CN105522245A - 一种W-Cu合金同种材料的高强度连接工艺 - Google Patents

一种W-Cu合金同种材料的高强度连接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种W-Cu合金高强度连接工艺，包括以下步骤：(1)准备阶段：(2)装配阶段(3)钎焊连接阶段：将装配好的式样放置真空钎焊设备中进行钎焊连接。本发明的高强度连接工艺方法简单方便；钎焊前无须对待焊W-Cu合金进行表面改性处理，通过真空钎焊连接，实现W-Cu合金的直接焊接，无需保护措施，通过控制间隙、施加适量的压力以及通氩气保护快速急冷实现W-Cu合金的高强度连接，接头塑形性能优异，接头组织细密以及残余应力较小，焊件无变形和晶粒粗化的现象，不会出现氧化、污染等问题，因而钎焊接头拥有较高的强度；本发明的高强度连接工艺可重复再现，便于广泛推广应用。

Description

一种W-Cu合金同种材料的高强度连接工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种W-Cu合金同种材料的高强度连接工艺。
背景技术
W-Cu合金兼具了W和Cu的诸多优异性能，其具有良好的导电导热性，高的强度和硬度，低的热膨胀系数，良好的耐电弧侵蚀性、抗高温氧化性及抗熔焊性等优异特征。广泛应用于能源、电力、航空航天、国防工业以及核工业等领域，主要涉及炮轨导弹头、火箭发动机喷管喉衬、喷嘴和燃气舵等部件，是一种极具有发展前进的高温复合材料。而在生产使用过程中，通常采用高温烧结以及热等静压等方式实现W-Cu合金之间的连接，其生产制造工艺繁琐复杂，成本投入较大，连接强度低，难以满足W-Cu合金的使用要求以及展现W-Cu合金的优异性能。W-Cu合金对气体杂质敏感性较大，以及易出现脆化物相和微孔，严重影响连接区域的气密性及承载能力，采用一般的连接方式难以满足。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中连接W-Cu合金材料的强度较低等问题，本发明提供一种用于同种W-Cu合金的高强度连接工艺，以获得高强度的连接接头。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种W-Cu合金高强度连接工艺，包括以下步骤：
1)准备：对待钎焊的W-Cu合金和钎料进行清理，利用酸洗和砂子打磨除去表面的杂质、油污以及氧化膜，将W-Cu复合材料和钎料箔片置于丙酮中，采用超声波清洗10～15min，并进行干燥处理；
2)装配：将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，控制钎缝间隙在20～50μm之间，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头并施加适量的压力，产生0.08～0.12MPa的恒定垂直压力；
3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以10～20℃/min的速率升温至300～350℃，进行第一次保温15～20min，再以8～12℃/min的速率升温，进行第二次保温10～15min，再以4～6℃/min的速率继续升温至钎焊温度，保温时间为20～45min，再以4～6℃/min的速率冷却，冷却保温时间为5～10min，最后通入氩气，以50～60℃/min的速率冷却至200～250℃，随炉冷却至室温，完成钎焊，开炉取出被焊连接件即可。
作为优选，所述的钎料为：铜基钎料(Cu78.8％、Mn7.8％、Co4.7％、Ni2.4％、Zr3.5％、Ti2.8％)，钎焊温度为1010～1060℃；银基钎料(Ag70.5％、Cu23％、Ti3.8％、Ni2.5％、B0.2％)，钎焊温度为830～890℃，钎料厚度均为100～150μm。
作为优选，酸洗采用5％HF、20％HNO3和75％H2O溶液清洗W-Cu合金表面3～5min。
作为优选，所述的步骤(1)中，依次利用W28、W14、W7、W3.5号金相砂纸对待焊W-Cu合金表面进行打磨光滑，利用W5和W3.5号金相砂纸对钎料箔片表面进行打磨。
作为优选，所述的步骤(2)所述的钎缝间隙采用固定厚度的钢模控制，厚度尺寸为20～50μm。
作为优选，所述的步骤(3)中，利用Cu基钎料钎焊时，第二次保温温度为800～850℃，冷却保温温度为900～950℃；利用Ag基钎料钎焊时，第二次保温温度为600～650℃，冷却保温温度为700～750℃。
钎焊采用固液相连的方法，将W-Cu合金连接成复合件，保证其拥有较高的强度，同时可以满足W-Cu合金在各种复杂环境的应用，极大的展现其优异的性能特点。
有益效果：本发明操作简单、方便快捷，真空钎焊前无须对待焊W-Cu合金进行表面改性处理，实现W-Cu合金的直接焊接，无需保护措施，通过控制间隙、施加适量的压力以及通氩气保护快速急冷实现W-Cu合金的高强度连接，塑形性能优异，接头组织细密以及残余应力较小，连接工艺可重复再现，便于广泛推广应用。
附图说明
图1为具体实施方式1～4的钎焊结构件的结构示意图。
图2为具体实施方式1～4的高强度连接工艺曲线示意图。
图3为具体实施2得到的W-Cu合金的钎焊接头的扫描电镜照片。
图4为具体实施2得到的W-Cu合金的钎焊接头的弯曲断口微观形貌照片。
图5为具体实施3得到的W-Cu合金的钎焊接头的扫描电镜照片。
图6为具体实施3得到的W-Cu合金的钎焊接头的弯曲断口微观形貌照片。
具体实施方式
实施例1
W-Cu合金(W55Cu45，wt％)采用对接真空钎焊，两块W-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。
