CN113547194B - 一种钨铜模块的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异种金属之间的连接技术领域，具体涉及一种具有复杂结构的钨铜模块的连接方法；所述相互连接的钨块或铜块至少有一块是具有复杂结构或不规则结构的复杂结构件；主要包括以下步骤：S1、材料选择；S2、材料预处理；S3、材料装模；S4、组合焊接；S5、焊接后处理；本发明中针对钨铜连接成复杂结构件存在工艺复杂、能耗较大的问题，提供一种钨铜复杂件连接成形方法，尤指一种将铜焊接至钨孔，适合托卡马克聚变装置安装要求的钨铜模块的连接方法。

Description

一种钨铜模块的连接方法

技术领域

本发明涉及异种金属之间的连接技术领域，具体涉及一种具有复杂结构的钨铜模块的连接方法。

背景技术

钨由于高熔点、优良的导热性能、低溅射产额和高自溅射阀值、以及低蒸气压和低的氚滞留性能等优点被广泛的认为是最有希望的核聚变装置面对等离子体材料。钨与热沉材料铜合金或结构材料连接制成面对等离子体部件，可以应用于聚变装置的第一壁和偏滤器位置。钨与铜熔点差异很大，不能直接通过冶金方法形成结合，因而不能通过传统的焊接方法进行连接。中国专利号为ZL201410830058.9，专利名称为一种钨铜模块的制备方法提出一种熔敷和热压相结合的方法将铜连接至钨的表面，也能在钨块中间通孔熔敷过量的铜锭再通过热压方式得到钨铜复合模块，该专利的局限在于熔敷温度高，设备能耗大，产能效率不高；其次，先用铜锭焊接再钻孔得到铜环，对铜原料的消耗较大，对于上规模量产而言，成本居高不下。

发明内容

针对现有技术中异种金属之间连接技术不足，尤指钨铜连接成复杂结构件存在工艺复杂、能耗较大的问题，本发明旨在提供一种钨铜复杂件连接成形方法，尤指一种将铜焊接至钨孔，适合托卡马克聚变装置安装要求的钨铜模块的连接方法。

本发明所采用的技术方案是：一种钨铜模块的连接方法，所述相互连接的钨块或铜块至少有一块是具有复杂结构或不规则结构的复杂结构件。

所述的钨块的中间开设有孔，在孔的内壁连接有铜环。

对钨块或铜块至少有一块是具有复杂结构或不规则结构的复杂结构件的钨铜模块进行连接方法，主要包括以下步骤：

S1、材料选择：选择合适微观组织及力学性能的钨、铜作为连接原材料；

S2、材料预处理：对钨和铜的尺寸及表面进行预处理；

S3、材料装模：将钨、铜装入工装定位模具中；

S4、组合焊接：将工装定位模具连同钨、铜组合件一起放入焊接设备进行焊接；

S5、焊接后处理：焊接完成后，将焊接后的钨铜件进行机械加工和表面精磨处理，达到后续安装使用要求。

所述的钨块中间孔的数量为一个或多个。

所述的钨块中间孔的。

所述的铜环外形与钨孔形状相适配，为圆柱形或方形或异形。

所述的钨块厚度范围为5～30mm，外形各方向尺寸应保证有0.1～0.3mm的余量，各侧面表面粗糙度应为0.8～3.2μm。

所述的铜环的高度比成品要求尺寸高1～5mm，保证后续有足够的加工余量。

所述的铜环外径与钨块孔之间的间隙量为0.05～0.2mm，铜环两个端面应比钨块高出2～5mm。

所述步骤S3中，首先将钨块装入外侧限位工装中，再将铜环装入钨块的孔中，最后将内侧限位工装装入铜环内，得到限位工装与钨铜的组合件。

将外侧限位工装、内侧限位工装与钨铜组合件放入焊接设备焊接过程中需对组合件中铜环施加轴向压力，在工装约束作用下铜环产生径向膨胀对钨孔施加压力完成焊接。

本发明所采用的技术方案与现有技术相比具有如下的有益效果：

(1)本发明提出的通过使用外侧限位工装将铜柱施加的轴向压力转变为径向压力，径向膨胀压力有效施加到钨铜的焊接面上，保证径向焊接面上有足够且均匀的焊接压力，不用成本高昂的热等静压等二次加热工艺焊接强度就可达到偏滤器对钨铜模块的安装使用要求。

