CN101954551B - 一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的钎料及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊按的钎料及工艺，钎料为Cu-Mn-Co系钎料，其化学成分为(质量分数％)：Mn 8.5～11.0，Co 2.5～3.0，Ni 1.2～2.5，余量为Cu；用Cu-Mn-Co系钎料，将钎料置于预处理过的钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，真空条件下焊接。采用本发明的工艺，这种工艺不仅可以降低冷却速度，减少脆性金属间化合物的生成倾向；而且焊接是在真空中进行，可以降低气体杂质的污染，提高焊缝的纯净度，可获得无裂纹、无脆性化合物的纯净焊接接头，连接件的剪切强度达180～210MPa，能够满足钼铜合金与奥氏体不锈钢复合构件在生产中的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种钎焊工艺，特别设计一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的钎料及工艺，属于焊接技术领域。
背景技术
钼铜合金是由一定百分比含量的两种互不固溶的钼和铜组成的一种复合材料，既具有钼的高强度、高硬度、低热膨胀系数等，又具有铜的高塑性、高导电导热性，已用于电子封装和散热材料，尤其在对重量要求较高的便携式设备、航空航天仪器上有广泛的应用前景。将钼铜合金与奥氏体不锈钢连接制成复合件，可充分发挥钼铜合金高导电、高导热和奥氏体不锈钢抗氧化、耐腐蚀的性能优点，提高结构件的整体性能。
钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接时，由于两者之间的热膨胀系数和导热能力相差较大，接头处易产生很大的应力，增加裂纹倾向，降低焊缝金属的力学性能。并且，钼铜合金对气体杂质较敏感，接头处易产生气孔，焊缝组织粗大(200～500μm)，接头快速冷却时，间隙杂质还会在晶界上形成偏析。因此，由焊接热循环造成的组织结构变化和由气体杂质污染及焊接应力引起的焊缝性能失效是钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接面临的主要问题。
目前，北京真空电子技术研究所采用钼锰金属化钎焊法对Mo-Cu复合材料与Al2O3陶瓷进行封接，焊前需对Mo-Cu合金进行镀镍，对Al2O3陶瓷进行Mo-Mn金属化和镀镍，然后采用纯铜钎料进行焊接，获得的接头性能符合大功率微波器件真空制管的使用要求，但焊接工序较多，工艺比较复杂；北京科技大学采用Ag-Cu-Ti活性钎料对Mo-Cu复合材料与AlN陶瓷进行焊接研究，钎料与母材具有较好的润湿性，由于采用银基钎料，因此成本较高。
钼铜合金与奥氏体不锈钢的焊接可采用钨极氩弧焊技术，该方法采用Cr25-Ni13合金焊丝作为填充材料，焊接时先对钼铜合金一侧进行预热，然后通过控制焊接热输入约10～12kJ/cm，可获得强韧性较好的奥氏体和δ-铁素体双相组织焊缝。但在钼铜合金一侧的熔合区存在少量高硬度的脆性Fe-Mo金属间化合物和氧偏析等，如在高温下长期使用，这些金属间化合物的聚集和在一定温度下的氧偏析增加都会使接头容易发生晶间脆性破坏，限制了钼铜合金与不锈钢接头的高温应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的钎料及工艺。这种工艺获得的钼铜合金与不锈钢焊缝杂质少、接头耐高温能力强，可用于真空高电导散热元件、仪器仪表元件、导弹发动机喷管等高温部件的制造。
本发明采取的技术方案为：
一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的钎料，它为Cu-Mn-Co系钎料，其化学成分为(质量分数％)：Mn 8.5～11.0，Co 2.0～3.5，Ni 1.2～2.5，余量为Cu。
所述Cu-Mn-Co系钎料优选为箔片状，厚度为60～120μm。
