CN110052683A

CN110052683A - 铌及铌合金与不锈钢的焊接方法

Info

Publication number: CN110052683A
Application number: CN201910474303.XA
Authority: CN
Inventors: 鲁盛会; 郑建平; 王卫军; 陈博; 齐立君; 王振东
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: CN110052683B

Abstract

本发明公开了一种铌及铌合金与不锈钢的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层；步骤2，将钎料置于铌及铌合金的镍铬镀层与不锈钢之间，组装得到待焊件；以及步骤3，将所述待焊件放入真空钎焊炉内进行焊接。

Description

铌及铌合金与不锈钢的焊接方法

技术领域

本发明的实施例涉及焊接技术领域，特别涉及一种铌及铌合金与不锈钢的焊接方法。

背景技术

铌及铌合金具有机械性能优良、热中子截面小、化学性质稳定的优点，是一种密度相对较轻的难熔金属材料，铌及其合金广泛应用于核反应堆材料及相关零部件的研制。不锈钢材料价格低廉，机械性能和抗腐蚀性能较好。将铌及铌合金与不锈钢焊接组合成器件，既可降低成本，又可充分利用两种材料各自具有的优异性能。铌及铌合金与不锈钢的焊接广泛应用于核工业、航天航空、发电等领域。

然而，铌及铌合金属于异种难熔金属，与不锈钢、常用钎料的性能存在较大差别，不锈钢和钎料的主要组成元素在铌合金中的溶解度小，当利用常用的铜基、银基、钯基钎料将这两类材料焊接时，焊缝内极易形成一系列低熔点金属间化合物，严重影响焊缝的结合强度和可靠性。

因此，有必要研究一种铌及铌合金与不锈钢的焊接方法，以避免或显著减少在焊接过程中形成多种金属间化合物，从而保证焊接接头具有较好的机械性能和化学性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铌及铌合金与不锈钢的焊接方法，以解决上述技术问题中的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提出一种铌及铌合金与不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：步骤1，在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层；步骤2，将钎料置于铌及铌合金的镍铬镀层与不锈钢之间，组装得到待焊件；以及步骤3，将所述待焊件放入真空钎焊炉内进行焊接。

根据一些实施方式，所述步骤1包括：控制所述镍铬镀层的厚度为0.5～20μm。

根据一些实施方式，所述步骤1包括：控制所述镍铬镀层中镍的含量为60～90wt％，铬的含量为10～40wt％。

根据一些实施方式，所述步骤1包括：采用物理气相沉积法或者化学电镀法形成所述镍铬镀层。

根据一些实施方式，所述铌及铌合金中铌的含量为30～100wt％。

根据一些实施方式，所述钎料包括银基钎料、铜基钎料或钯基钎料。

根据一些实施方式，所述钎料包括AgCu钎料、CuPd钎料或AgCuPd钎料。

根据一些实施方式，所述步骤2包括：将铌及铌合金、钎料以及不锈钢通过端面连接或套接的方式组装为待焊件。

根据本发明的另一方面，提出一种焊接件，包括铌及铌合金母材、不锈钢母材以及钎料，在所述铌及铌合金母材的焊接面上具有镍铬镀层。

在根据本发明的实施例的铌及铌合金与不锈钢的焊接方法中，先在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层，然后再将钎料置于铌及铌合金的镍铬镀层与不锈钢之间来完成焊接，能够有效避免铌及铌合金与钎料、不锈钢之间发生物理化学反应而生成众多的金属间化合物，从而保证焊缝的结合强度和可靠性、延长使用寿命。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的铌及铌合金与不锈钢的焊接方法的流程图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的焊接件的示意图；以及

图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的焊接件的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的铌及铌合金与不锈钢的焊接方法的流程图，如图1所示，本发明实施例的焊接方法包括以下步骤：

步骤1，在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层；

步骤2，将钎料置于铌及铌合金的镍铬镀层与不锈钢之间，组装得到待焊件；以及

步骤3，将所述待焊件放入真空钎焊炉内进行焊接。

在根据本发明的实施例的铌及铌合金与不锈钢的焊接方法中，先在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层，然后再将钎料置于铌及铌合金的镍铬镀层与不锈钢之间来完成焊接，能够有效避免铌及铌合金与钎料、不锈钢之间发生物理化学反应而生成众多的金属间化合物，从而保证焊缝的结合强度和可靠性、延长使用寿命。此外，镍铬镀层的中子吸收截面小、耐辐照能力好，并且其抗氧化性能优良，使得焊接器件牢固可靠。进一步地，镍铬镀层与铌的结合力大，并且与铌不易生成脆性相，同时还能改善钎料的润湿效果，能够保证铌及铌合金与不锈钢之间较高的结合强度。

