CN102000895A

CN102000895A - 一种钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法

Info

Publication number: CN102000895A
Application number: CN 201010298801
Authority: CN
Inventors: 燕青芝; 郭双全; 葛昌纯
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN102000895B

Abstract

本发明提供了一种钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法，属于金属材料领域。具体是以成分为Ti：30-50％，Zr：30-50％，Cu：10-15％，Ni：5-10％(wt％)的非晶态Ti基箔带为钎料，采用真空电子束钎焊技术进行钨与低活化钢的钎焊连接。施焊时从钨的表面进行电子束面扫描加热，温度控制在800-1200℃，腔室内工作真空度1.0-5.0×10^-3Pa，加速电压100-150KV，聚焦电流100-600mA，电子束流1-10mA，扫描频率为0.1-1KHz，采用计算机控制高频扫描线圈，加热时间为1-5分钟。本发明方法可以使钨与低活化钢在短时间内实现连接，效率高，焊缝界面结合完好，没有孔隙、夹杂、裂纹等缺陷。可广泛应用于磁约束核聚变实验装置中氦冷偏滤器部件的连接。

Description

一种钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法

技术领域

本发明属于金属材料，特别涉及高熔点金属钨与低活化钢的连接方法，具体是采用非晶态Ti基箔带为钎料，应用真空电子束钎焊技术进行钨与低活化钢的连接。

背景技术

偏滤器是现代磁约束核聚变装置中至关重要的组成部分，是构成高温等离子体与材料直接接触的过渡区域：一面是温度高达几亿度的等离子体，另一面是通常的固体材料。偏滤器的主要作用是有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰。目前国际热核聚变实验装置(ITER：international thermonuclear experiment rector)，实验型先进超导托卡马克(EAST：experimental advanced superconducting tokamak)的偏滤器主要采用铜作为热沉材料的水冷偏滤器，工作温度在200-400℃。为了提高能量转化效率，下一代示范堆(DEMO：demonstration power plant)聚变堆实验装置将使偏滤器工作温度提高到800-1000℃。因此，未来的DEMO聚变堆实验装置设计采用氦冷偏滤器，在偏滤器的第一壁将承受10-15MW/m²的热流密度，相应的能量输出为15％。中子辐照和高的热、力载荷要求耐高温、低活性的材料应用于偏滤器材料。钨及其合金、低活化钢(低活化钢是指钢中不含有经过中子辐照后产生反射性元素的成分)是理想的候选材料，因此涉及到钨及其合金与低活化钢的连接。

钨与低活化钢的连接有扩散技术和钎焊技术，目前常采用的方法主要是钎焊技术，钎焊料主要是Ni基、Ti基和Fe基的非晶态高温钎料。快速凝固的非品和微晶态箔带钎料是一种连接异种材料的有效方法。除了考虑钎料以外，钎焊中的加热热源的类型也必须考虑。目前，采用的钨与钢的钎焊主要是真空炉钎焊，整体加热，焊接时间长，容易造成钢基体中晶粒的长大，而且能量输入不能精确控制，热应力大等缺点。真空电子束钎焊技术综合了电子束加工与真空钎焊的优点，它利用散焦扫描电子束作为热源，在真空中对零件表面待钎焊处进行加热，具有优于其他种类焊接的特点：(1)电子束能量密度高，可以迅速加热焊件待焊的局部到钎焊温度，有利于减少钎料成分挥发；有利于削弱母材晶粒长大，降低钎焊缺陷产生倾向。(2)电子束钎焊在真空中进行，可以避免钎焊活性较大的金属时，由于环境气氛影响而出现的一些问题。(3)电子束钎焊为局部加热，不但有利于保持焊件的整体性能，而且可以有效保护已经存在的钎焊缝。(4)与普通真空炉钎焊相比，焊接时间缩短70％-90％，能耗降低70％以上，效率高，成本低。由于上述诸多优势，真空电子束钎焊技术已在航空航天关键部件的精密连接上大量使用。

发明内容

本发明目的是提供一种采用真空电子束钎焊技术连接钨与低活化钢的方法，为制备具有优良界面性能的聚变堆偏滤器部件。

一种钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法，技术方案如下：

钨与低活化钢的连接采用对接方式进行钎焊，将钨和低活化钢经砂纸打磨，超声波和酒精清洗以后叠放在一起，中间加入微米级的非晶态Ti基钎料(其成分为Ti：30-50％，Zr：30-50％，Cu：10-15％，Ni：5-10％(wt％))，用夹具夹住，从钨的表面进行电子束面扫描加热，温度控制在800-1200℃，加热时间为1-5min。。

