CN100591454C - 钼铜合金与不锈钢的钨极氩弧焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，方法是焊前将铝铜合金与不锈钢的待连接表面以及填充用Cr-Ni合金系焊丝进行表面清洁处理；焊接起弧后利用钨极氩弧先偏向钼铜合金一侧进行预热，采用纯氩气进行保护，然后压低氩弧控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊。本发明方法操作方便、适用性强，得到的钼铜合金与不锈钢焊接接头强度较高且性能稳定，能广泛适用于钼铜合金与不锈钢及其他异种材料的焊接，具有推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种钼铜合金的焊接方法，尤其涉及一种钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊方法，属于焊接技术领域。
背景技术
钼铜合金是由高熔点、低线膨胀系数的钼和高导电性、导热率低的铜通过粉末冶金方法压制而成的合金。钼与铜两组元之间互不溶解的特性使它们在复合之后呈现出两元素本征物理特性的组合，兼有钼和铜各自的特性，具有良好的综合性能。这些特点使钼铜合金在用作电器元器件的电触头材料、散热材料、电子封装材料时，尤其是对质量要求较高的便携式仪器设备和航空航天仪器上有广泛的应用前景。进一步的将钼铜合金与不锈钢连接起来制成复合构件，可以充分发挥两种材料的性能特点，弥补各自的不足，对于提高复合结构件的性能、降低制造成本、扩大钼铜合金的应用具有重要的意义。
钼铜合金抗氧化性较差，对气体杂质比较敏感，与不锈钢的线膨胀系数相差较大；采用熔化焊方法时焊缝中易产生气孔，导致焊缝金属的力学性能降低；并且焊接加热时会产生很大的应力，导致焊接接头裂纹倾向大，严重时会发生断裂。其次，钼铜合金表面的氧化膜阻碍与不锈钢的结合，甚至使焊接难以进行。因此，钼铜合金的焊接通常需要在保护气体或者真空中进行，对焊接材料要求也较高。由气体杂质污染引起的焊缝性能恶化和焊接热循环造成的组织结构变化是钼铜合金焊接面临的主要问题。
目前，关于钼及其合金的焊接研究主要采用电子束焊；钼铜合金的焊接采用钼锰活化钎焊以及放电等离子烧结等工艺。钼及其合金采用电子束焊时，由于焊接过程在真空环境中进行，抑制了氧和氮的有害作用，且集中的高能量输入使焊接熔合区组织有所细化，可以避免焊接裂纹的产生；但是焊接工件受限于真空室的尺寸，限制了钼及其合金的应用范围。
中国科学院电子学研究所采用钼锰活化钎焊方法焊接钼铜合金与Al2O3陶瓷，可以得到气密性良好的封接接头。中国科学院上海硅酸盐研究所提出的发明专利(申请号：200710037778.X)采用金属钛过渡层，利用放电等离子烧结法连接钼铜合金电极与CoSb3热电材料，这种工艺的优点在于通过放电等离子烧结一次连接成功，接合面无明显界面电阻跃迁，结合界面可靠性好且工艺简便。并且由于电极与热电材料良好的热匹配减小了界面附近的热应力，提高了使用寿命。但是放电等离子烧结法和钼锰活化钎焊法连接钼铜合金得到的接头强度较低，不适用于对力学性能要求较高的结构件的连接。
发明内容
针对现有钼铜合金焊接技术的不足，本发明提出了一种实用性强、应用范围广、接头性能良好的钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺。
本发明所述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，步骤如下：
(1)焊前将钼铜合金与不锈钢的待焊接头表面进行喷砂处理，然后用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.6～3.2；对厚度小于2mm或重量小于1.5kg的钼铜合金与不锈钢的待焊接头表面不必进行喷砂处理，接头处用砂纸直接打磨至露出金属光泽即可；
(2)采用直径为2.0～2.5mm的Cr-Ni合金焊丝作为填充金属，焊前用酸溶液对其进行酸洗处理，待焊丝表面露出金属光泽后用清水冲洗至中性，烘干，备用；或者焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽，备用；
(3)将步骤(1)所述表面处理好的钼铜合金与不锈钢的待焊接头按设计要求对接装配放置；
(4)焊接起弧后，将电弧拉长至2～4mm，采用纯度大于99.9％的氩气进行保护，先对钼铜合金一侧进行氩弧预热，预热时间为30～60s，预热温度为560～800℃；然后控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊，焊接工艺参数为：焊接电压为10～13V，焊接电流为100～120A，焊接速度为50～80mm/min，氩气流量为8～15L/min；方法是压低钨极氩弧，以短弧实施焊接并均匀地添加步骤(2)所述处理好的Cr-Ni合金焊丝，焊丝与焊件之间保持55°～80°夹角；焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地断续送入熔池，焊丝端部不得移出氩气保护区；
