CN104227271B

CN104227271B - 一种焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN104227271B
Application number: CN201410352854.6A
Authority: CN
Inventors: 徐玄; 顾进跃; 顾伟华; 袁克艳
Original assignee: SHENZHEN WEILEDA TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN WINNER TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: CN104227271A

Abstract

本发明公开了一种焊剂及其制备方法。该焊剂由以下质量份数的原料组成：25~30份W，43~55份Mo，8~10份Ni，8~10份Co，3~5份Fe，1~2份Ti、V、Ru、Re中至少一种，1.25~12.5份聚乙二醇PEG400，12~96份乙醇，1~10份消泡剂。将上述金属原料混合物中加入乙醇，在氩气下研磨后干燥，再加入聚乙二醇（PEG400）、乙醇和消泡剂球磨混匀即可。本发明焊剂特别适用于合金钢与钨电极之间的焊接，可增加与该两种材料的同质性，增大接口强度，保证钨电极在工作时的耐久性；焊接后的钨电极较常规钨电极，既降低了成本又保持原有焊接性能，具有良好的起弧性能、电弧静特性能和抗烧蚀性能等，可在各种工况下替代常规钨电极。

Description

一种焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于稀有难熔金属焊接材料领域，涉及一种焊剂及其制备方法。

背景技术

焊接工艺是一种以加热方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。不同的焊接方法有不同的焊接工艺和焊接材料。焊接材料主要根据被焊工件的材质、化学成分，焊件结构类型，焊接性能要求来确定。

焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝（或接口）。接口的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。

钨电极在实际使用过程中，由于需要夹持，电极棒后端常会有3~5cm利用不到，造成材料的极大浪费和使用成本的增加。因此可以将钨电极棒末端3~5cm换成其他廉价材料，如Cr-W-Mo-V合金钢，将大大降低钨电极的加工和使用成本，节省大量钨资源和稀土资源。但采用什么样的焊接材料和焊接工艺才能即可以将钨电极与Cr-W-Mo-V合金钢在高温下进行完整的焊接，又能保证接口的高强度及焊件的良好性能，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊剂。

本发明的另一目的在于提供一种焊剂的制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种焊剂，由以下质量份数的原料组成：25~30份W，43~55份Mo，8~10份Ni，8~10份Co，3~5份Fe，1~2份Ti、V、Ru、Re中的至少一种，1.25~12.5份聚乙二醇PEG400，12~96份乙醇，1~10份消泡剂。

进一步的，上述消泡剂选自乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯中的一种。

进一步的，上述原料W的粒径为20~800μm，Mo的粒径为10~500μm，Ni、Co、Fe、Ti、V、Ru、Re的粒径独立为10~400μm。

一种焊剂的制备方法，包括以下步骤：

1）称取以下质量份数的原料粉末，25~30份W，43~55份Mo，8~10份Ni，8~10份Co，3~5份Fe，1~2份Ti、V、Ru、Re中的至少一种，混匀；

2）球磨：在球磨罐中加入混匀的原料和乙醇，在氩气气氛下以100~300r/min研磨30~50h，将研磨后的粉末进行干燥；

3）将干燥后的粉末中加入1.25~12.5份聚乙二醇PEG400和12~96份乙醇，以50~100r/min转速进行球磨15~30min，在球磨至8～12min时加入消泡剂；混合均匀后取出料浆，即可。

进一步的，上述步骤2）中乙醇体积与原料粉末重量和的比为（0.4～1.2）mL：1g。

进一步的，上述步骤2）中所述干燥为在红外灯照射下进行干燥。

进一步的，上述红外灯的功率为100~500W。

进一步的，上述干燥的时间为5~10min。

本发明的有益效果是：

1）本发明焊剂的原料配方独特，廉价易得，制备方法简便易行快速。

2）本发明焊剂特别适用于合金钢与钨电极之间的焊接，增加了与两边材料成分的同质性，增大了冶金结合界面强度，保证了钨电极在工作时的耐久性；焊接后的钨电极较常规钨电极，既降低了成本又能保持原有焊接性能，如接口强度高，良好的起弧性能，电弧的静特性好，具有抗高温蠕变性能和抗烧蚀性能等，能够在各种工况下替代常规钨电极。

附图说明

图1为推力计测定焊接接口部位力学强度的示意图；

图2为焊接后钨电极零场发射电流密度随温度变化曲线；

图3为焊接后钨电极的电弧静特性曲线。

具体实施方式

实施例1：

1）按表1的配比称取各原料粉末共250g，混匀；

表1焊剂的原料配方

2）球磨：在球磨罐中加入上述混匀的原料、乙醇100~300ml、硬质合金球0.25~2.5kg，在氩气气氛下以100~300r/min研磨30~50h，将研磨后的粉末在功率为100~500W红外灯下进行干燥5~10min；

