CN105014171B - 一种钨/铜的电子束钎焊快速连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种钨/铜的电子束钎焊快速连接方法，通过以下步骤实现：母材和钎料表面预处理，清除待焊表面的油污、杂质以及氧化膜；钎料置于母材之间，利用夹具固定，放入电子束装置中，设定参数并钎焊；通过红外热像仪和红外测温仪监测钨表面温度；通过热电偶监测Cu合金的块体温度铜合金块体温度；焊接完毕，快速冷却至室温，取出焊接试样，然后放入真空退火炉中，进行退火处理。本发明利用散焦电子束对待焊材料扫描，实现局部加热，焊接完毕，然后快速冷却，整个过程中，铜合金在温度大于600℃范围内的时间不超过5min，可以有效消弱铜合金晶粒长大、性能下降等问题。
Description
技术领域
本发明属于一种钨铜的连接方法，具体涉及一种采用铜基箔带为钎料，应用真空电子束钎焊技术进行钨与铜合金的快速连接方法。
背景技术
面向等离子体部件在聚变装置内将直接面对高温等离子体，所处位置包括聚变装置的第一壁和偏滤器，因此涉及高热负荷性能、溅射腐蚀、杂质控制、氢同位素及氦的滞留与再循环、中子辐照效应等重要问题。传统的托卡马克装置主要基于短脉冲等离子体和两次放电之间缓慢除热的概念设计的，这就允许简单的设计解决方案，不需要面向等离子体材料与热沉材料紧固互联。而长脉冲的装置，就需要等离子体放电过程中的主动除热，从而避免材料出现过热，因而需要面对等离子体材料和热沉之间的紧密配合。大型的聚变实验堆，如ITER和未来的聚变商用示范堆DEMO，由于非常高的壁负载，要求第一壁和偏滤器部件(通常采用模块结构以方便维护)有优良的热祛除能力和模块在聚变环境中的安全性和稳定性，这样必须发展具有主动冷却的面向等离子体部件。
由于钨和钨合金被认为是未来最有希望的面对等离子体材料，CuCrZr合金具有优良的高温性能而被认为是目前最佳的热沉材料，发展带主动水冷结构的具有冶金结合的W/CuCrZr部件技术，可以应用于聚变装置的第一壁和偏滤器位置。W/CuCrZr的连接技术包括钎焊、爆炸焊、热压焊、热等静压焊和涂层技术等等多种连接方法。真空钎焊技术工艺简单并且可以大大降低成本，是目前应用较多的W/CuCrZr连接技术，真空钎焊需要对块体整体加热，且在高温需要停留较长的时间，从而会导致CuCrZr合金晶粒长大、力学性能下降，通过快速冷却可以恢复CuCrZr合金的力学性能；但是由于钎焊时间较长，铜合金晶粒长大不能消弱。而电子束钎焊利用散焦电子束对真空中的带焊零件扫描加热，由于能量密度高，可以迅速加热待焊材料的局部至焊接温度，有利于钎料减少钎料成分的挥发，有利于消弱母材晶粒长大，降低钎焊缺陷的产生的倾向，与普通的真空钎焊相比，焊接时间可以大大缩短；并且通过快速冷却与时效，可以恢复CuCrZr合金的力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种钨/铜的电子束钎焊快速连接方法，它能够快速实现钨铜连接，且不破坏铜合金的性能。
本发明是这样实现的，一种钨/铜的电子束钎焊快速连接方法，包括以下步骤，
步骤一：采用对接方式进行焊接，焊接前对待焊材料钨铜进行预处理，钨铜待焊表面经砂纸打磨，超声波清洗，最后脱水干燥；然后叠放在一起，将钎料置于钨铜之间，利用夹具固定；
步骤二：将装配好的待焊材料置于电子束装置真空室内的水冷铜台上，焊接的真空度优于1×10-2Pa，利用扫描电子束加热钨表面，扫描频率为0.1-10.0kHz；钨表面温度控制在950-1100℃，铜合金块体温度控制在800-950℃，加热时间5-10min；焊接完毕，快速冷却，在铜合金温度高于600℃区间，冷却速度大于100℃/min。
钨块的表面温度通过红外热像仪和红外测温仪测量，铜合金块体温度通过热电偶测量。
通过水冷铜台冷却焊接试样，电子束加热完毕之前不通冷却水，加热完毕后通水快速冷却至470-480℃，并在该温度下保温1-2h，然后冷却至室温，取出焊接试样。
待焊材料为钨和铜合金，其中，钨包括纯钨、表面浇铸纯铜的钨；铜合金为CuCrZr合金，Cr含量0.6-0.8wt.％，Zr含量0.07-0.15wt.％的，余量为铜。
