CN113020840B - 一种铍材与金属件之间的钎焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铍材与金属件之间的钎焊方法，属于铍材与金属件的焊接方法技术领域。本发明的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，采用的钎料为Ag‑Cu‑Ti活性钎料，且该钎料的熔点低于待钎焊的铍材、金属件的熔点；先将钎料涂覆于铍材与金属件的待钎焊部位之间，然后在真空环境中进行钎焊，加热钎料使之熔化填充于铍材与金属件之间，冷却后铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接。本发明无需在待钎焊金属件的表面镀膜，省时省力；本发明采用Ag‑Cu‑Ti活性钎料，并采用真空环境钎焊的方式，能够实现将铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接的目的。

Description

一种铍材与金属件之间的钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种铍材与金属件之间的钎焊方法，属于铍材与金属件的焊接方法技术领域。
背景技术
铍材具有低密度、高比强度/比刚度、热导率大、热中子吸收率小等特点，在航空航天、电子、仪表、核工业等领域得到了广泛应用。这些应用会涉及到铍材与铍材，以及铍材与其它金属的焊接。铍材是最难焊接的材料之一，在焊接过程中易产生焊接变形和裂纹等问题。
钎焊是适用于多种材料的焊接方法，包括金属与金属、金属与非金属的焊接等。它采用比母材熔化温度低的钎料，通过熔化的钎料在母材表面上的润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用，如溶解、扩散或产生金属间化合物，液态钎料冷却凝固后形成连接接头。钎焊技术可作为铍材的焊接方法，它采用比母材熔化温度低的钎料，通过熔化的钎料将铍材与多种类型的金属连接在一起。考虑到铍材易于在空气中发生氧化，在其表面形成一层致密的氧化铍材膜，对钎料的润湿造成不利影响，这在选择钎料和焊接工艺时值得关注。
张鹏程等人(《稀有金属》，2001)采用感应钎焊技术制备了铍材与HR-1不锈钢的钎焊接头，焊接前先在HR-1上用离子镀方法镀0.25mm厚的纯铝作为过渡层(镀膜)，使用铅基低熔点钎料进行钎焊，接头界面结合良好。卜弘昊、韩和同等人在“一种气密性铍材与金属的焊接方法”(中国发明专利CN105817728)中，该发明中铍材为0.01mm-0.05mm的铍材箔，在钎焊过程中，为保持铍材箔的完整性，防止因高温焊接过程中出现铍材的再结晶、晶粒长大和扩散孔问题，选用了熔点较低的Ag-Cu-In-Sn钎料，该钎料的熔点为580℃-597℃；在钎焊过程中，为提高钎料与金属的浸润性，在待焊金属表面镀暗Ni，并将镀过暗Ni的金属进行高温烧结，随后再进行钎焊，该方法可实现铍材箔与金属零件之间的气密性焊接。
从上述的文献可以看出，为实现铍材与金属件的钎焊连接，需要在待钎焊的金属件表面镀膜(形成过渡层)，以改善钎料与待焊金属的润湿性从而形成较好的界面结合，但镀膜通常需采用专门的设备，并且费时费力。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种铍材与金属件之间的钎焊方法，无需在待钎焊金属件的表面镀膜，能够实现铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种铍材与金属件之间的钎焊方法，采用的钎料为Ag-Cu-Ti活性钎料，且该钎料的熔点低于待钎焊的铍材、金属件的熔点；先将钎料涂覆于铍材与金属件的待钎焊部位之间，然后在真空环境中进行钎焊，加热钎料使之熔化填充于铍材与金属件之间，冷却后铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接。
进一步的，采用的膏状Ag-Cu-Ti活性钎料中活性元素Ti的质量百分数为20％-30％。
进一步的，在涂覆钎料之前，去除待钎焊部位的表面氧化膜。
进一步的，钎料涂覆于对接的铍材与金属件的连接面之间；或者，钎料涂覆于搭接的铍材与金属件的连接面之间。
进一步的，采用真空钎焊炉对铍材与金属件之间进行钎焊。
进一步的，在钎焊过程中，真空环境中的真空度不低于1×10-3Pa。
进一步的，在钎焊过程中，钎焊温度为850℃-920℃，保温时间为15min-30min。
进一步的，在钎焊过程中，先将钎料加热至温度T1，并保温时间t1，用以排除待钎焊部位所吸附的气体；然后将钎料至加热温度T2，并保温时间t2，使钎料熔化填充于铍材与金属件之间。