3）将干燥后的粉末中加入3.13~31.3g聚乙二醇PEG400和30~240g乙醇，以50~100r/min转速进行球磨15~30min，在球磨至8～12min时加入2.5~25g消泡剂（选自乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯中的一种）；混合均匀后取出料浆，即可。

实施例2：

1）按表2的配比称取各原料粉末共250g，混匀；

表2焊剂的原料配方

2）球磨：在球磨罐中加入上述混匀的原料、乙醇200ml、硬质合金球0.5kg，在氩气气氛下以300r/min研磨30h，将研磨后的粉末在功率为200W红外灯下进行干燥10min；

3）将干燥后的粉末中加入15g聚乙二醇PEG400和130g乙醇，以70r/min转速进行球磨20min，在球磨至10min时加入14g乳化硅油；混合均匀后取出料浆，即可。

实施例3：

1）按表3的配比称取各原料粉末共250g，混匀；

表3焊剂的原料配方

3）将干燥后的粉末中加入3.13g聚乙二醇PEG400和240g乙醇，以70r/min转速进行球磨20min，在球磨至10min时加入2.5g消泡剂乳化硅油；混合均匀后取出料浆，即可。

实施例4

1）按表4的配比称取各原料粉末共250g，混匀；

表4焊剂的原料配方

2）球磨：在球磨罐中加入上述混匀的原料、乙醇300ml、硬质合金球2.5kg，在氩气气氛下以100r/min研磨50h，将研磨后的粉末在功率为500W红外灯下进行干燥5min；

3）将干燥后的粉末中加入31.3g聚乙二醇PEG400和30g乙醇，，以100r/min转速进行球磨15min，在球磨至8min时加入25g消泡剂高碳醇脂肪酸酯复合物；混合均匀后取出料浆，即可。

实施例5

1）按表5的配比称取各原料粉末共250g，混匀；

表5焊剂的原料配方

2）球磨：在球磨罐中加入上述混匀的原料、乙醇100ml、硬质合金球0.25kg，在氩气气氛下以300r/min研磨40h，将研磨后的粉末在功率为100W红外灯下进行干燥10min；

3）将干燥后的粉末中加入18g聚乙二醇PEG400和150g乙醇，，以50r/min转速进行球磨30min，在球磨至12min时加入10g消泡剂聚氧丙烯甘油醚；混合均匀后取出料浆，即可。

下面对实施例中制备的焊剂作进一步的效果检测。

取实施例2～3制备的焊剂进行以下的钨电极和合金钢间的焊接实验，并检测焊接后接口的强度，以及钨电极的使用性能（引弧性能试验、抗烧损性能测试和电弧静特性测试），并与目前国内外工业生产中常规的钨电极（深圳市威勒达科技开发有限公司生产的Φ2.4mm的钍钨电极）进行对比。

焊接实验的操作步骤：

1）取直径相同的钨电极杆、Cr-W-Mo-V合金钢圆杆；

2）清洗剂超声清洗：将上述2种材料放入装有环保水基清洗剂的超声清洗装置中进行超声波清洗，超声清洗频率为60~130kHz，溶剂温度控制在25~100℃，超声功率为300~1000W，振洗时间为10~60min；

3）去离子水超声清洗：将上述清洗后的材料再放入装有去离子水的超声清洗装置中进行超声波清洗，超声清洗频率为60~130kHz，溶剂温度控制在20~50℃，超声功率为300~600W，振洗时间为5~10min；然后取出再次放入装有去离子水的超声清洗装置中重复清洗2~5次；

4）乙醇超声清洗：将上述清洗后的材料再放入装有乙醇的超声波清洗装置中进行清洗，超声振洗频率60~130kHz，乙醇温度20~30℃，超声功率为300~400W，振洗时间为1~2min；重复振洗1~2次；然后将其取出，放置在通风橱内的物料架上晾干；

5）将上述晾干后的2种材料放进聚四氟乙烯工装中，保证钨电极和合金钢杆为竖立状态（垂直于地面）；

6）等离子清洗：将上述工装连同2种材料一起放入等离子清洗设备真空室中，关闭室门，保证钨电极和合金钢杆上表面与等离子装置电极板的距离为10~30cm，先开启真空泵抽真空1~2min，使得真空度达10^-1~10^-3Pa，然后关闭真空泵，打开氩气进气阀，当真空室压力达到100~1000Pa时，开启等离子发射装置电源，保证电源功率200~800W，持续时间为5~10min，真空室内温度控制在20~100℃之间，之后关闭等离子发射电源，继续通入氮气，使得真空室内气压达到1.0×10⁵Pa~1.4×10⁵Pa，待真空室内温度降至20~50℃时打来真空室门取出工装、钨电极、合金钢杆，整个操作都是在千级净化间或万级净化间中进行；

