CN106271015A - 一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法 - Google Patents

一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，属于异种金属焊接领域，具体步骤如下：(1)、试样表面清理：对待焊表面进行打磨，丙酮中超声清洗；清洗完成后，用酒精擦拭待焊表面，吹干或晾干，得到清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔；(2)、试样叠放：将步骤(1)所得表面清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔交替叠放；(3)、焊接：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，保持试样与压头间良好的轴向对中性，预压力15~30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至（2~5）×10‑1Pa；以5‑20℃/min的速度升温，将炉温升至一定温度后，加压，保温保压一定时间进行扩散焊接；保温结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却，焊缝具有致密度高、塑性好、无气孔及裂纹等优点。

Description

一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法
技术领域
本发明涉及一种材料焊(连)接技术，特别涉及一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，属于特种材料连接领域。
背景技术
微型金属杜瓦装置为红外焦平面探测器的低温工作环境提供良好的电、机、热、光传输通道，是红外焦平面探测器封装和保护的关键装置。不锈钢和可伐合金是杜瓦装置主要使用的材料。但是，针对杜瓦材料所使用的可伐合金和不锈钢异种金属之间的焊接却存在较多的问题，不同金属材料在物理与化学性能上的差异(如膨胀系数、比热容、热导率、熔点、化学成分等的差异)会导致在接头处存在残余内应力和杂质元素聚集等，会出现低温循环后冷漏，以及焊接接头力学性能较低的问题，难以获得较高质量的焊接接头。
不锈钢因具有塑性韧性好、焊接性能良好、突出的机械性能和耐腐蚀性等优点，常被应用于工业制造；可伐合金具有低温定膨胀，与Si、Ge、硬玻璃等材料热匹配性能好等优点，在封装领域应用较为广泛。将不锈钢与可伐合金连接形成复合构件，在航空航天、石油化工、机械电子、交通运输等领域的机械设备和机件中有广泛的应用。
扩散焊是指在高温和一定压力下，两表面通过接触面发生蠕变和扩散作用，使结合面孔隙闭合而实现连接的一种焊接方式。其具有近净成形的特点，适合于异种金属间的焊接。
文献“Characterization of dissimilar joints in laser welding of steel-Kovar,copper-steel and copper-aluminum,Mai TA,Spowage AC.Materials Scienceand Engineering A,2004(374):224-333”公开了一种工具钢与可伐合金激光焊的方法，该方法所得焊接接头存在气孔和较大焊接残余应力等缺陷。
文献“Experimental investigation on dissimilar pulsed Nd:YAG laserwelding of AISI 420stainless steel to Kovar alloy,S.H.Baghjari,S.A.A.AkbariMousavi.Materials and Design,2014(57):128-134”公开了一种不锈钢与可伐合金激光焊的方法，该方法所得焊接接头由于残余应力较大以及S、P杂质元素聚集导致焊缝形成焊接裂纹。
中国发明专利申请CN104722890B公开了一种T91/T92和HR3C异种钢的焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：将待焊接的T91/T92和HR3C异种钢母材进行预热；将经预热后的所述T91/T92和HR3C异种钢母材进行多层焊接，所述多层焊接依次包括打底层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且层间温度为150-200℃；将经焊接后得到的T91/T92和HR3C异种钢焊接接头进行焊后热处理。该焊接方法实现了异种钢的有效连接，但同样存在步骤繁琐，需多次焊接，容易形成较大的焊接残余应力以及工艺参数较多的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的不锈钢和可伐合金焊接性能不佳的不足，提供一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法。针对常用的氩弧焊、激光焊工艺的局限性，提供异种金属扩散焊接方法，利用过渡金属层扩散连接异种金属，使得现有技术中难以焊接的不锈钢和可伐合金之间的连接关系变得更加的致密。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：