通过CuMn合金钎料焊接纯钨与铜合金，钎料其成分为Cu含量70-75wt.％，Mn含量20-25wt.％，Ni含量1-3％；
表面浇铸纯铜的钨通过真空浇铸方式在钨表面浇铸一层无氧纯铜制备而成，无氧纯铜厚度为1-2mm，无氧纯铜面为待焊表面。通过CuTi钎料焊接表面浇铸了纯铜的钨和铜合金，钎料成分为Cu含量40-50wt.％，Ti含量30-35wt.％，Zr含量9-12wt.％，Ni含量6-10wt.％，Si含量1wt.％。
本发明的优点是，该方法工艺简单、焊接时间短，铜合金在温度高于600℃的温度区间不超过5min，因此可以有效的消弱母材晶粒长大，并且通过快速冷却和时效处理可以恢复CuCrZr合金的力学性能。利用该方法制备的钨铜块，铜合金的强度和硬度与固溶时效态铜合金一致，晶粒尺寸相当。所制备的铜复合块，焊缝界面结合完好，没有孔隙、夹杂、裂纹等缺陷，并具有良好的结合性能和热负荷性能，能够承受6～10MW/m2的稳态热负荷。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细介绍：
一种钨/铜的电子束钎焊快速连接方法，在真空环境下利用扫描电子束实现对材料的局部加热，从而实现电子束钎焊。具体实验过程如下：
用于钎焊的母材为钨和CuCrZr合金。钨包括了纯钨、表面浇铸纯铜的纯钨(在纯钨表面浇铸一层1-2mm厚的无氧纯铜)；CuCrZr合金成分为Cr含量0.6-0.8wt.％，Zr含量0.07-0.15wt.％的，余量为铜；
钎料为铜基箔带。铜基箔带包括了CuMn合金和CuTi合金两种钎料，CuMn合金用于焊接纯钨和CuCrZr合金，其成分为Cu含量70-75wt.％，Mn含量20-25wt.％，Ni含量1-3％；CuTi合金用于焊接表面浇铸了纯铜的纯钨和CuCrZr合金，钎料成分为Cu含量40-50wt.％，Ti含量30-35wt.％，Zr含量9-12wt.％，Ni含量6-10wt.％，Si含量1wt.％。
采用对接方式进行焊接，在焊接前对母材进行预处理，待焊接表面经砂纸打磨，超声波清洗，最后脱水干燥；然后叠放在一起，将钎料平铺于母材之间，用夹具固定。其中表面浇铸了纯铜的纯钨，其纯铜面为待焊接表面。
将组装好的钨铜置于电子束装置真空室内的铜冷却台上，铜合金冷却台与真空室内的冷却水管道连接，焊接完毕前不通水冷却。钎焊时真空室内工作真空度优于1.0×10- 2Pa，利用散焦电子束均匀加热钨块表面，扫描频率为0.1-10.0kHz；通过红外热像仪和红外测温仪监测钨表面温度，钨表面温度控制在950-1100℃；通过热电偶监测铜合金的块体温度，铜合金块体温度控制在800-950℃；加热时间5-10min，达到钎焊温度后保温30s-1min；加热完毕，铜冷却台通冷却水对焊接试样进行快速冷却，在温度高于600℃，钎焊块的冷却速度大于100℃/min；然后对钨铜焊接块进行时效处理，恢复CuCrZr合金的强度。在电子束装置中，利用电子束在470-480℃保温1-2h。
下面通过具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
实施例1
工业纯钨与CuCrZr合金连接，试样尺寸分别为40×40×6mm3和40×40×25mm3，连接工艺如下：
(1)纯钨和CuCrZr合金待焊表面预处理，祛除表面的杂质、油污和氧化膜。采用320号、600号、800号和1200号砂纸对试件被焊表面逐级打磨，然后用丙酮对待焊表面进行去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。选用CuMn合金作为钎料：Cu含量74wt.％，Mn含量25wt.％，Ni含量1％，厚度为150μm；利用1200目砂纸打磨钎料表面，去掉氧化膜，然后无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。