铌合金是以铌为基加入一定量的其他金属元素而形成的合金，合金化是改善金属铌性能的重要措施，向铌中加入合金元素可以获得材料的特殊性能，例如提高强度、改善抗氧化性能、提高塑性和工艺性能等。常见的铌合金有铌钨合金、铌锆合金、铌钛合金等。本发明实施例的铌及铌合金中铌的含量可以为30～100wt％。不锈钢的材质例如可以为以下牌号：321、321H、304、316、316L、310、310S。

在一些实施例中，所述步骤1可以包括：控制所述镍铬镀层的厚度为0.5～20μm。镍铬镀层的厚度不宜太大，否则会使得焊缝拉伸强度降低；同时镍铬镀层的厚度也不宜太小，否则起不到阻挡钎料与铌及铌合金生成脆性相的作用。

在一些实施例中，所述步骤1可以包括：控制所述镍铬镀层中镍的含量为60～90wt％，铬的含量为10～40wt％。通过将镍和铬的含量控制在上述范围内，可以保证镍和铬易于生成共晶合金，从而改善镍铬镀层的自身性能。

在一些实施例中，所述步骤1可以包括：采用物理气相沉积法或者化学电镀法形成所述镍铬镀层。

物理气相沉积(PVD)技术是指在真空条件下，采用物理方法，将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。在本发明的实施例中，对于物理气相沉积法，具体可以采用真空蒸镀法、溅射沉积法、离子镀膜法或电弧离子镀法等。其中，真空蒸镀法是指在真空条件下，采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料并使之气化，粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。溅射沉积法是指用离子轰击靶材表面，使靶材的原子被击出，溅射产生的原子沉积在基体表面成膜的方法。离子镀膜法是指，在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。

在进行物理气相沉积之前，首先将需要镀膜的铌及铌合金器件表面打磨抛光，之后器件经油污清洁剂清洗、清水清洗、酒精超声波清洗，烘干后放入镀膜设备，并预抽真空至真空度大于1×10^-3Pa，然后可以通入惰性气体对铌及铌合金进行辉光放电清洗，之后选用高纯度的镍铬合金作为靶材，进行物理气相沉积。选用的镍铬合金靶材的组分含量与期望形成的镍铬镀层的组分含量一致。对器件进行油污清洁剂清洗可以有效去除铌及铌合金器件表面的油脂、油污及混合污垢，之后利用清水清洗可以去除器件表面的水溶性污物，之后进行酒精超声波清洗可以进一步去除器件表面微小的、隐蔽的、残留的杂质，保证器件表面清洁，从而提高镀层的附着力。

化学电镀法是指在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。在进行化学电镀之前，首先对铌及铌合金进行镀前处理，包括去油、酸洗并彻底地清洗，镀前处理过程中要尽量缩短铌及铌合金与空气接触的时间；然后开始电沉积Ni-Cr合金镀层，本发明采用三价铬镀液体系，主盐为NiSO₄·6H₂O、NiCl·6H₂O及CrCl₃·6H₂O，柠檬酸作为配位剂，同时加入缓冲剂、导电盐及添加剂；直流电镀的电流密度一般选择2～10A/dm²，pH值可以为2.5～3.5，温度可以为15～60℃，具体镀液配方及电镀工艺参数可依实际镀层成分需求进行调节。

镍铬镀层可以形成于器件端面或者管件内壁或外壁，在形成镍铬镀层的过程中，可以将不需要形成镀层的器件区域进行遮挡。具体地，对于化学电镀法，可以采用阻镀涂料、阻镀油墨涂敷非镀部位，或者采用绝缘胶带包裹非镀部位。此外，还可以采用局部电镀法(例如双极性电镀法)对只需要形成镀层的部位进行电镀。对于物理气相沉积法，可以采用金属工装进行遮挡，所述金属工装的材质可以为不锈钢。

在一些实施例中，所述钎料可以包括银基钎料、铜基钎料或钯基钎料，进一步地，所述钎料可以包括AgCu钎料(Ag含量为70～80wt％，余量为Cu)、CuPd钎料(Cu含量为70～85wt％，余量为Pd)或AgCuPd钎料(Ag含量为45～55wt％，Cu含量为25～35wt％，余量为Pd)。钎料的形状规格可以为丝材或带材。

在一些实施例中，所述步骤2包括：将铌及铌合金、钎料以及不锈钢通过端面连接或套接的方式组装为待焊件。端面连接的组装方式可以包括：首先放置铌及铌合金器件，使其端面朝上，其中，镍铬镀层形成于所述端面；将钎料放置于所述端面上，使钎料与镍铬镀层接触；以及将不锈钢器件放置于铌及铌合金器件上，使不锈钢器件的端面与所述钎料接触，由此得到由上到下依次为不锈钢器件、钎料以及铌及铌合金器件的待焊件。可替换地，也可以先放置不锈钢器件，使其端面朝上；之后将钎料放置于所述端面上；之后将铌及铌合金器件放置于不锈钢器件上，使得形成于铌及铌合金器件端面的镍铬镀层与所述钎料接触，由此得到由上到下依次为铌及铌合金器件、钎料以及不锈钢器件的待焊件。

