CN102114529B

CN102114529B - 铜-钨模中感应加热熔敷焊方法

Info

Publication number: CN102114529B
Application number: CN200910264147A
Authority: CN
Inventors: 王克鸿; 张德库; 陈杰
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN102114529A

Abstract

本发明公开了一种铜-钨模中感应加热熔铸焊方法，包括以下步骤：对钨棒、铜环、石墨模具进行清洗后进行组装，其中钨棒固定在石墨模具上，铜环套设置在钨棒与石墨模具之间；在铜环、钨棒和成型石墨模具的缝隙、顶部中填充保护剂；将圆柱形基体感应圈套在石墨模具外，位置与铜材等高，之后利用感应圈对石墨模具进行分级加热，当铜环熔化后停止加热，通过定向凝固，铜与钨棒发生冶金结合完成熔敷焊接。这种方法工艺简单，焊合率为100％，界面无夹渣、未焊合等缺陷，熔深为0，也无稀释率问题，熔敷层成分与性能不受基体金属的影响，结合性能稳定，质量优良。

Description

铜-钨模中感应加热熔敷焊方法

技术领域

本发明涉及一种特种焊接技术，特别是一种铜-钨模中感应加热熔铸焊方法。

背景技术

在金属表面如容器耐蚀层、弹带焊接中，通常采用送丝堆焊、激光熔覆、带极堆焊、模中熔铸焊(MSW)、摩擦焊等技术。堆焊技术如熔化极气体保护堆焊、埋弧带极堆焊、TIG堆焊等，其熔化电极(焊丝)本身就是熔敷金属，熔化电极与基体金属间产生电弧，基体金属作为阴极或阳极在电弧热的作用下熔化，熔敷金属和熔化的基体金属混合形成冶金结合。堆焊工艺基体金属有很大的熔深，熔敷金属被基体熔化的金属所稀释，稀释率一般大于10％，熔敷层金属的性能因此而发生变化。

钨与铜可以直接进行焊接，但是由于钨与铜在熔点、导热性、导电性以及密度等物理性质上存在相差悬殊，两者熔化焊的困难很大，从目前的文献看来，钨和铜的的连接一般通过扩散焊或是摩擦焊。铜和钨扩散焊可以采用直接扩散焊，也可以采用中间过渡层的方法进行扩散焊，过渡层镍的厚度一般都是10μm-14μm。W-CuZn通过热等静压焊进行连接，拉伸强度达到180MPa，满足偏虑器的强度要求。但是扩散焊的缺点是两者结合主要是物理结合，靠高温下高压下材料表面微观的凹凸不平产生的犬齿交合结合在一起的，扩散结合只占很少的部分。摩擦焊可以实现W80Cu20和紫铜之间的连接，焊接接头的抗拉强度与整体烧结的相当，接近或等于铜端的强度，结合界面组织均匀，晶粒细小，热影响区也较窄。摩擦焊的缺点是钨和铜有一定的焊合面积，但不能保证焊合率达到100％，结合界面有夹渣等缺陷，结合强度和性能不稳定。

相对于传统工艺，钨基体上熔敷铜合金工艺方法可以实现钨和铜的冶金结合，满足强度要求，结合界面组织均匀，焊合率达到100％，目前查阅的文献表明，尚未有采取该工艺的的研究报道。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种简单易行的铜-钨模中感应加热熔铸焊方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种铜-钨模中感应加热熔铸焊方法，包括以下步骤：

步骤1、对组装钨棒、铜环、石墨模具进行清洗；清洗时首先用丙酮除油，之后用清洗液进行清洗；

步骤2、对钨棒、铜环、石墨模具进行组装，其中钨棒固定在石墨模具上，铜环套设置在钨棒与石墨模具之间；

步骤3、在铜环、钨棒和成型石墨模具的缝隙、顶部中填充保护剂；

步骤4、将圆柱形基体感应圈套在石墨模具外，位置与铜材等高，之后利用感应圈对石墨模具进行分级加热，当铜环熔化后停止加热；其中对石墨模具进行加热的时候当温度达到500℃时暂停25～35s，当温度达到1000℃时暂停25～35s；

