CN112077476A - 一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接材料领域，具体是一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，包括TU1半硬态铜合金外皮和药芯，药芯含量为：CuSi16粉2.1％‑3.2％，CuMn30粉2.2％‑3.0％，CuP12粉1.5％‑2.2％，AlSr40粉3.0％‑3.8％，纳米F3Ti粉2.8％‑3.6％，纳米NdF3粉3.2％‑4.5％，余量为FTD1电解铜粉，药芯的填充率为32％‑38％。本发明熔敷金属的化学成分均匀，无夹杂、裂纹、气孔缺陷，气密性好，熔敷金属的抗拉强度最小值为306MPa，断后伸长率最小值为31.6％，无缝铜管采用熔焊工艺后形成的构件完全满足医用气体和真空要求。

Description

一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝。
背景技术
医用气体从气源至终端的输送过程中，为避免因泄漏、污染等因素引起医用气体品质的变化，用气体管道应具有良好的洁净度、耐腐蚀性和密闭性。医用气体管道因输送的安全性和卫生性要求，以及其输送介质的特殊性和重要性，使其有别于常见的公用管道；真空用无缝铜管要求气密性非常高，有色金属行业标准YS/T 650－2007《医用气体和真空用无缝铜管》对此类管材进行了详细规定。
目前医用气体和真空用无缝铜管焊接连接时大多采用钎焊技术，出现的问题是受到钎焊这种母材不熔化而只有钎料熔化工艺方法的限制，一方面钎料熔点不能太高，造成许多合金元素无法添加进行合金化，别一方面由于母材的不熔化造成焊接接头气密性无法保证，钎焊接头的合格率低。
中国专利CN201810945589.0(申请日期2018年8月20日)公开了一种焊接用铜基合金材料及其制造方法，其提供的焊接用铜基材料适用于钎焊工艺，不适用于熔焊工艺，解决的问题是提高车床夹具硬质合金材料与钢基体之间的焊接质量，无法解决医用气体和真空用无缝铜管焊接接头要求的气密性问题。
在选用合理的焊接材料并配以优化的工艺参数的情况下，医用气体和真空用无缝铜合金管材的熔焊可以得到质量优良的焊接接头。目前尚未发现医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝的相关文献报道。
研制出医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，是本领域技术人员急待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，可解决如下技术问题：①熔敷金属的化学成分不均匀，熔敷金属中存在气孔、夹杂、裂纹、疏松缺陷；②熔敷金属的气密性差；③熔敷金属的抗拉强度和断后伸长率不能满足使用要求。
本发明采用如下技术方案：
一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，包括药芯和外皮，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：CuSi16粉2.1％-3.2％，CuMn30粉2.2％-3.0％，CuP12粉1.5％-2.2％，AlSr40粉3.0％-3.8％，纳米F3Ti粉2.8％-3.6％，纳米NdF3粉3.2％-4.5％，余量为FTD1电解铜粉；所述外皮采用TU1铜合金带材制备。
所述CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉的100目通过率为200％。
所述纳米F3Ti粉的粒度范围为30nm-80nm。
所述纳米NdF3粉的粒度范围为30nm-80nm。
所述FTD1电解铜粉的200目通过率为100％，300目通过率为95％。
所述TU1铜合金带材的厚度为0.5mm-1.5mm。
所述TU1铜合金带材的状态为半硬态。
所述药芯的填充率为32％-38％。
所述药芯焊丝直径为1.8mm-6.0mm，优选2.5mm-4.0mm。
如上所述的一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝的制备步骤如下：
1)选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制。
2)筛粉：将CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉、FTD1电解铜粉用相应的筛网过筛，过筛后保存所需求的粉料，弃掉杂质。
3)药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度100℃±5℃，干燥时间1.8h-2.5h。
4)配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉。
5)TU1铜合金带轧制及药粉封装：将TU1铜合金带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将TU1铜合金带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4)得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至1.8mm-6.0mm，得到药芯焊丝。
本发明具有以下有益技术效果：
1、熔敷金属的化学成分均匀，无夹杂、裂纹、疏松缺陷。①本发明采用了CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉4种中间合金、FTD1电解铜粉，5种原料的熔点低(分别为800℃、850℃、1020℃、650℃、1080℃)，在电弧热输入作用下可以全部熔化，不会在熔池中存留固体颗粒，避免了夹杂的产生，而且由于4种原料是中间合金，易于在熔池中均匀分布。②本发明采用了适量的CuSi16和CuP12中间合金，Si、P可以稀释焊接熔池，增强流动性，利于熔敷金属化学成分的均匀化。③纳米NdF3粉在电弧热输入作用下分解出F和Nd，Nd是一种稀土元素，可有效促进熔池合金均匀化，避免了部分区域的元素富集或缺失造成的合金化不均匀现象。④纳米NdF3和纳米F3Ti表面原子数目多，比表面积大，比表面能高，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，且原子具有很高的化学活性，其扩散系数远大于常规材料，有效促进了熔敷金属的化学成分均匀化。⑤因为铜合金熔点小于1085℃，焊接时熔滴温度高于此温度，但NdF3的熔点为1410℃，F3Ti的熔点为1200℃，这两种物质在电弧这一移动热源作用下不会完全分解，未分解的纳米NdF3和纳米F3Ti作为非自发形核质点细化晶粒，另外由于其纳米尺寸的结构很容易与其他原子结合，不会在熔敷金属中生成尺寸大小不均匀的夹杂物。
