CN109202243A - 一种钽/不锈钢储能焊用中间层合金及其制备方法与焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钽与不锈钢储能焊用中间层合金及其制备方法与两种异质金属的焊接方法。在待焊钽与钢板材之间放置一定厚度的中间层合金箔材，采用储能焊方式进行焊接操作，使得界面电阻热熔化中间层合金及局部母材，实现钽/钢的高性能焊接。本发明还公开了上述方法中的中间层合金，由以下组分按原子百分比组成，其中Ta为5％～10％，Fe为5％～10％，Ni为20％～25％，Cr为15％～23％，Cu为15％～22％，Co为20％～25％。本发明的方法及其中间层合金，在焊接时与钽及不锈钢的匹配性好、熔核为单相Fcc固溶体组织，接头综合力学性能高，该中间层合金箔材的制备方法工艺简单，成本低。

Description

一种钽/不锈钢储能焊用中间层合金及其制备方法与焊接 方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种钽不锈钢储能焊用中间层合金及其制备方法与两种金属的焊接方法。

背景技术

钽金属具有高密度、高熔点、耐腐蚀、良好的加工性能等优点，在电子、化工、航空航天等领域应用广泛，但其价格昂贵，限制了其进一步的发展应用。钢的价格低廉，具有良好的热电性能及力学性能。工程中常用钽-钢复合结构，既能充分发挥基层和覆层各自材料的优点，也是节约贵金属最好的途径，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面具有明显的社会效应和经济效应，具有广阔的应用前景。

然而，钽-钢复合结构的应用势必涉及到钽与钢的焊接问题。由于钽与钢的线膨胀系数、热导率等物理和化学性能存在较大差异，焊接过程中极易形成裂纹，焊缝形成大量硬脆的金属间化合物(FeTa、FeTa₂、Cr₂Ta)，接头强度较低。目前，用于钽/钢焊接的主要方法是熔化焊(包括电子束焊和钨极氩弧焊)、压力焊(包括扩散焊和爆炸焊)和钎焊，这几种方法均能将钽/钢焊在一起，但上述方法或因焊接工艺很难控制或因焊缝金属形成金属间化合物导致接头性能不佳，而使其不能广泛应用于工业生产。现有的电容储能放电焊是一种快速凝固连接方法，该法焊接热能集中，热循环时间极短，接头冷却速率高达10⁶k/s，特别适于异种金属的连接，进而避免金属间化合物的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钽与不锈钢储能焊用中间层合金及其制备方法与两种金属的焊接方法。解决了现有焊接方法易形成硬脆的金属间化合物，不易获得高性能的钽-钢复合结构的焊接难题。本发明的另一目的在于提供一种利用上述中间层进行钽/钢快速凝固焊接的方法。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种钽/不锈钢储能焊用中间层合金，由以下原子百分比的组份组成：Ta5％～10％，Fe5％～10％，Ni20％～25％，Cr15％～23％，Cu15％～22％，Co20％～25％。

一种钽/不锈钢储能焊用中间层合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、利用真空电弧炉熔配母合金；

1.1按照以下组分的原子百分比配制，Ta为5％～10％，Fe为5％～10％，Ni为20％～25％，Cr为15％～23％，Cu为15％～22％，Co为20％～25％；将高熵中间层合金组分的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，混匀、压实成坯待用；

1.2将步骤1.1制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制备母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-7m/s，将步骤1.2得到的母合金制备成高熵中间层合金箔材，即成。

利用一种快速凝固焊接装置进行焊接，其包括机械部分和电路部分。

所述机械部分的结构是，包括储能焊机的上下3与4电极以及加压装置。本发明所采用的是直流储能焊机，由于所焊接材料物理化学性能差较大，因此本发明所采用的电极规格为：以导电率较高的纯铜作为钽侧电极，且采用小直径电极，补偿其因熔点过高所需的热量；以导电率较低的铍青铜作为钢侧电极，且采用大直径电极，以降低其在焊后的冷却速度。

所述电路部分的结构是，交流电源与可调变压器T的输入端连接，可调变压器T的输入端还连接有总电源开关S_B和电阻R1串联构成的支路；可调变压器T的输出端与桥式整流器ZLQ的两个输入端连接，桥式整流器ZLQ的两个输出端之间依次串联有开关K、三向开关KM、电容C和电阻R2，开关K与三向开关KM的位置Ⅰ连接，三向开关KM的位置Ⅲ与储能焊机的上电极连接，电容C和电阻R2的接点与储能焊机的下电极连接。