(2)将钨和铜合金进行装配，钨块在上，钎料平铺中间，铜合金块在下；然后固定在电子束真空室内的铜冷却台上，工作真空度5×10-3Pa；利用散焦电子束均匀加热钨块表面，加速电压120kV，束斑直径2mm，扫描频率为5kHz，束流5-12mA；通过红外热像仪和红外测温仪监测钨表面温度，通过逐渐加载电子束电流，钨表面温度最高达到1050℃，最终控制在980℃，并在980℃保温30s；通过热电偶监测铜合金的块体温度，在铜合金块离焊接界面5mm处的热电偶记录的温度，铜合金在保温过程中温度变化为930-950℃。
(3)焊接完毕，铜冷却台通冷却水对焊接试样进行快速冷却，在温度高于600℃，钎焊块的冷却速度大于100℃/min；然后利用电子束对焊试样加热，在480℃保温1h；时效完毕，冷却至室温，取出焊接样。
实施例2:
表面浇铸1mm无氧纯铜的纯钨与CuCrZr合金连接，试样尺寸分别为50×25×6mm3和50×25×25mm3，连接工艺如下：
(1)表面浇铸1mm无氧纯铜的纯钨和CuCrZr合金待焊表面预处理，祛除表面的杂质、油污和氧化膜。采用320号、600号、800号和1200号砂纸对试件待焊表面逐级打磨，然后用丙酮对待焊表面去油污处理，无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。其中钨母材其纯铜面为待焊表面。选用CuTi合金作为钎料Cu含量47wt.％，Ti含量33wt.％，Zr含量11％，Ni含量为8％，Si含量为1％，厚度为100μm；利用1200目砂纸打磨钎料表面，去掉氧化膜，然后无水乙醇超声波清洗，脱水干燥。
(2)将钨和铜合金进行装配，钨块在上(其无氧纯铜表面朝下)，钎料置于中间，铜合金块在下；然后固定在电子束真空室的铜冷却台上；工作真空度2×10-3Pa，利用散焦电子束均匀加热钨块表面，加速电压120kV，束斑直径2mm，扫描频率为2kHz，束流3-10mA；通过红外热像仪和红外测温仪监测钨表面温度，通过逐渐加载电子束电流，钨表面温度最高达到1000℃，最终控制在930℃，并在930℃保温1min；通过热电偶监测铜合金的块体温度，在铜合金块离焊接界面5mm处的热电偶记录的温度，铜合金在保温过程中温度变化为900-910℃。
(3)焊接完毕，铜冷却台通冷却水对钎焊模块进行快速冷却，在温度高于600℃，钎焊块的冷却速度大于100℃/min；然后利用电子束对焊试样加热，在480℃保温1h；时效完毕，冷却至室温，取出焊接样。
以上，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (1)
1.一种钨/铜的电子束钎焊快速连接方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：采用对接方式进行焊接，焊接前对待焊材料钨铜进行预处理，钨铜待焊表面经砂纸打磨，超声波清洗，最后脱水干燥；然后叠放在一起，将钎料置于钨铜之间，利用夹具固定；
步骤二：将待焊材置于电子束装置真空室内的水冷铜靶之上，焊接的真空度优于1×10-2Pa，利用扫描电子束加热钨表面，扫描频率为0.1-10.0kHz；钨表面温度控制在950-1100℃，铜合金块体温度控制在800-950℃，加热时间5-10min；焊接完毕，快速冷却，在铜合金温度高于600℃区间，冷却速度大于100℃/min；
钨块的表面温度通过红外热像仪和红外测温仪测量，铜合金块体温度通过热电偶测量；通过水冷铜台冷却钎焊试样，电子束加热完毕之前不通冷却水，加热完毕通水快速冷却至470-480℃，并在该温度下保温1-2h；然后冷却至室温，取出焊接试样；待焊材料为钨和铜合金，其中，钨为纯钨或表面浇铸了纯铜的纯钨；铜合金为CuCrZr合金，Cr含量0.6-0.8wt.％，Zr含量0.07-0.15wt.％的，余量为铜；通过CuMn合金钎料焊接纯钨与铜合金，钎料其成分为Cu含量70-75wt.％，Mn含量20-25wt.％，Ni含量1-3％；表面浇铸纯铜的纯钨是通过真空浇铸方式在纯钨表面浇铸一层无氧纯铜制备而成，无氧纯铜厚度为1-2mm，无氧纯铜面为待焊表面，通过CuTi钎料焊接表面浇铸了纯铜的纯钨和铜合金，钎料成分为Cu含量40-50wt.％，Ti含量30-35wt.％，Zr含量9-12wt.％，Ni含量6-10wt.％，Si含量1wt.％。
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