钎料的成分及质量百分比为：Cu78.8％、Mn7.8％、Co4.7％、Ni2.4％、Zr3.5％、Ti2.8％，钎料厚度为150μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备：对待钎焊的W-Cu合金和钎料进行清理，采用5％HF、20％HNO3和75％H2O溶液进行酸洗，清洗W-Cu合金表面5min，采用W28、W14、W7、W3.5号金相砂纸对待焊W-Cu合金表面进行打磨光滑和W5、W3.5号金相砂纸对钎料箔片表面进行打磨，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，将W-Cu复合材料和钎料箔片置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行干燥处理；
(2)装配：将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，利用尺寸为1×5mm的钢模控制钎缝间隙为40μm，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头并施加适量的压力，产生0.10MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以10℃/min的速率继续升温至800℃，保温时间10min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1045℃，保温时间30min，再以5℃/min的速率冷却至900℃，保温时间10min，最后通入氩气，以50℃/min的速率冷却至250℃，随炉冷却至室温，完成钎焊，开炉取出被焊连接件即可。
结果：如图1～2，钎焊获得的W-Cu合金接头成形良好，金相以及扫描电镜观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无气孔、裂纹等缺陷，合金成分分布均匀，接头强度高，室温四点弯曲强度为912MPa。
实施例2：
W-Cu合金(W55Cu45，wt％)采用对接真空钎焊，两块W-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。
钎料的成分及质量百分比为：Ag70.5％、Cu23％、Ti3.8％、Ni2.5％、B0.2％，钎料厚度为100μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备：对待钎焊的W-Cu合金和钎料进行清理，采用5％HF、20％HNO3和75％H2O溶液进行酸洗，清洗W-Cu合金表面5min，采用W28、W14、W7、W3.5号金相砂纸对待焊W-Cu合金表面进行打磨光滑和W5、W3.5号金相砂纸对钎料箔片表面进行打磨，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，将W-Cu复合材料和钎料箔片置于丙酮中，采用超声波清洗10min，并进行干燥处理；
(2)装配：将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，利用尺寸为1×5mm的钢模控制钎缝间隙为30μm，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头并施加适量的压力，产生0.10MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至300℃，保温15min，再以10℃/min的速率继续升温至600℃，保温时间10min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度860℃，保温时间30min，再以5℃/min的速率冷却至700℃，保温时间5min，最后通入氩气，以50℃/min的速率冷却至250℃，随炉冷却至室温，完成钎焊，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu合金接头成形良好，如图3～4，金相以及扫描电镜观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无气孔、裂纹等缺陷，合金成分分布均匀，接头强度高，室温四点弯曲强度为685MPa。
实施例3
W-Cu合金(W75Cu25，wt％)采用对接真空钎焊，两块W-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。
钎料的成分及质量百分比为：Cu78.8％、Mn7.8％、Co4.7％、Ni2.4％、Zr3.5％、Ti2.8％，钎料厚度为150μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备：对待钎焊的W-Cu合金和钎料进行清理，采用5％HF、20％HNO3和75％H2O溶液进行酸洗，清洗W-Cu合金表面10min，采用W28、W14、W7、W3.5号金相砂纸对待焊W-Cu合金表面进行打磨光滑和W5、W3.5号金相砂纸对钎料箔片表面进行打磨，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，将W-Cu复合材料和钎料箔片置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行干燥处理；
(2)装配：将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，利用尺寸为1×6mm的钢模控制钎缝间隙为40μm，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头并施加适量的压力，产生0.10MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至350℃，保温20min，再以10℃/min的速率继续升温至800℃，保温时间10min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1045℃，保温时间30min，再以5℃/min的速率冷却至900℃，保温时间10min，最后通入Ar气，以50℃/min的速率冷却至250℃，随炉冷却至室温，完成钎焊，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu合金接头成形良好，如图5～6，说明了断裂的方式，不是脆性断裂，塑性性能较好，同时也说明了力学性能较好，金相以及扫描电镜观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无气孔、裂纹等缺陷，合金成分分布均匀，接头强度高，室温四点弯曲强度为889MPa。