套接方式一般用于管件之间的焊接，如图3所示。套接的组装方式可以包括：首先在铌及铌合金管件待焊接端的内壁沿周向形成固定槽；之后将不锈钢管件部分地放入铌及铌合金管件的腔体内，使得不锈钢管件的外壁与铌及铌合金管件的内壁之间留有间隙，其中，镍铬镀层形成于铌及铌合金管件的内壁，所述固定槽与不锈钢管件的外壁之间形成容纳部；之后将钎料放置于所述容纳部，得到待焊件。针对此待焊件的焊接，当钎料受热熔化后，液态钎料在毛细作用下，从所述容纳部流入所述间隙内，以浸润镍铬镀层和不锈钢外壁，进而实现焊接。

可替换地，也可以将铌及铌合金管件部分地套设于不锈钢管件内，在此实施例中，镍铬镀层形成于铌及铌合金管件的外壁，固定槽形成于不锈钢管件待焊接端的内壁，并且所述固定槽与铌及铌合金管件的外壁之间形成容纳部。

在优选的实施方式中，可以将不锈钢管件与铌及铌合金管件同心放置，以保证所述间隙在周向均匀，使得最终得到的焊缝也在周向均匀，保证焊接处接合强度的均匀。

对于钎料带材，所述固定槽的轴向截面可以为方形；对于钎料线材，所述固定槽的轴向截面可以为三角形，即在管件端部的内壁进行倒角处理。钎料带材或线材沿周向容纳在所述容纳部内。钎料带材的厚度可以为0.1～0.6mm，钎料线材的直径可以为0.1～2mm。所述固定槽的大小可以根据钎料尺寸进行设计。

间隙尺寸决定了最终的焊缝尺寸，间隙尺寸可以为0.03～0.3mm，间隙尺寸太小，会使得焊层过薄，焊接效果不好；间隙尺寸太大，会使得焊层过厚，影响接合强度和焊件性能。

具体在组装时，可以采用夹具将母材和钎料固定在一起。对于端面连接的组装方式，夹具在上下方向上将不锈钢器件、钎料以及铌及铌合金器件三者固定，即夹持住不锈钢器件的上(或下)表面和铌及铌合金器件的下(或上)表面；对于套接的组装方式，夹具在内外方向上将三者固定，即夹持住不锈钢器件的内壁(或外壁)和铌及铌合金器件的外壁(或内壁)。

在步骤3中进行焊接时，控制真空度优于1×10^-3pa，最终钎焊温度需根据钎料的熔流点进行设定，然后进行相应的钎焊。例如，可以在1220℃～1320℃对所述待焊件保温1～5min，之后随炉冷却至室温完成焊接。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的焊接件的示意图，如图2所示，所述焊接件包括铌及铌合金母材1、不锈钢母材2以及钎料4，在铌及铌合金母材1的焊接面上具有镍铬镀层3。

根据以上描述，本发明实施例的焊接方法至少具有以下技术效果：

(1)镍铬镀层能够有效阻止异种难熔金属铌及铌合金与钎料、不锈钢发生反应，从而显著减少或避免生成金属间化合物，进而提高焊缝的牢固性能和气密性。

(2)能够显著延长铌及铌合金制备的工件在核反应堆、航空航天及发电设备中的使用寿命，具有显著的应用价值和经济价值。

下面通过具体的实施例进行说明。

实施例1

1.Nb-1Zr合金与不锈钢的焊接方法，在本实施例中，钎料选用Cu80Pd20(即Cu含量为80wt％，Pd含量为20wt％)，并选用牌号为321的不锈钢

根据本发明所提供的铌及铌合金与不锈钢的焊接方法，其包括如下步骤：

步骤1，在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层。

其中，在步骤1中，首先进行镍铬镀层的制备。

首先，对铌及铌合金的待形成镍铬镀层的表面进行处理：将需要形成镍铬镀层的Nb-1Zr合金表面抛光，抛光后进行清洗，清洗后进行烘干；

其次，将烘干后的铌及铌合金放入镀膜设备中，采用物理气相沉积方法中的等离子增强电弧离子镀技术在Nb-1Zr合金表面制备Ni-Cr镀层。

在优选的实施方式中，Ni-Cr镀层的厚度为12.5μm，含镍73wt％、含铬27wt％。在不背离本发明的精神和实质的情况下，也可以采用其他厚度的镀层以及采用其他比例的镍和铬。