步骤5、模具冷却成型，之后通过定向凝固，铜与钨棒发生冶金结合完成熔敷焊接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)能够有效应用于钨与铜这种熔点、导热性、导电性以及密度等物理性质上存在相差悬殊的异种金属的熔敷连接，剪切强度达到应用的要求。(2)感应模中熔铸焊无熔深，熔深为0，也无稀释率问题，熔敷层成分与性能不受基体金属的影响。(3)感应模中熔铸焊采用石墨成型模具，一来石墨导磁导电，可以被感应加热；二来熔敷金属铜与基体钨棒润湿性好而与石墨成形模润湿性差，有利于熔敷因而熔敷金属中无缩孔、气孔等缺陷；三来后续加工中石墨成型模具容易去除，效率高。(4)感应熔敷焊焊合率为100％，界面无夹渣、未焊合等缺陷。铜的高润湿性和高蠕变松弛性，从而减少了界面间应力，增加了界面间结合力，结合性能稳定，质量优良。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明铜-钨模中感应加热熔铸焊方法流程图。

图2是本发明铜-钨模中感应加热熔铸焊方法示意图。

图3是本发明铜-钨模中感应加热熔铸焊焊接完成后的状态示意图。

图4是本发明铜-钨模中感应加热熔铸焊焊接完成后定向凝固冷却示意图。

图5是图4中冷却平台的侧视图。

图中标号所代表的含义为：1.石墨模具；2.铜环；3.感应加热环；4.钨棒；5.红外测温仪；6.接循环冷却水；7.钢板；8.保温罩；9.冷却平台；10.焊接件。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种铜-钨模中感应加热熔铸焊方法，包括以下步骤：

步骤1、对组装钨棒4、铜环2、石墨模具1进行清洗；清洗时首先用丙酮除油，之后用清洗液进行清洗；所述的清洗液为浓硫酸、浓盐酸和水的混合液，其中浓硫酸的浓度为95％-97％，浓盐酸的浓度为38％，上述三者的体积比为：15∶15∶70；

步骤2、对钨棒4、铜环2、石墨模具1进行组装，其中钨棒4固定在石墨模具1上，铜环2套设置在钨棒与石墨模具之间；具体如图2所示。

步骤3、在铜环、钨棒和成型石墨模具的缝隙、顶部填充保护剂；所述的保护剂为Na₂B₄O₇、CaF₂、KBF、NaOH的混合物，上述物质的质量比为：(85～99)∶(0.0001～6)∶(0.0001～4)∶(0.0001～5)，颗粒度为30-200目。

步骤4、将圆柱形基体感应圈3套在石墨模具1外，位置与铜材2等高，之后利用感应圈3对石墨模具进行加热，当铜环2熔化后停止加热；对石墨模具1进行加热的时候当温度达到500℃时暂停30s，当温度达到1000℃时暂停30s。对温度的检测是通过红外温度检测仪5进行的。具体如图3所示。

步骤5、模具冷却成型，结合图4、图5，之后通过定向凝固，铜与钨棒发生冶金结合完成熔敷焊接。定向凝固具体为将焊接件放在冷却平台7上，在焊接件上放置保温罩8，在平台下方循环冷却水6，实现定向凝固。保温罩8的材料为保温棉。

在上述加热的过程中热源层在石墨模具1的最外层，热源层由外到里加热模具，通过模具从底部将热量传导给钨棒4和铜环2。采用红外测温仪5对模具、熔池温度进行监控，根据温度情况实行逐级加热，钨棒4基体不熔化，预置在石墨成型模内的铜环2熔化。

本发明采用石墨成型模，利用铜与基体钨棒润湿性好而与石墨模润湿性差的特点，有利于消除熔敷金属中无缩孔、气孔等缺陷，而且在后续加工中石墨成型模具容易去除。上述圆柱状石墨成型模具，在底部中央加工与钨棒配合的螺纹，通过螺纹实现钨棒和石墨成型模具的紧固，铜环放置在钨棒基体周围，如图2所示。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例1、