真空电子束钎焊时真空腔室内工作真空度1.0-5.0×10^-3Pa，加速电压100-150kV，聚焦电流100-600mA，电子束流1-10mA，扫描频率为0.1-1.0kHz。采用计算机控制高频扫描线圈，如图1所示。其中，加热时间和温度是主要的参数。

钨与低活化钢的电子束钎焊连接时，由于钨与低活化钢的热膨胀系数相差3倍左右，在钎焊和部件工作环境下会产生高的热应力。钛箔带不仅热膨胀系数位于钨与低活化钢之间，而且钛也是低活化材料，可以用于将来的磁约束聚变堆中。

本发明的优点是可以使钨与低活化钢在短时间内实现连接，连接的效率高，焊缝界面结合完好，没有孔隙、夹杂、裂纹等缺陷。

附图说明

图1为电子束钎焊面扫描示意图。

1工件；2计算机控制高频扫面线圈；3电子枪；4扫描电子束；5红外测温仪。

图2为电子束钎焊样品的组装图。

图3为W/钢电子束钎焊样品的SEM图。

图4为W/钢电子束钎焊样品的SEM图

具体实施方式

下面结合图2对本发明专利作进一步的描述。

(1)首先将钨板和低活化钢板加工成所需要的形状，然后用砂纸将焊接面逐级打磨，再用酒精加超声波清洗。

(2)按如下方式进行组装，并用夹具夹住，上面是钨，中间是非晶态Ti箔带钎料，下面是低活化钢。

(3)将其放入真空电子束钎焊机中进行钎焊。

实施例1

钎焊所用的钨为市售的5mm厚轧制钨板，低活化钢为本课题组自行研制的CNSI低活化钢(9Cr2W)，试样尺寸为10mm×8mm。钎焊前采用150号、400号、600号和800号砂纸对试件被焊表面逐级打磨，然后用丙酮对钎焊表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。

按从上到下的顺序钨/钎料/钢放好后，然后放入真空电子束钎焊炉中施焊，工艺参数为加速电压150kV，聚焦电流I_f＝402mA，电子束流为I_b＝2mA，加热时间t为3min。

图3给出了真空电子束钎焊样品的SEM，可以看出，界面结合完好，没有大的孔洞和裂纹出现。

实施例2

钎焊所用的钨为市售的5mm厚轧制钨板，低活化钢为本课题组自行研制的CNSI低活化钢(9Cr2W)，试样尺寸为15mm×15mm。钎焊前采用150号、400号、600号和800号砂纸对试件被焊表面逐级打磨，然后用丙酮对钎焊表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。

按从上到下的顺序钨/钎料/钢放好后，然后放入真空电子束钎焊炉中施焊，工艺参数为加速电压150kV，聚焦电流I_f＝410mA，电子束流为I_b＝2mA，加热时间t为3min。

图4给出了真空电子束钎焊样品的SEM，可以看出，界面结合完好，没有大的孔洞和裂纹出现。

Claims

1.一种钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法，其特征在于采用真空电子束钎焊技术进行连接，非晶态箔带钛基钎料为填充钎料，非晶态箔带钛基钎料成分为Ti：30-50％，Zr：30-50％，Cu：10-15％，Ni：5-0％(wt％)，厚度为微米级。

2.根据权利要求1所述的一种钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法，其特征在于钨与低活化钢的连接采用对接方式进行钎焊，将钨和低活化钢经砂纸打磨，超声波清洗以后叠放在一起，用夹具夹住，从钨的表面进行电子束面扫描加热，温度控制在800-1200℃，加热时间为1-5min。

3.根据权利要求1或2所述的钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法，其特征是真空腔室内工作真空度1.0-5.0×10^-3Pa，加速电压100-150kV，聚焦电流100-600mA，电子束流1-10mA，扫描频率为0.1-1.0kHz，采用计算机控制高频扫描线圈。

4.根据权利要求1或2所述的钨/低活化钢的真空电子束钎焊连接方法。其特征是所述的低活化钢为Cr含量在8-14％的铁素体/马氏体钢，钢中不含Ni、Co、Mo、Nb、N、Cu。