一种钽/不锈钢快速凝固焊接的方法,包括如下步骤：

步骤1、将待焊钽/钢板进行搭接装配；

将需要焊接的两块待焊板材，分别是钽板材与钢板材以及高熵中间层合金用酒精进行超声波清洗，然后对焊接部位进行搭接装配，搭接区域中心部位位于储能焊机的上电极和下电极的轴线上；

步骤2、加压；

调节加压装置，通过储能焊机上下电极向待焊材料施加预定压力；

步骤3、进行焊接操作；

3.1)储能焊机的工作参数设置为：焊接电压U＝900-1100V，焊接压力F＝20-40kN，电容C＝500-2000μF；

3.2)先给储能焊机供电，然后合上焊接电路开关，同时将三向开关接通电容器充电位置，给电容器充电；

3.3)将三向开关接通电容器放电位置，电容器放电，上电极和下电极瞬间完成钽与钢的焊接，即成。

本发明的有益效果是：本发明的方法及其中间层合金，在焊接时与钽及不锈钢的匹配性好、熔核为单相Fcc固溶体组织，接头综合力学性能显著提高，该中间层合金箔材的制备方法工艺简单，成本低。

附图说明

图1为本发明所采用焊接装置的结构示意图；

图中，1.钽，2.不锈钢，3.上电极，4.下电极，5.熔核，6.高熵中间层合金。

图2为本发明所采用焊接装置中储能点焊机钽/钢的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

本发明应用于高熵效应焊接钽/钢的高熵中间层合金，由以下组份按原子百分比组成：Ta为5％～10％，Fe为5％～10％，Ni为20％～25％，Cr为15％～23％，Cu为15％～22％，Co为20％～25％。该高熵中间层合金本身为高熵合金，和传统钎料有所不同，焊后所形成的焊缝亦为高熵合金，只是焊缝中的Fe的含量明显高于高熵中间层合金初始值，该高熵中间层合金形成的焊缝基本上消除脆性金属间化合物，接头性能较高。

本发明的高熵中间层合金成分中各元素的组成及含量限定理由是：为了提高钽/钢接头的综合力学性能，高熵中间层合金的选择为Ta-Fe-Cr-Ni-Cu-Co六主元合金系。主要原因有两点：①焊接过程中母材熔化并向中间层熔化形成的液态熔池中溶解不可避免，但由于焊接过程极短且母材Ta熔点较高，焊接过程中来不及将Ta熔化，因此为预防焊缝形成脆性金属间化合物，中间层须含有Ta、Fe、Cr、Ni、Cu等主元；②通过在合金中添加Co元素，形成高熵合金，改善焊缝与Ta母材的熔合性。

步骤1、利用真空电弧炉熔配母合金

1.1将高熵中间层合金组分的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，所有各种高纯金属的纯度均高于99.99％，将各个组分混匀、压实成坯待用；

1.2将步骤1.1制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制得母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-7m/s，将步骤1.2得到的母合金制备成高熵中间层合金箔材，所制备得到的高熵中间层合金箔材厚度为80～150μm，宽5～10mm，长0.3～0.8m。

本发明的应用高熵效应焊接钽/钢的方法，该方法的工作原理是：在两块待焊板材(分别是钽板材与钢板材)之间放置一定厚度的经过严格成分设定的高熵中间层合金，电阻点焊过程中，界面电阻热熔化高熵中间层合金及局部母材，熔化金属相混融，其熔融金属处在高熵合金成分范围，凝固后形成具有单相固溶体结构，而无金属间化合物产生的高熵合金焊缝(熔核)，实现钽/钢的高性能焊接。

利用上述制备的高熵合金中间层箔材焊接钽/钢板材，装配时先将折叠箔材(将高熵中间层合金箔材折叠成复层，具体层数视箔材厚度和焊缝间隙大小而定)置于待焊钽/钢板材之间，然后按照常规点焊方法对装配好了的接触部位进行焊接，与现有点焊工艺操作条件相似，工艺简单，操作方便。该方法按照以下步骤具体实施：

步骤1、将待焊钽/钢板进行搭接装配

将需要焊接的两块待焊板材(分别是钽板材与钢板材)以及高熵中间层合金用酒精进行超声波清洗，然后对焊接部位进行搭接装配，搭接区域中心部位位于储能焊机的上电极和下电极的轴线上；