实施例4：
W-Cu合金(W75Cu25，wt％)采用对接真空钎焊，两块W-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。
钎料的成分及质量百分比为：Ag70.5％、Cu23％、Ti3.8％、Ni2.5％、B0.2％，钎料厚度为100μm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备：对待钎焊的W-Cu合金和钎料进行清理，采用5％HF、20％HNO3和75％H2O溶液进行酸洗，清洗W-Cu合金表面5min，采用W28、W14、W7、W3.5号金相砂纸对待焊W-Cu合金表面进行打磨光滑和W5、W3.5号金相砂纸对钎料箔片表面进行打磨，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，将W-Cu复合材料和钎料箔片置于丙酮中，采用超声波清洗15min，并进行干燥处理；
(2)装配：将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，利用尺寸为1×6mm的钢模控制钎缝间隙为30μm，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头并施加适量的压力，产生0.10MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至300℃，保温15min，再以10℃/min的速率继续升温至600℃，保温时间10min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度860℃，保温时间30min，再以5℃/min的速率冷却至700℃，保温时间5min，最后通入Ar气，以50℃/min的速率冷却至250℃，随炉冷却至室温，完成钎焊，开炉取出被焊连接件即可。
结果：钎焊获得的W-Cu合金接头成形良好，金相以及扫描电镜观察发现钎焊区形成致密的界面结合，无气孔、裂纹等缺陷，合金成分分布均匀，接头强度高，室温四点弯曲强度为693MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而不用于限制本发明的范围，应当指出：对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）准备阶段：对待钎焊的W-Cu合金和钎料进行清理打磨，并进行干燥处理；
（2）装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，控制钎缝间隙在20～50μm之间，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头并施加适量的压力，产生0.08～0.12MPa的恒定垂直压力；
（3）钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以10～20℃/min的速率升温至300～350℃，进行第一次保温15～20min，再以8～12℃/min的速率升温，进行第二次保温10～15min，再以4～6℃/min的速率继续升温至钎焊温度，保温时间为20～45min，再以4～6℃/min的速率冷却，冷却保温时间为5～10min，最后通入氩气，以50～60℃/min的速率冷却至200～250℃，随炉冷却至室温，完成钎焊，开炉取出被焊连接件即可。
2.根据权利1所述的一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：所述的钎料为：所述步骤（1）中清理步骤为：利用酸洗和砂子打磨除去表面的杂质、油污以及氧化膜，将W-Cu复合材料和钎料箔片置于丙酮中，采用超声波清洗10～15min。
3.根据权利1所述的一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：所述的钎料为：铜基钎料或者银基钎料中的一种，所述铜基钎料的组分按质量百分比由以下组分组成：Cu78.8%、Mn7.8%、Co4.7%、Ni2.4%、Zr3.5%、Ti2.8%，钎焊温度为1010～1060℃，钎料厚度为100～150μm；
所述银基钎料的组分按质量百分比由以下组分组成：Ag70.5%、Cu23%、Ti3.8%、Ni2.5%、B0.2%，钎焊温度为830～890℃，钎料厚度为100～150μm。
4.根据权利要求2所述的一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：步骤（1）中，所述酸洗采用5%HF、20%HNO3和75%H2O溶液清洗W-Cu合金表面3～5min。
5.根据权利要求2所述的一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：所述打磨过程为依次利用W28、W14、W7、W3.5号金相砂纸对待焊W-Cu合金表面进行打磨光滑，利用W5和W3.5号金相砂纸对钎料箔片表面进行打磨。
6.根据权利要求1所述的一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：所述步骤（2）钎缝间隙采用固定厚度的钢模控制，厚度尺寸为20～50μm。
7.根据权利要求1所述的一种W-Cu合金高强度连接工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，利用Cu基钎料钎焊时，第二次保温温度为800～850℃，冷却保温温度为900～950℃；利用Ag基钎料钎焊时，第二次保温温度为600～650℃，冷却保温温度为700～750℃。
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