在直径粉末冶金钨棒圆拄体表面熔敷焊纯铜层：

加工石墨模具，成型模尺寸为：外径25mm，内径19mm，高度25mm，底厚为6mm。将钨棒底部车外螺纹，规格为与在石墨成型模底部同样车内螺纹。在焊接前对钨棒、铜环和模具进行清洗，首先是丙酮清洗除去油污，接着按照浓硫酸(95％-97％)∶浓盐酸(38％)∶水＝15∶15∶70(体积比)的比例配制清洗液清洗，清洗完毕后通过螺纹实现钨棒与成型模之间的紧固连接。将铜棒加工，尺寸为外径18mm，内径6mm，高度15mm，放置在成型模内，套在钨棒外面，如图2。在钨棒基体与铜环缝隙中及铜圈上部填充保护剂，粉剂成分：Na₂B₄O₇(99％)。感应圈3放置位置与铜圈等高，如图2所示。采用250KHz的高频电源，热源层在石墨的表面，随温度提高，热源层通过石墨模具底部向钨棒、铜环内部延伸，高压13000V，高频电源功率60KW。利用红外仪测温，在石墨模具500℃、1000℃两个阶段各暂停加热25秒，加热直至铜完全融化，采用成型模强制成型，如图3。停止加热，将焊接件放在专用的冷却平台，在上面放上保温罩，通冷却通冷却循环水，实现定向凝固，铜与钨棒发生冶金结合形成焊接接头，如图4所示。无熔深界面特征：基体界面未发生熔化，基体熔化深度为零，界面晶粒未熔化，界面晶界基本未熔化，没有晶粒熔入熔覆层中。熔覆焊界面平整光洁，无未熔合、夹渣、气孔、裂纹(缝)等焊接缺陷，界面实现了优良的冶金结合，铜环剪切强度达到了120MP左右。

实施例2、

在

Figure 629071DEST_PATH_GSB00000792799900034

直径粉末冶金钨棒圆拄体表面熔敷焊纯铜层：

加工石墨模具，成型模尺寸为：外径25mm，内径19mm，高度25mm，底厚为6mm。将钨棒底部车外螺纹，规格为

Figure 443443DEST_PATH_GSB00000792799900035

与在石墨成型模底部同样车

Figure 78955DEST_PATH_GSB00000792799900036

内螺纹。在焊接前对钨棒、铜环和模具进行清洗，首先是丙酮清洗除去油污，接着按照浓硫酸(95％-97％)∶浓盐酸(38％)∶水＝15∶15∶70(体积比)的比例配制清洗液清洗，清洗完毕后通过螺纹实现钨棒与成型模之间的紧固连接。将铜棒加工，尺寸为外径18mm，内径8mm，高度15mm，放置在成型模内，套在钨棒外面，如图2。在钨棒基体与铜环缝隙中及铜圈上部填充保护剂，粉剂成分：Na₂B₄O₇(90％)+CaF₂(3％)+KBF(4％)+NaOH(3％)。感应圈3放置位置与铜圈等高，如图2所示。采用250KHz的高频电源，热源层在石墨的表面，随温度提高，热源层通过石墨模具底部向钨棒、铜环内部延伸，高压13000V，高频电源功率60KW。利用红外仪测温，在石墨模具500℃、1000℃两个阶段各暂停加热30秒，加热直至铜完全融化，采用成型模强制成型，如图3。停止加热，将焊接件放在专用的冷却平台，在上面放上保温罩，通冷却循环水，实现定向凝固，铜与钨棒发生冶金结合形成焊接接头，如图4所示。无熔深界面特征：基体界面未发生熔化，基体熔化深度为零，界面晶粒未熔化，界面晶界基本未熔化，没有晶粒熔入熔覆层中。熔覆焊界面平整光洁，无未熔合、夹渣、气孔、裂纹(缝)等焊接缺陷，界面实现了优良的冶金结合，铜环剪切强度达到了120MP左右。