一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺：用Cu-Mn-Co系钎料，将钎料置于预处理过的钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，真空条件下焊接。
所述的钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺，优选包括如下步骤：
(1)对钼铜合金和奥氏体不锈钢进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜；
(2)将Cu-Mn-Co系钎料置于预处理过的钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，然后进行装配，控制接头间隙在40～80μm之间；
(3)将装配好的钼铜合金/Cu-Mn-Co系钎料/奥氏体不锈钢坯体放入真空钎焊设备中进行真空条件下焊接；
(4)钎焊完成后，待温度冷却至80℃以下，取出焊件。
上述的钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺，所述的真空条件下焊接真空度不低于1.33×10-3Pa。
上述的焊接其工艺参数为：钎焊温度1090～1200℃，保温时间15～25min，升温速度8～15℃/min。
本发明采用Cu-Mn-Co系钎料直接熔化润湿实现钼铜合金与奥氏体不锈钢的真空钎焊，Cu-Mn-Co系钎料具有良好的高温强度，是流动性较好的高温熔点钎料。其钎焊工作原理在于：一方面，Cu-Mn-Co系铜基钎料中的铜钎焊时流动性较好，能够减小与钼之间的润湿角，使液态铜能够更均匀、充分地填充到钼铜合金与不锈钢界面；另一方面，Cu-Mn-Co系铜基钎料中的Co、Ni元素既能溶解于Cu，又能溶解于Mo，并且能增加固态钼在液态铜中的溶解度，因此在钎焊过程中能较好地改善液相和Mo之间的润湿性。此外，由于钼铜合金的致密度受铜纯度的影响较大，采用Cu-Mn-Co系铜基钎料，不仅可以改善钎焊界面附近钼铜合金的致密度，而且能够提高钎缝的纯净程度。
采用本发明的工艺，这种工艺不仅可以降低冷却速度，减少脆性金属间化合物的生成倾向；而且焊接是在真空中进行，可以降低气体杂质的污染，提高焊缝的纯净度，可获得无裂纹、无脆性化合物的纯净焊接接头，连接件的剪切强度达180～210MPa，能够满足钼铜合金与奥氏体不锈钢复合构件在生产中的使用要求。
采用本发明的工艺，不仅避免了其他钎焊工艺中涉及的钼铜合金预镀镍的处理过程，又无需添加钎剂。因此，该钎焊工艺具有操作灵活简单、成本低、便于推广应用等特点，尤其适用于钼铜合金与奥氏体不锈钢的焊接，也可用于钼铜合金与其他低合金钢耐热钢的焊接。
附图说明
图1为钼铜合金与Cr18-Ni8不锈钢搭接接头形貌图，1为钼铜合金，2为Cr18-Ni8不锈钢。
具体实施例
实施例1：
钼铜合金板与奥氏体不锈钢板搭接接头的真空钎焊，钼铜合金组成为Mo50％-Cu50％(质量分数)，尺寸为30mm×8mm，厚度为2.5mm；奥氏体不锈钢为Cr18-Ni8不锈钢，尺寸为30mm×10mm，厚度为3.0mm。
焊前先将钼铜合金和Cr18-Ni8奥氏体不锈钢搭接表面采用砂纸打磨干净，待焊面露出金属光泽，使表面粗糙度不大于1.0μm；然后置于丙酮溶液中超声清洗2～3min后烘干，最后用酒精擦拭搭接表面。将Cu-Mn-Co系钎料(其化学成分为(质量分数)：Cu 86.5％，Mn 8.5％，Co 3.25％，Ni 1.75％)焊前用酒精将其表面擦拭干净。
将厚度为80μm的Cu-Mn-Co系钎料置于钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，采用专用夹具对钼铜合金和奥氏体不锈钢对接接头进行装配，控制接头间隙在50～70μm之间。
将装配好的钼铜合金/Cu-Mn-Co系钎料/奥氏体不锈钢焊件置于真空室中，待真空度达1.33×10-3Pa以上时进行钎焊，钎焊工艺参数为：钎焊温度为1160℃，保温时间为15min，加热速度为10℃/min。钎焊过程中设置3个保温平台：300℃保温5min；900℃保温5min；1080℃保温10min。待真空室温度冷却至80℃时取出焊件。