(1)、试样表面清理：对待焊表面(包括不锈钢和可伐合金的表面)进行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，将打磨后的试样(即上述打磨好的材料，不锈钢和可伐合金)和镍箔放入丙酮中超声清洗，优选的超声清洗10～15min。清洗完成后，用酒精擦拭待焊表面，吹干或晾干，最好是冷风吹干，得到清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔。
(2)、试样叠放：将步骤(1)所得表面清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔交替叠放；放置时，镍箔位于不锈钢与可伐合金之间，优选的，镍箔面积大于试样待焊面面积。最好是控制镍箔面积略大于焊接面面积，节约材料用量。
(3)、焊接：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15～30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至(2～5)×10-1Pa；以5-20℃/min的速度升温，最好是以10℃/min的速率对真空热压炉进行升温，将炉温升至一定温度后，加压，保温保压一定时间进行扩散焊接；保温结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却。
本发明异种金属扩散焊接方法，将镍箔片作为中间层，表面经过处理后置于不锈钢与可伐合金之间进行扩散焊接。镍箔中间层是母材共有成分且热膨胀系数介于母材之间，可达到化学性能与物理性能的优良过渡，阻止杂质元素聚集，最终实现不锈钢与可伐合金间的高强连接。
通过控制扩散焊保温温度和保温时间，使得镍-不锈钢界面和镍-可伐合金界面形成一定厚度的固溶带；剩余的金属镍阻止杂质元素聚集，得到不锈钢与可伐合金的复合构件。采用扩散焊进行焊接，镍箔作为中间过渡层。该焊接方法采用的中间层是母材共有成分且热膨胀系数介于母材之间，可达到化学性能与物理性能的优良过渡，通过控制扩散焊温度和时间，使得镍-不锈钢界面和镍-可伐合金界面形成一定厚度的固溶带(固溶层)；剩余的金属镍阻止杂质元素聚集。通过本发明的焊接方法显著地提高了不锈钢与可伐合金复合构件的抗拉伸性能，同时具有焊缝致密度高、塑性好、无气孔及裂纹、工艺简单、高效等优点。其中，步骤(3)真空热压炉抽真空至(2～5)×10-1Pa，是指抽真空至2×10-1Pa～5×10- 1Pa，是简写。
进一步，步骤(1)中，所述镍箔的纯度大于98wt％，选用镍箔作为中间层/过渡层可以更好的实现对于不锈钢和可伐合金的焊接，因为镍箔的主要成分是高纯度的镍，镍作为不锈钢和可伐合金中都含有的金属元素，同时兼具良好的延展性，作为中间层时其焊接效果更好，更优选情况下，镍箔纯度大于99.9wt％。
进一步，步骤(1)中，镍箔(即镍中间层，过渡层)的厚度为40～130μm。该厚度下的镍箔可以保障镍-不锈钢界面和镍-可伐合金界面形成足够厚度的固溶带且剩余的金属镍可以阻止杂质元素聚集，更优选镍箔厚度为65～80μm。
进一步，步骤(3)中，保温温度为850～950℃，压力为30～35MPa，保温保压时间为2～4h。优选，保温保压时间为2～3h。当保温温度从850℃提高到900℃后，保温保压时间为2～3h时即可实现界面孔隙充分闭合，形成一定厚度的固溶带，得到高强度的不锈钢与可伐合金复合构件。优选的，扩散焊保温温度900～950℃。
进一步，步骤(3)中，保温结束后，缓冷速率为3-20℃/min，优选控制缓冷降温速率为3℃/min、5℃/min、8℃/min，缓冷结束温度为400～600℃。冷却过程中，不锈钢与可伐合金膨胀系数不同，较慢的冷却速度可以减小热胀冷缩不均匀导致的热应力。但是，当炉温降低到600℃后，炉内降温速率缓慢，可直接采取炉冷。优选的，缓冷结束温度为500～600℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)、本发明的焊接方法显著地提高了不锈钢与可伐合金复合构件的抗拉伸性能，同时具有焊缝致密度高、塑性好、无气孔及裂纹等优点。
(2)、本发明的焊接方法中使用的镍箔是不锈钢与可伐合金共有成分，而且其热膨胀系数介于母材(不锈钢和可伐合金)之间，可达到化学性能与物理性能的优良过渡，使得镍-不锈钢界面和镍-可伐合金界面形成一定厚度的固溶带；剩余的金属镍阻止杂质元素聚集。
(3)、本发明的焊接方法显著地提高了不锈钢与可伐合金复合构件的抗拉伸性能，同时具有焊缝致密度高、塑性好、无气孔及裂纹等优点。
(4)、本发明方法工艺简单、高效，能够方便的应用于不锈钢和可伐合金之间的焊接中，具有低成本、高品质的优良特性，具有广泛的应用前景。
附图说明：
图1为本发明的不锈钢与可伐合金工件扩散焊所用的装卡结构示意图。其中1为上压头，2为不锈钢，3为可伐合金，4为垫块(包括上垫块和下垫块)，5为下压头，6为镍箔(镍中间层)，7为热电偶(图中包括了左右两侧的两块热电偶，可以根据实际需要调整)。
图2为实施例2和对比例2组织成分图，其中(a)和(b)分别为扩散焊截面金相显微组织图，其中左侧是不锈钢，右侧为可伐合金。