7）将钨电极杆竖直放置在钎焊机（即高频感应焊接机）工作台上固定，使其受等离子清洁的一面朝上，将自动添加焊剂装置中的焊剂挤出0.025~0.04ml置于钨电极杆上表面中心；将合金钢杆受等离子清洗的一面向下，与留有焊剂的钨电极杆表面相接，保证钨电极杆-合金钢杆呈现下-上直线排列，保持同轴竖直组合成整体；整个操作都是在万级或千级净化间中完成；高频感应焊接机进行焊接时的参数为：充氩气保护，二次加压时间0.7~1.4s，二次压力0.05~0.10MPa，焊接温度1300~1450℃，保温时间0.6~1.2s，二次加压延迟时间0.05~0.2s，冷却时间2~4s，高周波功率3.6kW~4.8kW，高周波频率50Hz；

8）将上述焊接后的钨电极杆-焊剂-合金钢杆室温放置4~12h之后，进行杆件圆柱表面抛光或者磨光处理，即得焊接后的钨电极，该电极的长度和直径与现行各钨电极标准的长度和直径一致。

一、接口强度试验

对上述用实施例2～3制备的焊剂焊接的钨电极进行接口强度检测。试验采用推力计进行测定，推力计采用气压驱动其钨钢材质的水平杆，作用于竖直放置的电极杆上，保证水平杆与电极杆垂直且形心点在同一平面内，而使低成本钨电极的钢端朝上，钨端朝下，推力计水平杆在钨电极上的作用点距离参考平面（即接口平面）的距离为合金钢杆长度固定为1.8~2.2cm，并在整个试验装置周围设置了安全挡板防止伤人，推力计电子显示屏自动读数（如图1所示的示意图）。每组钨电极取5支，计算平均值。

测试结果如表6所示，从表6中可以看出本发明焊剂焊接后的接口部位具有很好的力学强度，均在300N以上，符合钨电极应用的要求，尤其是实施例2焊剂焊接后接口的力学强度高达367.8N。

表6本发明焊剂焊接后接口部位力学强度的测试

注：500N对应接口正应力800~1000MPa

二、焊剂焊接后的钨电极引弧性能试验

(1)试验条件：钨电极直径为Φ2.4mm，尖部锥角45度，氩气流量为8L/min，电极伸出长度3mm，弧长3mm。采用直流正接方式，钨丝为阴极，阳极为水冷紫铜。

(2)试验设备：晶闸管控制直流TIG焊接电源，型号YC-300TSP。数字万用表，型号DT9205A。电子天平JA1003。

(3)试验结果：实施例2～3制备的焊剂焊接的钨电极在30A、80A、150A焊接电流时，各重复引弧30次，引弧成功率达100％，引弧性能优良。并且得到了30A电流下各钨电极的临界起弧电压，见表7。从中可以看出，焊剂焊接后的钨电极临界起弧电压跟常规钨电极没有明显区别，本发明中的焊剂确保了前端钨电极杆原有的起弧性能，保证了钨电极在焊接过程中的良好起弧性能。

表730A电流下焊剂焊接后的钨电极的临界起弧电压

三、焊剂焊接后的钨电极电子发射性能测量

电子发射性能标准的参数主要是零场电流密度和电子逸出功。一般只要测量出零场电流密度，就能计算得到电子逸出功。

测试方法：带有涡轮分子泵和离子泵的实验装置，系统极限真空为6×10^-6Pa，被测阴极和阳极通过法兰装入该装置，构成平板型二极管结构，被测阴极可在该装置中加热、激活、老炼和进行发射性能测量，测试过程中真空度保持在3×10^-5Pa以上。该装置同一套计算机控制发射性能测量系统相匹配，在计算机控制下完成脉冲或直流发射的I-V特性的自动测量，可以自动确定并给出零场发射电流值。