获得的钼铜合金与Cr18-Ni8不锈钢搭接钎焊接头焊缝成形美观，钎料对钼铜合金与Cr18-Ni8不锈钢表面润湿性良好。经过金相显微镜观察没有发现微观裂纹、夹杂等缺陷，钎焊区界面结合致密，接头剪切强度达206MPa。
实施例2
钼铜合金板与奥氏体不锈钢板对接接头的真空钎焊，钼铜合金组成为Mo60％-Cu40％(质量分数)，尺寸为30mm×8mm，厚度为2.5mm；奥氏体不锈钢为Cr18-Ni8不锈钢，尺寸为30mm×10mm，厚度为3.0mm。
焊前先将钼铜合金和Cr18-Ni8奥氏体不锈钢待焊表面采用砂纸打磨干净，待焊面露出金属光泽，使表面粗糙度不大于1.0μm；然后置于丙酮溶液中超声清洗2～3min后烘干，最后用酒精擦拭待焊表面。将Cu-Mn-Co系钎料(其化学成分为(质量分数)：Cu 84.0％，Mn 10.5％，Co 3.0％，Ni 2.5％)焊前用酒精将其表面擦拭干净。
将厚度为80μm的Cu-Mn-Co系钎料置于钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，采用专用夹具对钼铜合金和奥氏体不锈钢对接接头进行装配，控制接头间隙在40～60μm之间。
将装配好的焊件置于真空室中，待真空度达1.33×10-3Pa以上时进行钎焊，钎焊工艺参数为：钎焊温度为1120℃，保温时间为20min，升温速度为10℃/min。为使真空室温度均匀，钎焊过程中设置3个保温平台：300℃保温5min；800℃保温5min；1040℃保温10min。
钎焊完成后，待真空室温度冷却至60℃，取出焊件。
获得的钼铜合金与Cr18-Ni8不锈钢对接钎焊接头焊缝成形美观，钎料对钼铜合金与Cr18-Ni8不锈钢表面润湿性良好。经过金相显微镜观察没有发现微观裂纹、夹杂等缺陷，钎焊区界面结合良好，接头剪切强度达192MPa。
Claims (6)
1.一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的钎料，其特征是，它为Cu-Mn-Co系钎料，其重量百分比组成为：Mn 8.5～11.0％，Co 2.5～3.0％，Ni1.2～2.5％，余量为Cu。
2.按照权利要求1所述的钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的钎料，其特征是，所述Cu-Mn-Co系钎料为箔片状，厚度为60～120μm。
3.一种钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺，其特征是，用权利要求1所述的Cu-Mn-Co系钎料，将钎料置于预处理过的钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，真空条件下焊接。
4.按照权利要求3所述的钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺，其特征是，包括如下步骤：
(1)对钼铜合金和奥氏体不锈钢进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜；
(2)将Cu-Mn-Co系钎料置于预处理过的钼铜合金和奥氏体不锈钢待焊表面之间，然后进行装配，控制接头间隙在40～80μm之间；
(3)将装配好的钼铜合金/Cu-Mn-Co系钎料/奥氏体不锈钢坯体放入真空钎焊设备中进行真空条件下焊接；
(4)钎焊完成后，待温度冷却至80℃以下，取出焊件。
5.按照权利要求3或4所述的钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺，其特征是，所述的真空条件下焊接真空度不低于1.33×10-3Pa。
6.按照权利要求3或4所述的钼铜合金与奥氏体不锈钢焊接的工艺，其特征是，所述的焊接其工艺参数为：钎焊温度1090～1200℃，保温时间15～25min，升温速度8～15℃/min。
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