CN113399861B - 一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝及其制备方法 - Google Patents
一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种铜‑钢过渡层熔‑钎焊用铜镍基焊丝,包括药芯和焊皮,其中药芯按质量百分比由以下组分组成:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,以上组分质量百分比之和为100%。该焊丝,能够解决铜‑钢爆炸复合板对接焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜问题。还公开了一种铜‑钢过渡层熔‑钎焊用铜镍基焊丝的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,具体涉及一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝,还提供该种一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法。
背景技术
金属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势,实现各组元材料资源的最优配置,节约贵重金属材料,实现单一金属不能满足的性能要求,它既可以替代进口并填补国内空白,又具有广阔应用范围,具有良好的经济效益和社会效益。
铜-钢爆炸复合板因具有铜优异的导热、导电性及钢优异的高强度特点,广泛应用于工程实际中。但是,工程实际中经常需要对金属复合材料进行再加工,以获得一定功能的结构。焊接是最常用的加工手段。采用焊接方法进行铜-钢复合板结构的再制造过程中,经常会发现钢侧焊缝存在渗铜裂纹,铜侧焊缝出现开裂问题。究其原因,是铜和钢的热物理性能差异较大和Cu、Fe元素在室温下固溶度较低所致。因此,开展铜-钢复合板焊接连接研究,开发可解决铜焊缝开裂、钢焊缝渗铜的过渡层焊接材料具有重要的工程实际价值。
镍与铜之间可以无限固溶,焊接性较好;镍与钢之间固溶度较大,且镍是钢的重要强韧化元素。因此,本发明以镍元素作为桥梁,并辅以多种合金元素的冶金反应,综合调控铜-钢复合板过渡层相组成、相比例和晶粒尺度,从而实现铜-钢复合板的高质量冶金连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝,能够解决铜-钢爆炸复合板对接焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜问题。
本发明的另一个目的是提供一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是,一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝,包括药芯和焊皮,其中药芯按质量百分比由以下组分组成:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
本发明的特征还在于,
Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100~200目。
焊皮为紫铜带,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
药芯焊丝的填充量为30wt.%~35wt.%。
本发明所采用的第二个技术方案是,一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜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:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,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,将其置于真空加热炉内加热,加热温度为250~300℃,保温时间为3-4h;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:将紫铜带作为焊皮,采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,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,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100~200目。
步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
步骤3中,药芯焊丝的填充量为30wt.%~35wt.%。
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,焊丝以铜为主辅以多种合金组元,在保证复合板强韧性的前提下可有效解决铜-钢复合板焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜等问题。
(2)本发明焊丝的主要元素为铜,其次为镍。镍与铜之间可以无限固溶,镍与钢之间的固溶度较大,且镍是钢的重要强韧化元素。
(3)本发明焊丝以铜带包裹多种合金粉末,由于铜的熔点较低,可以显著降低焊接时的热输入,从而减少钢侧渗铜裂纹产生的可能。过渡层焊缝中含有一定量的镍,可以有效提高与铜侧焊缝的连接强度。同时,镍元素也会进入铜侧焊缝,从而提高铜侧焊缝的抗开裂能力。焊丝中含有多种合金元素(Si、Al、Mn),可综合调控过渡层焊缝的组织组成,并细化过渡层焊缝晶粒。
(4)本发明焊丝以铜带包裹多种合金元素,在钢焊缝的基础上进行焊接时,采用熔-钎焊的焊接策略,既主要熔化过渡层焊接材料,而尽量少熔化母材钢。从而减少钢焊缝的Fe元素进行过渡层焊缝及后续的铜焊缝中,降低开裂的可能。所得的复合板接头强度高、韧性好,焊缝无缺陷产生。
(5)本发明制备方法操作简单,广泛适用于工业生产。
附图说明
图1为使用常规铜焊丝(ERCuSi-Al)进行焊接时过渡层/钢焊缝开裂情况;
图2为使用实施案例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扫描电镜组织形貌图;
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,过渡层焊缝的扫描电镜组织形貌图。
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-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝,包括药芯和焊皮,其中药芯按质量百分比由以下组分组成:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100~200目。
焊皮为紫铜带,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
药芯焊丝的填充量为30wt.%~35wt.%。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下:
Cu为药芯焊丝铜带的主要元素。Cu的熔点较低,为1086℃;Fe的熔点较Cu高,为1595℃。在焊接时,根据两者之间熔点的差异,采用熔-钎焊的方式进行。电弧作用在焊丝上,少作用在底部Fe焊缝,从而有效控制Fe元素进入过渡层焊缝中,使得过渡层焊缝主要以焊丝的合金元素为主。不仅可以抑制Fe侧焊缝的渗铜问题,还可以提高过渡层焊缝及Cu侧焊缝的强韧性。
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。
Mn元素在Cu中可以无限固溶,与Ni的作用效果类似,可进一步提高过渡层焊缝与上面Cu焊缝的结合强度。
Si、Al元素可以细化过渡层焊缝的晶粒尺寸。与此同时,这两个元素可以提高奥氏体的稳定性。熔化焊条件下,虽然过渡层焊缝采用熔-钎焊工艺,但是不可避免会有一大部分Fe熔化进入焊缝中。Si、Al两种元素的存在可有效控制过渡层焊缝中Fe固溶体的尺寸和分布形态,避免大块状Fe固溶体的出现。
本发明还提供一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜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:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100~200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250~300℃,保温时间为3-4h,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:将紫铜带作为焊皮,采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;
步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
步骤3中,药芯焊丝的填充量为30wt.%~35wt.%。
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:Ni粉60.0%,Si粉15.0%,Al粉10.0%,Mn粉15.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn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250℃,保温时间为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2h;
步骤3:采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;
步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
步骤3中,药芯焊丝的填充量为35wt.%。