实施例3、

在直径粉末冶金钨棒圆拄体表面熔敷焊纯铜层：

Figure 544888DEST_PATH_GSB00000792799900042

与在石墨成型模底部同样车

Figure 276084DEST_PATH_GSB00000792799900043

内螺纹。在焊接前对钨棒、铜环和模具进行清洗，首先是丙酮清洗除去油污，接着按照浓硫酸(95％-97％)∶浓盐酸(38％)∶水＝15∶15∶70(体积比)的比例配制清洗液清洗，清洗完毕后通过螺纹实现钨棒与成型模之间的紧固连接。将铜棒加工，尺寸为外径18mm，内径11mm，高度15mm，放置在成型模内，套在钨棒外面，如图2。在钨棒基体与铜环缝隙中及铜圈上部填充保护剂，粉剂成分：Na₂B₄O₇(85％)+CaF₂(6％)+KBF(4％)+NaOH(5％)。感应圈3放置位置与铜圈等高，如图2所示。采用250KHz的高频电源，热源层在石墨的表面，随温度提高，热源层通过石墨模具底部向钨棒、铜环内部延伸，高压13000V，高频电源功率60KW。利用红外仪测温，在石墨模具500℃、1000℃两个阶段各暂停加热35秒，加热直至铜完全融化，采用成型模强制成型，如图3。停止加热，将焊接件放在专用的冷却平台，在上面放上保温罩，通冷却循环水，实现定向凝固，铜与钨棒发生冶金结合形成焊接接头，如图4所示。无熔深界面特征：基体界面未发生熔化，基体熔化深度为零，界面晶粒未熔化，界面晶界基本未熔化，没有晶粒熔入熔覆层中。熔覆焊界面平整光洁，无未熔合、夹渣、气孔、裂纹(缝)等焊接缺陷，界面实现了优良的冶金结合，铜环剪切强度达到了120MP左右。

Claims

1.一种石墨模具中铜-钨感应加热熔敷焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对待组装钨棒、铜环、石墨模具进行清洗；清洗时首先用丙酮除油，之后用清洗液进行清洗；

步骤2、对钨棒、铜环、石墨模具进行组装，其中钨棒固定在石墨模具上，铜环套设在钨棒与石墨模具之间；

步骤3、在铜环、钨棒和成型用石墨模具的缝隙、顶部中填充保护剂；

步骤4、将圆柱形基体感应圈套在石墨模具外，位置与铜环等高，之后利用感应圈对石墨模具进行加热，当铜环熔化后停止加热；其中对石墨模具进行加热的时候当温度达到500℃时暂停25～35s，当温度达到1000℃时暂停25～35s；

2.根据权利要求1所述的石墨模具中铜-钨感应加热熔敷焊方法，其特征在于，步骤1中所述的清洗液为浓硫酸、浓盐酸和水的混合液，其中浓硫酸的浓度为95％-97％，浓盐酸的浓度为38％，上述三者的体积比为15∶15∶70。

3.根据权利要求1所述的石墨模具中铜-钨感应加热熔敷焊方法，其特征在于，步骤3中所述的保护剂为Na₂B₄O₇、CaF₂、KBF₄、NaOH的混合物，上述物质的质量比为：(85～99)∶(0.0001～6)∶(0.0001～4)∶(0.0001～5)，颗粒度为30-200目。

4.根据权利要求1所述的石墨模具中铜-钨感应加热熔敷焊方法，其特征在于，对温度的检测是通过红外温度检测仪进行的。

5.根据权利要求1所述的石墨模具中铜-钨感应加热熔敷焊方法，其特征在于，步骤5定向凝固具体为将焊接件放在冷却平台上，在焊接件上放置保温罩，在平台下方循环冷却水，实现定向凝固。

6.根据权利要求5所述的石墨模具中铜-钨感应加热熔敷焊方法，其特征在于，保温罩的材料为保温棉。