进一步的，温度T1为150℃-160℃，保温时间t1为20min-40min；温度T2为850℃-920℃，保温时间t2为15min-30min。
进一步的，在钎焊过程中，对铍材与金属件的连接面施加相向的压力，以使铍材与金属件之间紧密贴合。
进一步的，对铍材与金属件的连接面施加相向的压力为5N/mm2-10N/mm2。
进一步的，金属件的材质为铍、不锈钢、蒙乃尔合金或铜合金。
基于上述各技术特征的组合设计下，在钎焊过程中，保持真空钎焊炉的真空度不低于1×10-3Pa，并在铍材与金属件之间施加5N/mm2-10N/mm2的相向压力，然后先将钎料加热至温度160℃，并保温40min，然后再将钎料至加热温度900℃，并保温30min，随炉冷却后得到铍材与金属件的钎焊接头。经测试，铍材与铍材、铍材与蒙乃尔合金、铍材与不锈钢钎焊接头的剪切强度分别为60MPa、80MPa和65MPa，并且气密性均可达10-10Pa·m3·s-1量级。
本发明的有益效果是：
本发明的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，简单易行，容易实施，无需在待钎焊金属件的表面镀膜，省时省力；本发明采用Ag-Cu-Ti活性钎料，并采用真空环境钎焊的方式，在钎焊过程中，活性元素Ti将起到促进钎料润湿、铺展的作用，有利于提高铍与金属钎焊界面的结合强度；本发明能够实现将铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接的目的，并且形成的钎焊接头性能更加可靠，具有较高强度和较好的气密性，钎焊接头能够适用于温度较高的场合。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是阶梯式升温钎焊的曲线图；
图2是钎料涂覆于对接的铍材与金属件的连接面之间的示意图；
图3是钎料涂覆于搭接的铍材与金属件的连接面之间的示意图。
图中标记：1-铍材，2-金属件，3-钎料。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，采用的钎料为Ag-Cu-Ti活性钎料，且该钎料的熔点低于待钎焊的铍材、金属件的熔点；先将钎料涂覆于铍材与金属件的待钎焊部位之间，然后在真空环境中进行钎焊，加热钎料使之熔化填充于铍材与金属件之间，冷却后铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接。
采用本发明的钎焊方法时，无需在待钎焊金属件的表面镀膜，省时省力；本发明采用Ag-Cu-Ti活性钎料，并采用真空环境钎焊的方式，在钎焊过程中，活性元素Ti将起到促进钎料润湿、铺展的作用，有利于提高铍与金属钎焊界面的结合强度；本发明能够实现将铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接的目的，并且形成的钎焊接头性能更加可靠，具有较高强度和较好的气密性。本发明中，钎料为Ag-Cu-Ti活性钎料，其熔点通常为780℃左右(780℃±30℃)，可以看出，钎料的熔点较高，因此钎焊接头能够适用于温度较高的场合。
进一步的，采用的膏状Ag-Cu-Ti活性钎料中活性元素Ti的质量百分数为20％-30％。
进一步的，在涂覆钎料之前，去除待钎焊部位的表面氧化膜。能够提高钎焊界面的结合强度。采用本设计时，无需对除待钎焊部位再进行镀膜工艺，省时省力。当然，待钎焊部位的表面如果存在油污等污物时，一并去除。很明显，待钎焊部位包括铍材的待钎焊部位以及金属件的待钎焊部位。在其中一实施例中，具体介绍了如何去除待钎焊部位的表面氧化膜。在去除铍材的待钎焊部位的表面氧化膜时，先进行酸洗处理，酸洗用腐蚀液的配方优选为HF:HNO3:H2O＝20:500:480，该腐蚀液对氧化铍材的侵蚀速度为中等，通过控制反应时间即可控制浸蚀程度，直至铍材呈现金属光泽后将铍材用水冲洗，再用丙酮或酒精擦拭其表面并用电吹风吹干，即可实现去除铍材的待钎焊部位的表面氧化膜的目的。在去除金属件(如不锈钢、蒙乃尔合金或铜合金)的待钎焊部位的表面氧化膜时，通常可以只需用砂纸打磨，用酒精清洗并吹干即可。
进一步的，在其中一实施例中，如图2所示，钎料3涂覆于对接的铍材1与金属件2的连接面之间；钎焊结束后形成钎焊对接接头。在另一实施例中，如图3所示，钎料3涂覆于搭接的铍材1与金属件2的连接面之间；钎焊结束后形成钎焊搭接接头。
进一步的，采用真空钎焊炉对铍材与金属件之间进行钎焊。真空钎焊炉能够实现在真空环境中对铍材与金属件之间进行钎焊的目的，钎焊结束后，随炉冷却后得到铍材与金属件的钎焊接头。
进一步的，在钎焊过程中，真空环境中的真空度不低于1×10-3Pa。
进一步的，在钎焊过程中，钎焊温度为850℃-920℃，保温时间为15min-30min。