经SEM+EDS面扫描显示：熔敷金属化学成分均匀，组织细小；经无损检测显示：熔敷金属中无夹杂、裂纹、疏松缺陷。
2、熔敷金属中无气孔缺陷。①F3Ti的沸点为1400℃左右，在电弧作用下大部分不会进入熔池，而是汽化并发生分解(少部分未汽化则进入熔池)：分解出的F与电弧中的H(来源于空气)结合，形成高温下非常稳定的HF，带走电弧中的H，使电弧中存有的H不会进入熔池，降低了熔敷金属中氢气孔的形成倾向；分解出的Ti与N(来源于保护气氛不佳时混入的氮气)结合，形成稳定细小均匀的氮化钛，带走电弧中的N，避免了N进入焊接熔池，降低了氮气孔的生成倾向。②NdF3粉在电弧热输入作用下发生分解，分解出F和Nd，极少部分进入熔池的纳米F3Ti也分解出Ti和F，F与熔池中的氢发生反应，形成高温下的非常稳定的HF，带走熔池中的H，具有除H的作用，降低了熔敷金属中氢气孔的形成倾向。③CuSi16中的Si、CuP12中的P、CuMn30中的Mn、AlSr40中Al和Sr，F3Ti分解出的Ti，可以起到脱氧作用，尤其是Sr具有极强的脱氧能力，有效避免了氧气孔的产生。④适量的Si、P可以稀释焊接熔池，增强其流动性，利于熔池中气体的逸出，降低了气孔生成的倾向。
经无损检测和目视检测显示：本发明得到的熔敷金属无气孔缺陷。
3、Nd不仅可促进熔敷金属化学成分均匀化，试验表明Nd是一种可有效增强合金致密性的元素，可显著提高熔敷金属的气密性，且熔敷金属中无气孔、裂纹、夹杂、疏松缺陷，医用气体和真空用无缝铜管熔焊连接后形成的构件气密性好，完全满足使用要求。
气密性试验表明：本发明得到的熔敷金属气密性好。
4、由于采用了熔焊的方法，本发明焊接材料与母材共同熔化形成焊接熔池，发生冶金化学反应，冷却后得到的熔敷金属的成分均匀，组织细小，无夹杂、裂纹及气孔等缺陷，且由于纳米尺寸颗粒的存在，细化晶粒效果显著，不会存在普通粒径的颗粒，即不会产生对基体的割裂作用，熔敷金属的力学性能高。
拉伸实验表明：熔敷金属的抗拉强度最小值为306MPa，断后伸长率最小值为31.6％，完全满足使用要求。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例和对比例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
实施例1：
一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：CuSi16粉2.1％，CuMn30粉2.2％，CuP12粉1.5％，AlSr40粉3.0％，纳米F3Ti粉2.8％，纳米NdF3粉3.2％，余量为FTD1电解铜粉；外皮采用TU1铜合金带材制备。
CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉的100目通过率为100％。
纳米F3Ti粉的粒度范围为30nm-80nm。
纳米NdF3粉的粒度范围为30nm-80nm。
FTD1电解铜粉的200目通过率为100％，300目通过率为95％。
TU1铜合金带材的厚度为0.5mm。
TU1铜合金带材的状态为半硬态。
药芯的填充率为32％-38％。
如上所述的一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝的制备步骤如下：
1)选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制。
2)筛粉：将CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉、FTD1电解铜粉用相应的筛网过筛，过筛后保存所需求的粉料，弃掉杂质。
3)药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度100℃±5℃，干燥时间1.8h-2.5h。
4)配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉。
5)TU1铜合金带轧制及药粉封装：将TU1铜合金带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将TU1铜合金带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4)得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至1.8mm，得到药芯焊丝。
实施例2：
一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：CuSi16粉3.2％，CuMn30粉3.0％，CuP12粉2.2％，AlSr40粉3.8％，纳米F3Ti粉3.6％，纳米NdF3粉4.5％，余量为FTD1电解铜粉，外皮采用TU1铜合金带材制备。
CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉的100目通过率为100％。
纳米F3Ti粉的粒度范围为30nm-80nm。
纳米NdF3粉的粒度范围为30nm-80nm。
FTD1电解铜粉的200目通过率为100％，300目通过率为95％。
TU1铜合金带材的厚度为1.5mm。
TU1铜合金带材的状态为半硬态。
药芯的填充率为32％-38％。
如上所述的一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝的制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至6.0mm。
实施例3：
一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：CuSi16粉2.6％，CuMn30粉2.6％，CuP12粉1.8％，AlSr40粉3.4％，纳米F3Ti粉3.2％，纳米NdF3粉3.8％，余量为FTD1电解铜粉；外皮采用TU1铜合金带材制备。
CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉的100目通过率为100％。
纳米F3Ti粉的粒度范围为30nm-80nm。
纳米NdF3粉的粒度范围为30nm-80nm。
FTD1电解铜粉的200目通过率为100％，300目通过率为95％。
TU1铜合金带材的厚度为1.0mm。
TU1铜合金带材的状态为半硬态。
药芯的填充率为32％-38％。
如上所述的一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝的制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至3.2mm。
对比例1：
与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉换成相应质量的Cu粉、Si粉、Mn粉、P粉、Al粉、Sr粉。
对比例2：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米F3Ti粉。
对比例3：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米NdF3粉。
对比例4：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米F3Ti粉、纳米NdF3粉。
对比例5：
与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的纳米F3Ti粉和纳米NdF3粉换成普通粒径的F3Ti粉和NdF3粉。
对比例6：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无CuSi16粉。
对比例7：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无CuMn30粉。
对比例8：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无CuP12粉。
对比例9：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无AlSr40粉。
将实施例1-3和对比例1-9制备的药芯焊丝对医用气体和真空用无缝铜管进行对接焊接：
1)按GB/T 2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》测试熔敷金属的力学性能。
2)用SEM+EDS进行面扫描测试熔敷金属化学成分均匀性。
3)按GB/T 5248－2016《铜及铜合金无缝管涡流探伤方法》和目视方法检测熔敷金属表面气孔、裂纹及夹杂情况。
4)按GB/T 12605-2008《无损检测金属管道熔化焊环向对接接头射线照相检测方法》和目视方法检测熔敷金属中气孔、裂纹、夹杂情况，
5)气密性试验方法按如下规定进行：试验气体压力0.4MPa，焊接结构件密封后完全浸入在水中10s无气泡出现。
检测结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002672890170000061
注：抗拉强度、断后伸长率保证值按母材(290MPa、40％)的70％计算(行业内公知，熔敷金属的力学性能达到母材的70％的结构件即具有使用价值)，母材的要求值来自标准YS/T 650－2007《医用气体和真空用无缝铜管》。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，包括药芯和外皮，其特征在于，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：CuSi16粉2.1％-3.2％，CuMn30粉2.2％-3.0％，CuP12粉1.5％-2.2％，AlSr40粉3.0％-3.8％，纳米F3Ti粉2.8％-3.6％，纳米NdF3粉3.2％-4.5％，余量为FTD1电解铜粉；所述外皮采用TU1铜合金带材制备。
2.根据权利要求1所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：CuSi16粉2.6％，CuMn30粉2.6％，CuP12粉1.8％，AlSr40粉3.4％，纳米F3Ti粉3.2％，纳米NdF3粉3.8％，余量为FTD1电解铜粉。
3.根据权利要求1或2所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述CuSi16粉、CuMn30粉、CuP12粉、AlSr40粉粉的100目通过率为100％。
4.根据权利要求1或2所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述纳米F3Ti粉的粒度范围为30nm-80nm。
5.根据权利要求1或2所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述纳米NdF3粉的粒度范围为30nm-80nm。
6.根据权利要求1或2所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述FTD1电解铜粉的200目通过率为100％，300目通过率为95％。
7.根据权利要求1或2所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述TU1铜合金带材的厚度为0.5mm-1.5mm。
8.根据权利要求6所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述TU1铜合金带材的状态为半硬态。
9.根据权利要求1所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的填充率为32％-38％。
10.根据权利要求1所述的医用气体和真空用无缝铜管熔焊用配套药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝直径为1.8mm-6.0mm，优选2.5mm-4.0mm。
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