(2)与熔敷+热压方法相比，本发明提出的不用高温熔化就能完成钨铜焊接可以显著节约铜原料和降低生产能耗，利于批量应用。这种连接方法工艺操作简单、成本低、连接效果好，为偏滤器使用的钨铜复合材料连接开辟新方法。

(3)与先浇铸铜锭再切除多余材料形成铜环的方法相比，本发明直接用铜环来焊接，具有进一步节约铜原料的优势，利于大规模量产应用。

(4)最后，使用本发明焊接方法将铜焊接在钨上之后，还可以进一步机械加工，获得所需形状和尺寸的钨铜复合块；该方法降低了钨铜复杂结构件的焊接难度，尤其是降低了在孔内焊接第二种材料的难度，提高了后续加工的灵活性，能够应用于批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例中钨铜块结构示意图。

图2是本发明实施例中钨和铜在限位工装中安装方式。

图3是本发明实施例中连接后的钨铜块宏观图。

图4是本发明实施例中连接后超声无损检测结果。

图5是本发明实施例中焊接后钨铜界面剪切破坏结果。

附图标注说明：1-铜环，2-钨块，3-外侧限位工装模具，4-内侧限位工装模具。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步详细描述。

一种钨铜模块的连接方法，所述相互连接的钨块或铜块至少有一块是具有复杂结构或不规则结构的复杂结构件。

实施例：在钨块的中间开设有孔，在孔的内壁连接有铜环的钨铜连接

如图1-5所示，一种钨铜模块加工方法，所述的加工方法主要包括以下步骤：

S1、选择材料：选择合适微观组织及力学性能的钨、铜作为连接原材料，选择材料时，要使得材料符合以下要求，即所述钨原料的参数为：拉伸强度≥400MPa(1000℃)，晶粒度优于5级，钨基体内无超过φ1mm当量的裂纹缺陷；所述铜原料的参数为：氧含量≤0.003％，杂质总含量≤0.05％；钨块尺寸为31mm×31mm×16mm，无氧铜环外径为内径为/>

S2、材料预处理：对钨和铜的尺寸及表面进行预处理，选用的钨块厚度范围为5～30mm，外形各方向尺寸应保证有0.1～0.3mm的余量，各侧面表面粗糙度应为0.8～3.2μm；铜环的高度比成品要求尺寸高1～5mm，保证后续有足够的加工余量；钨块孔的内径尺寸公差应与成品图纸要求一致，表面粗糙度为0.8～1.6μm或以图纸更高要求，保证铜环外径与钨块孔之间的间隙量为0.05～0.2mm，铜环两个端面应比钨块高出2～5mm。

将钨块外形精磨至30±0.1mm×30±0.1mm×15±0.5mm，表面粗糙度为1.6μm，在30mm×30mm平面中心用电火花或线切割或铰刀加工的通孔，孔表面要连接的部分用铰刀或抛光至粗糙度为0.8μm；铜环切割及精磨至高度为20±0.1mm，铜环内外径抛光至粗糙度为0.8μm；上述钨和铜材料依次用5％盐酸浸泡30s，流动自来水冲刷40s，再用去离子水冲洗20s，再用酒精或丙酮超声清洗10min，热风吹干备用。

S3、材料装模：将钨、铜装入工装定位模具中；首先将钨块装入外侧限位工装3中，再将铜环装入钨块的孔中，最后将内侧限位工装4装入铜环内，得到限位工装3、4与钨铜的组合件。在组合过程中保证外侧限位工装3的内表面与钨块外表面之间间隙量为0.05～0.5mm，内侧限位工装4的内表面与铜环外表面之间间隙量为0.05～0.5mm。外侧限位工装3和内侧限位工装4所用材料的热膨胀系数小于铜和钨的膨胀系数，熔点高于铜的熔点，优选非金属材料。

将钨、铜装入工装定位模具中；限位工装3、4均选用石墨材料，首先将钨块装入外侧限位工装3中，再将铜环装入钨块的孔中，最后将内侧限位工装4装入铜环内，得到限位工装3、4与钨铜的组合件。

S4、组合焊接：将工装定位模具连同钨、铜组合件一起放入焊接设备进行焊接；焊接过程中要求焊接设备可以仅对组合件中的铜环施加轴向压力，在工装约束作用下铜环产生径向膨胀对钨孔施加压力完成焊接，然后进行焊接后处理。

焊接时对铜环施加轴向压力3～100Mpa，温度为600～1000℃。加热保温时间结束后，卸载压力，焊件随炉冷却，或利用冷却系统快速冷却，真空室温度降至100℃以下时，即可开炉取出钨铜焊件。