(5)焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到300℃以下时才能移开焊枪喷嘴。
上述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺中：
所述钼铜合金是指Mo质量分数50％-60％、Cu质量分数50％-40％的钼铜合金；所述不锈钢优选为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，即18-8不锈钢。
所述Cr-Ni合金焊丝为Cr25-Ni13合金系焊丝，其成分以质量分数％计为：C≤0.15，Cr 22.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mn 0.5～2.5，Mo≤0.75，Cu≤0.75，Si≤0.90，余为Fe。由于钼铜合金与不锈钢焊接时有较大的裂纹倾向。为了保证焊缝良好的抗裂性和耐腐蚀性能，本发明优选采用抗裂性能好的Cr25-Ni13合金系焊丝。
所述酸溶液是5％HF的水溶液与35％HNO3的水溶液的混合液。
所述钨极氩弧焊采用钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，钨极直径2mm，端部打磨成尖锥形。
上述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺中，进一步优选的实施方式是：所述预热时间为40～50s，预热温度为600～750℃。所述焊接工艺参数为：焊接电压为12～13V，焊接电流为105～115A，焊接速度为50～60mm/min，氩气流量为10～14L/min。
钼铜合金具有高熔点和高热导率，本发明提出的钼铜合金与不锈钢的焊接是先对钼铜合金一侧进行氩弧预热，然后立即压低钨极氩弧，以短弧实施焊接并断续添加填充焊丝。焊前对钼铜合金一侧进行氩弧预热可以减小接头区两边母材(钼铜合金与不锈钢)的温度差，降低焊接应力和焊接应变速率，避免产生焊接裂纹，从而改善焊接工艺性能。
采用本发明给出的钼铜合金与不锈钢的钨极氩弧焊工艺，可以获得焊缝成形美观、力学性能和耐腐蚀性良好的焊接接头。实验测试的钼铜合金侧熔合区的显微硬度为450HM～600HM，没有高硬度脆性相生成。靠近不锈钢侧熔合区的显微硬度为210HM～240HM。
本发明采用钨极氩弧焊，并通过添加Cr-Ni合金填丝实现钼铜合金与不锈钢的焊接。这种方法操作方便、适用性强，得到的钼铜合金与不锈钢焊接接头强度较高且性能稳定，能广泛适用于钼铜合金与不锈钢及其他异种材料的焊接，具有推广应用价值。
具体实施方式
实施例1：合金组成为Mo60％-Cu40％(质量分数)的钼铜合金板与18-8奥氏体不锈钢板对接的钨极氩弧焊，钼铜合金板尺寸为10cm×10cm，厚度为2.5mm；18-8不锈钢板尺寸为10cm×8cm，厚度为2.5mm。
先将钼铜合金与18-8奥氏体不锈钢的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra1.6～3.2。采用直径为2.0mm的Cr25-Ni13合金系焊丝作为填充金属。焊前用砂纸将焊丝表面打磨干净。采用钨极氩弧焊(TIG)进行焊接，工艺参数为：焊接电压12V，焊接电流105～110A，焊接速度为60mm/min，氩气流量为8～10L/min。
保护气体为纯度大于99.9％的氩气。氩弧引燃后，将电弧拉长至2～4cm，将电弧偏向钼铜合金一侧反复移动进行预热，预热时间约为40s，预热温度达到600～750℃；然后立即压低电弧，以短弧实施焊接同时断续添加填充焊丝。
施焊过程中，焊丝与焊件之间保持75°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地断续送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。
焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到300℃以下时方可移开焊枪喷嘴。
所得到的钼铜合金与18-8不锈钢对接接头焊缝成形美观。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，焊缝熔合区结合良好。焊接接头靠近钼铜合金侧熔合区显微硬度为500HM～550HM，无脆性相生成。靠近不锈钢侧熔合区的显微硬度为215HM～230HM。
实施例2：合金组成为Mo60％-Cu40％(质量分数)的钼铜合金板与18-8奥氏体不锈钢板角焊缝的钨极氩弧焊，钼铜合金板尺寸为10cm×10cm，厚度为2.5mm；18-8不锈钢板尺寸为10cm×8cm，厚度为2.5mm。
先将钼铜合金与18-8不锈钢角接头的待焊表面用砂纸打磨干净，露出金属光泽，使待焊表面的粗糙度达到Ra1.6～3.2。将钼铜合金与18-8不锈钢进行角接头装配焊，两板的装配角度为90°直角，采用倒船形位置进行焊接。采用直径2.5mm的Cr25-Ni13合金系焊丝作为填充材料，焊前用砂纸对焊丝进行打磨，露出金属光泽。经过砂纸打磨的焊丝应立即施焊。采用钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为：焊接电压12V，焊接电流110～115A，焊接速度为50mm/min，氩气流量为10L/min～14L/min。