图3为实施例2中镍与可伐合金界面线扫描图。
图4为拉伸试样断裂形貌图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明实施例中涉及的不锈钢和可伐合金由中国科学院上海技术物理所提供，镍箔购于北京中金研新材料科技有限公司。
实施例1
对316L不锈钢和4J29可伐合金待焊表面进行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，将打磨后的试样及80μm镍箔放入丙酮中超声清洗10min，用酒精擦拭待焊表面，晾干，得到清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔。将表面清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔按图1叠放，使用图1中所示的真空热压机械装置进行压制。在压制的过程中，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力18MPa，卸压；真空热压炉抽真空至3×10-1Pa；以10℃/min的速率对真空热压炉进行升温，将炉温升至850℃后，加压至34.66MPa，保温保压2h进行扩散焊接；保温结束后，卸压，先缓冷，缓冷速率为5℃/min，缓冷结束温度为600℃；然后随炉冷却，得到不锈钢与可伐合金的复合构件。
实施例2
对316L不锈钢和4J29可伐合金待焊表面进行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，将打磨后的试样及70μm镍箔放入丙酮中超声清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干，得到清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔。将表面清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔按图1叠放(镍箔夹在两者之间)，需保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力20MPa，卸压；真空热压炉抽真空至2～5×10-1Pa；以10℃/min的速率对真空热压炉进行升温，将炉温升至900℃后，加压至34.66MPa，保温保压3h进行扩散焊接；保温结束后，卸压，先缓冷，缓冷速率为5℃/min，缓冷结束温度为600℃；然后随炉冷却，得到不锈钢与可伐合金的复合构件。
对比例1
采用与实施例1相同的焊接步骤进行，所不同的是，扩散焊保温温度为900℃。
对比例2
采用与实施例1相同的焊接步骤进行，所不同的是，扩散焊保温温度为950℃。
对比例3
采用与实施例2相同的焊接步骤进行，所不同的是，扩散焊保温时间为4h。
通过对扩散焊接所得样品进行力学性能测试，其抗拉强度、伸长率、断裂位置结果如表1所示。由表1结果可知对比例2、对比例3和实施例2的抗拉强度及伸长率明显要优于实施例1及对比例1。但是，对比例3相对于实施例2，扩散焊保温时间由3h提高到4h并没有对焊接接头性能起到明显的增强作用。从节约能源、提高效率的角度考虑，保温时间3h更合适。因此，想要得到性能优异的316L不锈钢与4J29可伐合金扩散焊接接头，900℃保温3h和950℃保温2h的焊接参数为最优选。镍箔可以实现化学性能与物理性能的优良过渡，阻止杂质元素聚集，最终实现不锈钢与可伐合金间490.62～501.84MPa的高强连接。
表1 316L不锈钢/Ni/4J29可伐合金不同实施例及对比例下力学性能
图2(a)-(b)为实施例2和对比例2扩散焊截面金相显微组织图，镍箔与316L不锈钢界面处的白色条带为扩散形成的固溶带，该固溶区宽度大概在13-16μm之间。在镍箔与4J29可伐合金侧，固溶区显示的不是很明显，通过图3的线扫面可以发现镍箔与4J29可伐合金侧固溶带宽度在也在10μm左右。固溶带的形成保障了界面处的良好结合，使界面同时具有焊缝致密度高、塑性好、无气孔及裂纹等优点。图4为拉伸试样断裂图，图4中a对应的为实施例1和对比例1中焊接界面处断裂的情况。图4中b-d为其它实施例和对比例的拉伸断裂图，可以看出采用本发明的方法可以实现复合构件优良的塑性，有利于提高构件服役过程中的安全性，同时490.62MPa～501.84MPa的高强度能够更好的满足使用性能的要求。
对比例4
采用与实施例2相同的工艺进行不锈钢和可伐合金的焊接。将待焊的316L不锈钢和4J29可伐合金表面进行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，将打磨后的试样及70μm镍箔放入丙酮中超声清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷风吹干。然后，将不锈钢、镍箔和可伐合金依次叠加在一起，放置于真空热压炉上，注意控制好待压试样和压头之间的轴向对中性，施加预压力20MPa，卸压。真空热压炉抽真空至2～5×10-1Pa。以10℃/min，的速率对真空热压炉进行升温，将炉温升至900℃后，加压至34.66MPa，保温保压3h进行扩散焊接；保温结束后，卸压，先缓冷，缓冷速率为5℃/min、10℃/min及直接炉冷，缓冷结束温度为600℃；然后随炉冷却，得到不锈钢与可伐合金的复合构件。本实施例在升温过程中控制升温速率为设置两个较大的升温速率作为比较例进行研究，结果如下。
