45-50μm的Ag球外包覆厚度2-3μm的In层。

实施例10

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的膏状钎料的成分及含量不同。

S3-4、二次钎焊：膏状钎料的成分及含量为：Ag-In微球82wt%、粘结剂16wt%、抗氧化剂2wt%；Ag-In微球为直径45-50μm的Ag球外包覆厚度2-3μm的In层。

实施例11

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的膏状钎料的粘结剂成分含量不同。

S3-4、二次钎焊：粘结剂的成分及含量为：松油醇62wt%、聚乙二醇12wt%、饱和硅酸钠溶液15wt%、松香树脂8wt%、烷基酚聚氧乙烯醚2wt%、白油1wt%；抗氧化剂为对苯二酚。

实施例12

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S3、真空钎焊中的膏状钎料的粘结剂成分含量不同。

S3-4、二次钎焊：粘结剂的成分及含量为：松油醇65wt%、聚乙二醇12wt%、饱和硅酸钠溶液12wt%、松香树脂8wt%、烷基酚聚氧乙烯醚2wt%、白油1wt%；抗氧化剂为对苯二酚。

实施例13

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S4、热处理中的工艺参数不同。

S4、热处理：将真空钎焊后的工件继续放置在真空钎焊炉内以450℃/h的降温速度快速冷却至780℃，保温15min，随后以60℃/h的降温速度冷却至室温出炉，得到工件。

实施例14

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S4、热处理中的工艺参数不同。

S4、热处理：将真空钎焊后的工件继续放置在真空钎焊炉内以500℃/h的降温速度快速冷却至780℃，保温15min，随后以80℃/h的降温速度冷却至室温出炉，得到工件。

实验例

对实施例1-14中得到的工件进行抗剪切强度测试，使用力学性能试验机以进行剪切试验，测试碳钢基体1与铜端环3的抗剪强度，并设置了2组对比例，对比例1中与实施例1区别在于对比例1使用常规真空钎焊，对比例2中与实施例1区别在于对比例2使用常规钎料。不同实施例中工件抗剪切强度测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例2为118.3MPa，对比例1为102.2MPa，对比例2为99.8MPa。可以看出，对比实施例1和2的结果，使用本发明提供的夹具后工件焊接处的抗剪切强度略微有所提升，且2组工件的抗剪切强度与对比例1、2相比均保持在较高水平，说明本发明的真空钎焊工艺与钎料配方与现有技术相比具有突出的实质性效果，对工件的抗剪切强度影响较大。

实施例1、3、4中工件抗剪切强度的测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例3为127.1MPa，实施例4为104.6MPa。对比实施例1-3的结果，改变预置钎料的成分含量及厚度对工件抗剪切强度有一定影响，增加片状钎料的厚度及Ag含量能够提高工件的抗剪切强度，但厚度过厚反而会导致抗剪切能力下降，实施例3中的预置钎料工艺参数得到的工件抗剪切强度最优。

实施例1、5、6中工件抗剪切强度的测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例5为135.9MPa，实施例6为126.5MPa。对比实施例1、5、6的结果，改变预钎焊的升温速度，对工件抗剪切强度有一定影响，温度过高、升温速度过快都不利于提高工件的抗剪切强度，因此需选用合理的升温速度以及最大温度，结合钎料的熔点选用实施例5中的预钎焊工艺参数得到的工件抗剪切强度最优。

实施例1、7、8中工件抗剪切强度的测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例7为118.4MPa，实施例8为119.0MPa。对比实施例1、7、8的结果，改变二次钎焊的温度，对工件抗剪切强度的影响较小，在900-950℃之间均能取得较好的钎焊效果。

实施例1、9、10中工件抗剪切强度的测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例9为120.6MPa，实施例10为124.1MPa。对比实施例1、9、10的结果，改变膏状钎料的成分含量，对工件抗剪切强度有一定影响，膏状钎料中的Ag含量越高、结合剂含量越低则工件的抗剪切强度就越大，但如果粘结剂含量过低则会容易导致钎料流失，因此实施例10中的膏状钎料配比能取得较好的钎焊效果。

实施例1、11、12中工件抗剪切强度的测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例11为113.1MPa，实施例12为114.9MPa。对比实施例1、11、12的结果，改变膏状钎料的粘结剂成分含量对工件抗剪切强度的影响较小，综合考虑后选用实施例1中的膏状钎料的粘结剂为最优。

实施例1、13、14中工件抗剪切强度的测试结果如下：实施例1为115.8MPa，实施例13为133.1MPa，实施例14为101.8MPa。对比实施例1、13、14的结果，改变热处理工艺中的工艺参数对工件抗剪切强度有较大影响，其中降温速度和冷却速度均不宜过快，过快则会导致去应力效果差，工件抗剪切强度低，也不宜过慢，因此选用实施例13中的热处理工艺参数为最优。