在优选的实施方式中，在对Nb-1Zr合金表面清洗的步骤，可以采用如下方法进行清洗：先利用清洁剂超声清洗预定时间，之后利用清水冲洗预定时间，最后利用酒精超声波清洗预定时间，上述预定时间可以是5分钟至10分钟，优选为10分钟。

在优选的实施方式中，将烘干后的铌及铌合金放入镀膜设备之后，首先预抽真空至真空度为1.0×10^-3Pa，然后使真空室温度恒定为250℃～300℃，通入高纯氩气(纯度≥99.999％)，对铌及铌合金进行辉光放电清洗，清洗时间可以是15-20min。辉光放电清洗完成之后，可以开始在Nb-1Zr合金表面制备Ni-Cr镀层。

在优选的实施方式中，在制备Ni-Cr镀层的步骤，可以将真空度控制在1.0Pa以下，在Ar等离子体气氛下进行等离子增强电弧离子镀，沉积镀层所采用的偏压可以为-40～-120V。在镀层沉积过程中，可以通过对Ni73Cr27合金靶材的连续放电来获得相应比例的Ni-Cr镀层。

步骤2，将钎料置于铌及铌合金的镍铬镀层与不锈钢之间，组装得到待焊件。

将Nb-1Zr管件、Cu80Pd20钎料带材、321不锈钢管件进行组装，得到待焊件。其中，利用步骤1的方法在Nb-1Zr管件的内壁形成Ni-Cr镀层。

在优选的实施方式中，Nb-1Zr管件的壁厚为2.00mm、内径为18.00mm，Cu80Pd20钎料带材的厚度为0.45mm，321不锈钢管件的壁厚为1.00mm、外径为17.50mm。组装可以采用套接方式。首先在Nb-1Zr管件待焊接端的内壁沿周向形成固定槽；之后将321不锈钢管件部分地放入Nb-1Zr管件的腔体内，并使得两管件同心放置，由此在两管件之间形成0.25mm大小的间隙，同时，所述固定槽与321不锈钢管件的外壁之间形成容纳部；之后将Cu80Pd20钎料带材放置在所述容纳部；之后利用夹具夹持住321不锈钢管件内壁和Nb-1Zr管件外壁，以将321不锈钢管件、Cu80Pd20钎料以及Nb-1Zr管件三者固定在一起，得到待焊件。

步骤3，将步骤2得到的待焊件放入真空钎焊炉内进行焊接。

将组装好的待焊件放入高真空钎焊炉中，首先进行抽真空，然后升温至预定温度，并在预定温度下保温预定时间，之后随炉冷却至室温，完成Nb-1Zr合金与321不锈钢的焊接。得到的焊接件如图3所示。

在优选的实施方式中，将真空度控制为8.0×10^-4pa，升温速率为15℃/min，所述预定温度为1270℃，所述保温时间为1min。

2.性能检测

在上述步骤1之后，对镍铬镀层与Nb-1Zr合金之间的结合力进行测试，测得结合力大约为70N，表明步骤1所得镍铬镀层与Nb-1Zr合金结合牢固。

在上述步骤3之后，采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)对Nb-1Zr合金与321不锈钢的焊接处的断面形貌和元素分布进行检测分析，观察到Cu80Pd20钎料在321不锈钢表面润湿性良好，Ni-Cr镀层与Cu80Pd20钎料的润湿性良好，其中有少量Ni-Cr镀层扩散到熔化后的钎料层中，但是Nb-1Zr中的Nb元素未在钎焊层中出现，表明Ni-Cr镀层能起到良好的阻隔作用。

此外，在上述步骤3之后，还采用氦质谱检漏仪对焊缝气密性进行测试，测得氦气漏率小于1.0×10-11Pa·m³/s，表明焊缝气密性良好。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims

1.一种铌及铌合金与不锈钢的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在铌及铌合金的待焊接面上形成镍铬镀层；

步骤3，将所述待焊件放入真空钎焊炉内进行焊接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

控制所述镍铬镀层的厚度为0.5～20μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

控制所述镍铬镀层中镍的含量为60～90wt％，铬的含量为10～40wt％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

采用物理气相沉积法或者化学电镀法形成所述镍铬镀层。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铌及铌合金中铌的含量为30～100wt％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钎料包括银基钎料、铜基钎料或钯基钎料。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述钎料包括AgCu钎料、CuPd钎料或AgCuPd钎料。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

将铌及铌合金、钎料以及不锈钢通过端面连接或套接的方式组装为待焊件。

9.一种焊接件，包括铌及铌合金母材、不锈钢母材以及钎料，其特征在于，在所述铌及铌合金母材的焊接面上具有镍铬镀层。