采用的保护气体为纯度大于99.9％的氩气。氩弧引燃后，将电弧拉长至2～4cm，将电弧偏向倒船形角接头钼铜合金一侧反复移动进行预热，预热时间约为50s，预热温度达到650～780℃；然后立即压低电弧，以短弧实施焊接同时断续添加填充焊丝。
焊接过程中，氩弧应稍偏向钼铜合金一侧。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地断续送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。
焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到300℃以下时方可移开焊枪喷嘴。
所得到的钼铜合金与18-8不锈钢角接头经过金相显微镜观察接头结合良好，没有发现裂纹、气孔等缺陷。焊缝金属靠近钼铜合金一侧的显微硬度为550HM～680HM，无硬化脆性相生成。靠近不锈钢侧熔合区的显微硬度为218HM～236HM。
实施例3：
钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，步骤如下：
(1)焊前将钼铜合金与不锈钢的待焊接头表面进行喷砂处理，然后用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.6～3.2；；
(2)采用直径为2.0mm的Cr-Ni合金焊丝作为填充金属，焊前用酸溶液(5％HF的水溶液与35％HNO3的水溶液的混合液)对其进行酸洗处理，待焊丝表面露出金属光泽后用清水冲洗至中性，烘干，备用；
(3)将步骤(1)所述表面处理好的钼铜合金与不锈钢的待焊接头水平对接装配；
(4)焊接起弧后，将电弧拉长至4mm，采用纯度大于99.9％的氩气进行保护，先对钼铜合金一侧进行氩弧预热，预热时间为60s，预热温度为700℃；然后控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊，焊接工艺参数为：焊接电压为11～12V，焊接电流为100A，焊接速度为50mm/min，氩气流量为10L/min；方法是压低钨极氩弧，以短弧实施焊接并断续添加步骤(2)所述处理好的Cr-Ni合金焊丝，焊丝与焊件之间保持75°夹角，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地断续送入熔池，焊丝端部不得移出氩气保护区；
(5)焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到300℃以下时才能移开焊枪喷嘴。
其中：上述钼铜合金是指Mo质量分数50％-60％、Cu质量分数50％-40％的钼铜合金；上述不锈钢为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，即18-8不锈钢。
上述Cr-Ni合金焊丝为Cr25-Ni13合金系焊丝，其成分以质量分数％计为：C≤0.15，Cr 22.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mn 0.5～2.5，Mo≤0.75，Cu≤0.75，Si≤0.90，余为Fe。
上述钨极氩弧焊采用钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，钨极直径2mm，端部打磨成尖锥形。
实施例4：
钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，步骤如下：
(1)焊前将钼铜合金与不锈钢的待焊接头(重量小于1.5kg)表面用砂纸打磨至露出金属光泽；
(2)采用直径为2.5mm的Cr-Ni合金焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽，备用；
(3)将步骤(1)所述表面处理好的钼铜合金与不锈钢的待焊接头垂直对接装配；
(4)焊接起弧后，将电弧拉长至3mm，采用纯度大于99.9％的氩气进行保护，先对钼铜合金一侧进行氩弧预热，预热时间为50s，预热温度为750℃，然后控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊，焊接工艺参数为：焊接电压为13V，焊接电流为120A，焊接速度为80mm/min，氩气流量为15L/min；方法是压低钨极氩弧，以短弧实施焊接并断续添加步骤(2)所述处理好的Cr-Ni合金焊丝，焊丝与焊件间保持80°夹角，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地断续送入熔池，焊丝端部不得移出氩气保护区；