表2不锈钢/可伐合金焊接部件力学性能
试样 抗拉强度(MPa) 伸长率(％) 断裂位置
实施例2(5℃/min) 501.84 38.75 4J29
对比例4(10℃/min) 410.21 25.45 界面/4J29
对比例4(直接炉冷) 229.26 11.42 焊接界面
由表2记载的情况，可知当采用本发明的不锈钢和可伐合金的焊接方案进行焊接连接的时候，焊接冷却速率对于焊接件的力学性能有较大的影响，主要体现在焊接构件的抗拉强度和断裂伸长率上。而且通过显微观察发现，由于界面处线膨胀系数的差异，保温结束后直接炉冷使界面处形成较大的焊接残余应力，不利于结合处的结构致密性。同时，显著地削弱了焊接构件的抗拉强度及焊接构件的塑性。当以5℃/min降温速率冷却到600℃时，焊接构件的力学性能较10℃/min降温速率及直接炉冷有着明显的提升。所以，以5℃/min降温速率冷却为优选参数。
实施例3
采用与实施例2相同的工艺进行不锈钢和可伐合金的焊接，所不同的是，采取多个不同的厚度的镍箔，选用的镍箔厚度有40、80、100、130μm，比较镍箔厚度对于不锈钢和可伐合金之间扩散焊接的影响，结果如下。
表3不锈钢/可伐合金焊接部件力学性能
试样 抗拉强度(MPa) 伸长率(％) 断裂位置
实施例2(70μm) 501.84 38.75 4J29
实施例3(40μm) 371.01 12.36 焊接界面
实施例3(80μm) 485.54 37.44 4J29
实施例3(100μm) 450.68 26.25 界面/4J29
实施例3(130μm) 251.27 13.37 焊接界面
由表3记载的情况，可知当采用本发明的不锈钢和可伐合金的焊接方案进行焊接连接的时候，镍箔的厚度选择对于焊接件的力学性能有较大的影响。镍箔厚度较薄时，经扩散焊接后无剩余镍箔存在，不利于界面处焊接应力释放，无法阻止杂质元素聚集，从而削弱焊接强度。当镍箔厚度超过100μm后，剩余过多的未经过固溶强化的镍箔成为界面薄弱区域，在外部载荷作用下首先发生断裂。而且通过显微观察发现，镍箔的厚度直接影响到界面处的组织状态。连接处的结构稳定性与镍箔厚度之间有着显著的联系，优选镍箔厚度为65～80μm。

Claims (10)

1.一种不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，具体步骤如下：
(1)、试样表面清理：对待焊表面进行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，将打磨后的试样和镍箔放入丙酮中超声清洗；清洗完成后，用酒精擦拭待焊表面，吹干或晾干，得到清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔；
(2)、试样叠放：将步骤(1)所得表面清理后的不锈钢、可伐合金和镍箔交替叠放；放置时，镍箔位于不锈钢与可伐合金之间；
(3)、焊接：将叠放好的试样置于真空热压炉上压头和下压头之间，保持试样与压头间良好的轴向对中性，通过上压头对待焊试样施加预压力15~30MPa，卸压；真空热压炉抽真空至（2~5）×10-1Pa；以5-20℃/min的速度升温，将炉温升至一定温度后，加压，保温保压一定时间进行扩散焊接；保温结束后，卸压，先缓冷，然后随炉冷却。
2.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，步骤（1）中，超声清洗10~15min。
3.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镍箔的纯度大于98wt%。
4.如权利要求3所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，镍箔纯度大于99.9wt%。
5.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，步骤(1)中，镍箔的厚度为40~130μm。
6.如权利要求5所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，镍箔厚度为65~80μm。
7.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，步骤(3)中，保温温度为850~950℃。
8.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，步骤(3)中，保压压力为30~35MPa。
9.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，步骤(3)中，保温保压时间为2~4h。
10.如权利要求1所述不锈钢与可伐合金异种金属扩散焊方法，其特征在于，步骤(3)中，保温结束后，缓冷速率为3-20℃/min，缓冷结束温度为400~600℃。
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