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(铜板一侧开V型坡口及钢板一侧开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,采用本实施例制备得到的药芯焊丝,焊接电流为80~100A;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。其中,过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80~100A),且电弧主要作用下焊丝上,从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主,底部钢焊缝少熔化)。
经测试,铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为320MPa,延伸率为18%。
实施例2
步骤1:按质量百分比分别称取以下药粉:Ni粉80.0%,Si粉10.0%,Al粉5.0%,Mn粉5.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn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300℃,保温时间为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2h;
步骤3:采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;
步骤3中,焊皮厚度为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1.0mm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。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80~100A;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。其中,过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80~100A),且电弧主要作用下焊丝上,从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主,底部钢焊缝少熔化)。
经测试,铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为387MPa,延伸率为15%。
如图1所示,使用常规铜焊丝(ERCuSi-Al)进行焊接时,钢侧焊缝存在渗铜裂纹,铜侧焊缝出现开裂;过渡层焊缝与钢焊缝的界面扫描照片如图2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3所示,主要由Cu基固溶体、富Ni的树枝晶和一部分弥散分布的富Fe固溶体组成,组织分布均匀;由图2-3可以看出,相比于使用常规铜焊丝(ERCuSi-Al),实施例2制备得到的铜镍基焊丝焊接铜-钢复合板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,解决铜-钢爆炸复合板对接焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜问题。
实施例3
步骤1:按质量百分比分别称取以下药粉:Ni粉70.0%,Si粉10.0%,Al粉10.0%,Mn粉10.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn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4h,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3h;
步骤3:采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;
步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
步骤3中,药芯焊丝的填充量为32wt.%。
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80~100A;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。其中,过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80~100A),且电弧主要作用下焊丝上,从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主,底部钢焊缝少熔化)。
经测试,铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为360MPa,延伸率为18%。
实施例4
步骤1:按质量百分比分别称取以下药粉:Ni粉68.0%,Si粉12.0%,Al粉8.0%,Mn粉12.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn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260℃,保温时间为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2h;
步骤3:采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;
步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
步骤3中,药芯焊丝的填充量为35wt.%。
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80~100A;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。其中,过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80~100A),且电弧主要作用下焊丝上,从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主,底部钢焊缝少熔化)。
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:Ni粉70.0%,Si粉10.0%,Al粉7.0%,Mn粉13.0%,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn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290℃,保温时间为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2h;
步骤3:采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;
步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
步骤3中,药芯焊丝的填充量为35wt.%。
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80~100A;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。其中,过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80~100A),且电弧主要作用下焊丝上,从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主,底部钢焊缝少熔化)。
经测试,铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为421MPa,延伸率为14%。
Claims (5)
1.一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝,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:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,以上组分质量百分比之和为100%;药芯焊丝的填充量为32wt.%~35wt.%;焊皮为紫铜带,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
2.根据权利要求1所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝,其特征在于,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100~200目。
3.根据权利要求1所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜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:Ni粉60.0~80.0%,Si粉10.0~15.0%,Al粉5.0~10.0%,Mn粉5.0~15.0%,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,将其置于真空加热炉内加热,加热温度为250~300℃,保温时间为3-4h;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:将紫铜带作为焊皮,采用酒精去除紫铜带表面的油脂,通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内,第一道拉拔模具孔径为2.6mm;步骤3中,药芯焊丝的填充量为32wt.%~35wt.%;
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-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法,其特征在于,步骤1中,Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100~200目。
5.根据权利要求3所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法,其特征在于,步骤3中,焊皮厚度为0.4mm,宽度为7mm。
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