进一步的，如图1所示，在钎焊过程中，先将钎料加热至温度T1，并保温时间t1，用以排除待钎焊部位所吸附的气体；然后将钎料至加热温度T2，并保温时间t2，使钎料熔化填充于铍材与金属件之间。由于钎料是涂覆于铍材与金属件的待钎焊部位之间的，因此，在钎料与待钎焊部位之间，待钎焊部位可能会吸附上气体；而得益于将钎料加热至温度T1，并保温时间t1的设计，能够排除待钎焊部位所吸附的气体。本设计采用了阶梯式升温方式进行钎焊，先使得待钎焊部位所吸附的气体被排除，然后再使得钎料熔化填充于铍材与金属件之间，能够避免钎焊接头内出现气孔的情况发生，提高确保钎焊接头的质量。
进一步的，温度T1为150℃-160℃，保温时间t1为20min-40min；温度T2为850℃-920℃，保温时间t2为15min-30min。
进一步的，在钎焊过程中，对铍材与金属件的连接面施加相向的压力，以使铍材与金属件之间紧密贴合。能够确保铍材与金属件之间的钎焊接头的焊接质量。
进一步的，对铍材与金属件的连接面施加相向的压力为5N/mm2-10N/mm2。
进一步的，金属件的材质为铍、不锈钢、蒙乃尔合金或铜合金。
基于上述各技术特征的组合设计下，在钎焊过程中，保持真空钎焊炉的真空度不低于1×10-3Pa，并在铍材与金属件的连接面施加5N/mm2-10N/mm2的相向压力，然后先用90min时间逐渐将钎料从室温加热至温度160℃，并保温40min，然后再将用80min时间逐渐将钎料至加热温度900℃，并保温30min，最后随炉冷却后得到铍材与金属件的钎焊接头。经测试，铍材与铍材、铍材与蒙乃尔合金、铍材与不锈钢采用本发明的方法形成的钎焊搭接接头的剪切强度分别为60MPa、80MPa、65MPa，且气密性均可达10-10Pa·m3·s-1量级。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (11)

1.一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：采用的钎料为Ag-Cu-Ti活性钎料，采用的膏状Ag-Cu-Ti活性钎料中活性元素Ti的质量百分数为20%-30%，且该钎料的熔点低于待钎焊的铍材、金属件的熔点；
先将钎料涂覆于铍材与金属件的待钎焊部位之间，然后在真空环境中进行钎焊，加热钎料使之熔化填充于铍材与金属件之间，冷却后铍材与金属件之间通过钎焊接头相连接。
2.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：在涂覆钎料之前，去除待钎焊部位的表面氧化膜。
3.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：钎料涂覆于对接的铍材与金属件的连接面之间；或者，钎料涂覆于搭接的铍材与金属件的连接面之间。
4.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：采用真空钎焊炉对铍材与金属件之间进行钎焊。
5.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：在钎焊过程中，真空环境中的真空度不低于1´10-3Pa。
6.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：在钎焊过程中，钎焊温度为850℃-920℃，保温时间为15min-30min。
7.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：在钎焊过程中，先将钎料加热至温度T1，并保温时间t1，用以排除待钎焊部位所吸附的气体；然后将钎料至加热温度T2，并保温时间t2，使钎料熔化填充于铍材与金属件之间。
8.如权利要求7所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：温度T1为150℃-160℃，保温时间t1为20min- 40min；温度T2为850℃-920℃，保温时间t2为15min-30min。
9.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：在钎焊过程中，对铍材与金属件的连接面施加相向的压力，以使铍材与金属件之间紧密贴合。
10.如权利要求9所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：对铍材与金属件的连接面施加相向的压力为5N/mm2-10N/mm2。
11.如权利要求1所述的一种铍材与金属件之间的钎焊方法，其特征在于：金属件的材质为铍、不锈钢、蒙乃尔合金或铜合金。
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