步骤2、加压

调节加压装置，通过储能焊机上下电极向待焊材料施加预定压力；

步骤3、进行焊接操作

3.1)储能焊机的工作参数设置为：焊接电压U＝900-1100V，焊接压力F＝20-40kN，电容C＝500-2000μF；

3.2)先给储能焊机供电；然后合上焊接电路开关K；同时将三向开关KM接通位置Ⅰ，给电容器C充电；

3.3)将三向开关KM接通位置Ⅲ，电容器C放电，上电极和下电极瞬间完成钽与钢的焊接，即成。

表1中列举了本发明的高熵中间层合金实施例1～3中各组分的具体含量。

表1本发明的高熵中间层合金实施例1～3中的各组分含量表

实施例1

按照上述高熵中间层合金的制备方法，依照表1中列举的高熵中间层合金实施例1的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚约130μm，宽约5mm，长约0.5m的Ta₁₀Fe₅Ni₂₂Cr₂₃Cu₁₅Co₂₅高熵中间层合金箔材。设置储能焊机的工作参数：焊接电压U＝900V，焊接压力F＝40kN，电容C＝1500μF。应用该高熵中间层合金箔材，对钽/钢进行储能焊，获得焊接接头强度约为305MPa。

实施例2

按照上述高熵中间层合金的制备方法，依照表1中列举的高熵中间层合金实施例2的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚约130μm，宽约5mm，长约0.5m的Ta₇Fe₈Ni₂₅Cr₂₀Cu₁₈Co₂₂高熵中间层合金箔材。设置储能焊机的工作参数：焊接电压U＝1000V，焊接压力F＝35kN，电容C＝1000μF。应用该高熵中间层合金箔材，对钽/钢进行储能焊，获得焊接接头强度约为340MPa。

实施例3

按照上述高熵中间层合金的制备方法，依照表1中列举的高熵中间层合金实施例3的数据选取各组分元素及含量，将辊面线速度控制在5m/s，制备出厚约130μm，宽约5mm，长约0.5m的Ta₅Fe₁₀Ni₂₀Cr₁₅Cu₂₀Co₂₀高熵中间层合金箔材。设置储能焊机的工作参数：焊接电压U＝1100V，焊接压力F＝30kN，电容C＝500μF。应用该高熵中间层合金箔材，对钽/钢进行储能焊，获得焊接接头强度约为289MPa。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种钽/不锈钢储能焊用中间层合金，其特征在于，由以下原子百分比的组份组成：Ta 5％～10％，Fe 5％～10％，Ni 20％～25％，Cr 15％～23％，Cu 15％～22％，Co 20％～25％。

2.一种钽/不锈钢储能焊用中间层合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、利用真空电弧炉熔配母合金；

1.1按照以下组分的原子百分比配制，Ta为5％～10％，Fe为5％～10％，Ni为20％～25％，Cr为15％～23％，Cu为15％～22％，Co为20％～25％；将高熵中间层合金组分的原子百分比换算成质量百分比，按质量百分比称量好各种高纯金属，混匀、压实成坯待用；

1.2将步骤1.1制成的坯料在超高真空电弧炉中进行熔配，制备母合金；

步骤2、应用单辊快速凝固装置，将辊轮线速度控制在5-7m/s，将步骤1.2得到的母合金制备成高熵中间层合金箔材，即成。

3.一种钽/不锈钢快速凝固焊接的方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将待焊钽/钢板进行搭接装配；

将需要焊接的两块待焊板材，分别是钽板与钢板以及高熵中间层合金用酒精进行超声波清洗，然后对焊接部位进行搭接装配，搭接区域中心部位位于储能焊机的上电极和下电极的轴线上；

步骤2、加压；

调节加压装置，通过储能焊机上下电极向待焊材料施加预定压力；

步骤3、进行焊接操作；

3.1)储能焊机的工作参数设置为：焊接电压U＝900-1100V，焊接压力F＝20-40KN，电容C＝500-2000μF；

3.2)先给储能焊机供电，然后合上焊接电路开关，同时将三向开关接通电容器充电位置，给电容器充电；

3.3)将三向开关接通电容器放电位置，电容器放电，上电极和下电极瞬间完成钽与钢的焊接，即成。