CN113399860B - 一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种铜‑钢复合板过渡层用镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％。该镍基焊丝，专门用于铜‑钢爆炸复合板对接焊接过程中过渡层的焊接，可有效解决铜‑钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。还提供了一种铜‑钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法。

Description

一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝，还涉及该种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法。
背景技术
铜是一种常用的工业材料，具备优异的导电性、导热性、延展性。但是铜强度低、价格贵制约了其大规模应用。钢具有强度高、价格便宜等优点。通过爆炸焊接的方式将铜和钢复合形成铜-钢复合板，则兼有优异导热导电性能与高强度等特点，是工程实际理想的选择。
铜-钢复合板在使用过程中不可避免会遇到其对接连接问题。但是，铜和钢热物理性能差异较大：铜的熔点较钢低450℃；铜的导热系数约为钢的7倍多。这些问题导致在进行铜-钢复合板焊接时，铜焊缝和钢焊缝处易出现开裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝，专门用于铜-钢爆炸复合板对接焊接过程中过渡层的焊接，可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。
本发明的另一个目的是提供种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，焊皮的厚度为0.4mm，宽度为7mm；
药芯焊丝的填充量为25wt.％～30wt.％。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200～300℃，保温时间为2-3h；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
本发明的特征还在于，
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100～200目。
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为25wt.％～30wt.％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明焊丝适用于铜-钢复合板过渡层的焊接，可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。
(2)本发明采用的镍基焊丝，其主要元素镍与铜之间可以无限固溶，镍与钢之间的固溶度较大，并且不产生脆性的金属间化合物。因此，采用该镍基焊丝可以实现铜侧焊缝和钢焊缝的冶金连接。此外，采用镍基焊丝进行焊接时，可有效解决铜对钢焊缝的渗铜问题。
(3)本发明方法通过药粉配比可以灵活的调整铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的成分；制备得到的药芯焊丝相比于实心焊丝，其熔覆效率更高。
附图说明
图1为铜-钢复合板焊接时坡口形式；
图2为铜-钢复合板焊接顺序示意图；
图3为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝与钢焊缝的组织形貌图；
图4为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝与钢焊缝的组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，焊皮的厚度为0.4mm，宽度为7mm；
药芯焊丝的填充量为25wt.％～30wt.％。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Ni元素为药芯焊丝的主要合金元素。从Cu-Ni二元相图可知，Ni和Cu之间无限固溶，焊接性优异。从Fe-Ni二元相图可知，Fe和Ni之间不形成脆性的金属间化合物，而是生成铁基固溶体、FeNi3化合物及镍基固溶体。这些化合物的存在可有效提高过渡层与钢焊缝之间的结合强度。
Cu为药芯焊丝药粉的主要元素。从Cu-Fe二元相图可知，Cu和Fe之间不形成脆性的金属间化合物，反应生成铜基固溶体和铁基固溶体。Cu的存在可以缓和镍基焊缝连接钢焊缝和铜焊缝时的元素剧烈过渡情况。
Ag为药芯焊丝的另外一个合金组元。从Ag-Cu二元相图可知，Ag与Cu之间反应生成塑韧性较好的共晶组织。因此，Ag元素的存在可提高过渡层焊丝与铜焊缝之间的冶金结合质量。
Si为药芯焊丝药粉的另外一个合金组元。Cu-Si二元相图可知，在焊接过程中，可生成多种金属间化合物(η、ε、δ等)。由于Si元素在药粉中含量为5.0～10.0％，在这种比例下，所形成的上述金属间化合物将在电弧吹力作用下弥散分布在过渡层焊缝中，从而可以有效提高过渡层焊缝的强度。
本发明还提供一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100～200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200～300℃，保温时间为2-3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为25wt.％～30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉50.0％，Si粉10.0％，Ag粉40.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口(坡口尺寸如图1所示，铜板一侧开V型坡口及钢板一侧开V型坡口；铜板一侧开V型坡口夹角为80°，钢板一侧开V型坡口60°)。复合板焊接顺序如图2所示：(a)：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；(b)：接着进行过渡层的焊接，采用本实施例1制备得到的药芯焊丝，焊接电流为120～150A；(c)：最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为350MPa，延伸率为15％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉60.0％，Si粉10.0％，Ag粉30.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口(坡口尺寸如图1所示，铜板一侧开V型坡口及钢板一侧开V型坡口；铜板一侧开V型坡口夹角为80°，钢板一侧开V型坡口60°)。复合板焊接顺序如图2所示：(a)：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；(b)：接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为120～150A；(c)：最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为402MPa，延伸率为19％。
实施例2制备得到的镍基焊丝焊接铜-钢复合板过渡层。过渡层焊缝与钢焊缝的界面如图3所示，过渡层焊缝与钢焊缝之间结合良好，未发现裂纹、气孔等缺陷。过渡层焊缝的显微组织如图4所示，主要由富Ni的胞状树枝晶组成，组织分布均匀。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉70.0％，Si粉5.0％，Ag粉25.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为120～150A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为370MPa，延伸率为12％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉55.0％，Si粉7.0％，Ag粉38.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为120～150A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为390MPa，延伸率为17％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉65.0％，Si粉6.0％，Ag粉29.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为150目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为270℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为28wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为120～150A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为401MPa，延伸率为18％。

Claims (4)

1.一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
焊皮为纯镍带，焊皮的厚度为0.4mm，宽度为7mm；
药芯焊丝的填充量为25wt.％～30wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝，其特征在于，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100～200目。
3.一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cu粉50.0～70.0％，Si粉5.0～10.0％，Ag粉20.0～40.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200～300℃，保温时间为2-3h；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：将纯镍带作为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；
步骤3中，药芯焊丝的填充量为25wt.％～30wt.％；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
4.根据权利要求3所述的一种铜-钢复合板过渡层用镍基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，Cu粉、Si粉及Ag粉的粒度均为100～200目。
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