(5)焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到300℃以下时才能移开焊枪喷嘴。
其中：上述钼铜合金是指Mo质量分数50％-60％、Cu质量分数50％-40％的钼铜合金；上述不锈钢为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，即18-8不锈钢。
上述Cr-Ni合金焊丝为Cr25-Ni13合金系焊丝，其成分以质量分数％计为：C≤0.15，Cr 22.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mn 0.5～2.5，Mo≤0.75，Cu≤0.75，Si≤0.90，余为Fe。
上述钨极氩弧焊采用钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，钨极直径2mm，端部为尖锥形。
Claims (6)
1.一种钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，步骤如下：
(1)焊前将钼铜合金与不锈钢的待焊接头表面进行喷砂处理，然后用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.6～3.2；对厚度小于2mm或重量小于1.5kg的钼铜合金与不锈钢的待焊接头表面不必进行喷砂处理，接头处用砂纸直接打磨至露出金属光泽即可；
(2)采用直径为2.0～2.5mm的Cr-Ni合金焊丝作为填充金属，焊前用酸溶液对其进行酸洗处理，待焊丝表面露出金属光泽后用清水冲洗至中性，烘干，备用；或者焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽，备用；
(3)将步骤(1)所述表面处理好的钼铜合金与不锈钢的待焊接头按设计要求对接装配放置；
(4)焊接起弧后，将电弧拉长至2～4mm，采用纯度大于99.9％的氩气进行保护，先对钼铜合金一侧进行氩弧预热，预热时间为30～60s，预热温度为560～800℃，然后控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊，焊接工艺参数为：焊接电压为10～13V，焊接电流为100～120A，焊接速度为50～80mm/min，氩气流量为8～15L/min；方法是压低钨极氩弧，以短弧实施焊接并均匀地断续添加步骤(2)所述处理好的Cr-Ni合金焊丝；焊丝与焊件间保持55°～80°夹角，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀地断续送入熔池，焊丝端部不得移出氩气保护区；
(5)焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到300℃以下时才能移开焊枪喷嘴。
2.如权利要求1所述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，其特征是：所述钼铜合金是指Mo质量分数50％-60％、Cu质量分数50％-40％的钼铜合金；所述不锈钢为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，即18-8不锈钢。
3.如权利要求1所述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，其特征是：所述Cr-Ni合金焊丝为Cr25-Ni13合金系焊丝，其成分以质量分数％计为：C≤0.15，Cr22.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mn 0.5～2.5，Mo≤0.75，Cu≤0.75，Si≤0.90，余为Fe。
4.如权利要求1所述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，其特征是：所述钨极氩弧焊采用钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，钨极直径2mm，端部打磨成尖锥形。
5.如权利要求1所述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，其特征是：所述氩弧预热时间为40～50s，预热温度为600～750℃。
6.如权利要求1所述钼铜合金与不锈钢异种材料之间的钨极氩弧焊工艺，其特征是：所述焊接工艺参数为：焊接电压为12～13V，焊接电流为105～115A，焊接速度为50～60mm/min，氩气流量为10～14L/min。
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| CN102744502A (zh) * | 2012-07-11 | 2012-10-24 | 山东大学 | Ta15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺 |
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