由于外加电场和发射电子空间电荷的共同作用，阴阳极间的电场分布除了完全的拒斥场或加速场外，还有一个过渡区域，该区域电场分布使得阴阳极间有一个位置电场强度为零，当这个零场位置落到阴极表面时，得到一个表征阴极发射能力的重要参数—零场发射电流密度，其理论值为：

j₀=AT²exp（-Φ/kT）

式中：j₀，零场发射电流密度（A/cm²）；

k，玻耳兹曼常数；

A，与材料有关的发射系数，对于钨可取120A/cm²K；

Φ，电子逸出功；

T，绝对温度（K）。

电子逸出功对引弧性能也有一定影响，在引弧的过程中，电极温度逐渐升高，放电状态逐步过渡到电弧放电。在高频引弧中所施加的高频电压就是使电极与母材之间产生火花放电，引起空间电离，使焊接回路电流逐步增大至电弧放电所需的范围内。在起弧过程中和刚刚起弧时，电极表面还没有被加热到足够高的温度，还不能作为热阴极而工作。如果电极表面的逸出功低，则电极产生热电子发射所需的温度就低，电极也越容易产生热电子发射，在一定电压下，焊接回路的电流增加到产生电弧放电的电流所需的时间就越少，即起弧越容易成功。

测量结果：得出了实施例2～3制备的焊剂焊接的钨电极材料在不同温度（1300℃～1500℃）下零场发射电流密度如表8和图2所示，并根据其计算出不同温度下的电子逸出功（如表9所示）。

表8焊剂焊接后的钨电极在不同温度下零场发射电流密度

表9焊剂焊接后的钨电极在不同温度下的电子逸出功

从表8～9和图2中可以看出，本发明实施例2～3焊剂焊接后的钨电极在1300～~1500℃跟常规钨电极相比，零场发射电流密度相近，电子逸出功相近，热电子发射能力好。材料的逸出功直接反映了它的热电子发射能力。说明本发明中的焊剂对钨电极电子发射性能有利。

四、焊剂焊接后的钨电极抗烧损性能测试

(1)测试条件电极直径为Φ2.4mm，测试中所用阳极为水冷紫铜，焊接电流180A，电弧持续时间20min，电极伸出长度3mm，弧长3mm，氩气流量8L/min，电流类型及极性为直流正接。

(2)测试设备晶闸管控制直流TIG焊接电源，型号YC-300TSP。游标卡尺，型号CN61M，电子天平JA1003。

(3)测试结果见表10。

表10焊剂焊接后的钨电极的抗烧损性能

由表10可见，实施例2～3焊剂焊接后的钨电极抗烧蚀性能和常规钨电极没有较大区别，保持原有抗高温蠕变性能和抗烧蚀性能。

五、焊剂焊接后的钨电极电弧静特性试验

(2)试验设备：晶闸管控制直流TIG焊接电源（型号YC-300TSP），数字万用表（型号DT9205A），电子天平（型号JA1003）

(3)试验方法及结果：燃弧后，迅速将回路电流调至20A，按从小到大的顺序依次在电流为20A，30A，40A，50A，60A，80A，100A，140A时，待电弧燃烧稳定后，测出所对应的稳态电流、电压值（如表11），根据测得的电压、电流值分别做出实施例2～3焊剂焊接后的钨电极，及常规钨电极的电弧静特性曲线(伏安特性曲线)，如图3所示。

表11焊剂焊接后的钨电极在不同稳态电流下的电压值

从表11和图3中可以看到实施例2～3焊剂焊接后的钨电极与常规钨电极其电弧静特性曲线趋势走向基本吻合。本发明焊剂保证了两端组织结构的均匀性和整体稳定性，从而使得电弧的静特性较好。

通过上面的焊接性能测试结果，可以知道运用本发明焊剂将合金钢与钨连接在一起制得的组合钨电极较常规钨电极，既降低了成本又能保持原有焊接性能，能够在各种工况下替代常规钨电极。

Claims

1.一种焊剂，其特征在于：由以下质量份数的原料组成：25~30份W，43~55份Mo，8~10份Ni，8~10份Co，3~5份Fe，1~2份Ti、V、Ru、Re中的至少一种，1.25~12.5份聚乙二醇PEG400，12~96份乙醇，1~10份消泡剂。

2.根据权利要求1所述的一种焊剂，其特征在于：所述消泡剂选自乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种焊剂，其特征在于：所述原料W的粒径为20~800μm，Mo的粒径为10~500μm，Ni、Co、Fe、Ti、V、Ru、Re的粒径独立为10~400μm。

4.按权利要求1所述一种焊剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3）将干燥后的粉末中加入聚乙二醇PEG4001.25~12.5份和乙醇12~96份，以50~100r/min转速进行球磨15~30min，在球磨至8~12min时加入消泡剂；混合均匀后取出料浆，即可。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中乙醇体积与原料粉末重量和的比为（0.4~1.2）mL：1g。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述干燥为在红外灯照射下进行干燥。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述红外灯的功率为100~500W。

8.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于：所述干燥的时间为5~10min。