S5、焊接后处理：焊接完成后，拆除外侧限位工装3和内侧限位工装4，得到钨块和铜环模块，根据图纸要求分别加工至图纸要求的尺寸公差及表面粗糙度，达到后续安装使用要求，得到钨块内焊接有铜环的钨铜块成品。

焊接完成后，拆除外侧限位工装3和内侧限位工装4，得到钨块和铜环模块，按照图纸尺寸要求进行加工后处理。由于铜比较软，钨比较硬，其形成的界面在较大机械冲击力作用下，可能会对接头产生不利影响，因此采用小进刀量和较细砂纸进行磨削加工，加工后的外观如图3所示。

完成焊接后，焊后性能检测，包括无损测试和破坏性测试：

无损测试：由于扩散焊接为固相焊接，即原材料不熔化的方式，因此与常规熔化焊接产生的缺陷有所不同，除少数体积型缺陷外，如夹杂，金属间化合物等，大多数焊接缺陷为面积型缺陷，如未焊合，裂纹等，因此采用C扫描超声检测的方式进行接头无损检测，其四个侧面的检测结果如图4所示，未发现检测当量超过1mm的缺陷，即焊合率100％。

破坏性测试：力学性能试验测试。焊后对钨铜片焊接接头进行剪切试验，如图5。通过性能检测，可以确定的是使用这种限位工装的加工方法，可以直接将无氧铜环焊接在钨块的内孔上，随机抽取3个样品对焊接面进行剪切破坏性测试，剪切强度值介于19.6～28MPa，满足托卡马克聚变装置的偏滤器对连接效果的安装要求。

本发明技术方案的原理是，由于铜的膨胀系数比钨大，在轴向压力作用下铜的径向膨胀优于钨块内孔的径向膨胀。本发明采用专门设计的外侧限位工装3和内侧限位工装4分别对钨块和铜环在焊接过程中进行膨胀约束，钨块的外侧被外侧限位工装3约束不会发生显著的径向变形，施加的轴向压力使铜柱有发生径向膨胀的趋势，在限位工装的约束下径向膨胀压力有效施加到钨铜的焊接面上，保证径向焊接面上有足够且均匀的焊接压力。

综上所述，本发明连接方法所需设备简单，具有生产成本低，操作简便，工艺参数容易控制，效率高等优点，适于批量生产；其次，铜在无需高温熔化有效降低成型温度，节约能耗；最后，使用本发明连接方法将铜连接在钨上之后，还可以进一步机械加工，获得所需形状和尺寸的钨铜复合材料；该方法降低了钨铜焊接的难度，提高了后续加工的灵活性，能够应用于批量生产。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭漏的技术范围内，可轻易想到变化或替代，都应涵盖在本发明保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种钨铜模块加工方法，其特征在于：所述的加工方法主要包括以下步骤：

S1、选择材料：选择合适微观组织及力学性能的钨、铜作为连接原材料，所述钨原料的参数为：拉伸强度≥400MPa(1000℃)，晶粒度优于5级，钨基体内无超过φ1mm当量的裂纹缺陷；所述铜原料的参数为：氧含量≤0.003％，杂质总含量≤0.05％；

S2、材料预处理：对钨和铜的尺寸及表面进行预处理，选用的钨块厚度范围为5～30㎜，外形各方向尺寸应保证有0.1～0.3㎜的余量，各侧面表面粗糙度应为0.8～3.2μm；铜环的高度比成品要求尺寸高1～5㎜，保证后续有足够的加工余量；钨块孔的内径尺寸公差应与成品图纸要求一致，表面粗糙度为0.8～1.6μm或以图纸更高要求，保证铜环外径与钨块孔之间的间隙量为0.05～0.2㎜，铜环两个端面应比钨块高出2～5㎜；

将钨块外形精磨至30±0.1㎜×30±0.1㎜×15±0.5㎜，表面粗糙度为1.6μm，在30㎜×30㎜平面中心用电火花或线切割或铰刀加工的通孔，孔表面要连接的部分用铰刀或抛光至粗糙度为0.8μm；铜环切割及精磨至高度为20±0.1㎜，铜环内外径抛光至粗糙度为0.8μm；上述钨和铜材料依次用5％盐酸浸泡30s，流动自来水冲刷40s，再用去离子水冲洗20s，再用酒精或丙酮超声清洗10min，热风吹干备用；

S3、材料装模：将钨、铜装入工装定位模具中；首先将钨块装入外侧限位工装中，再将铜环装入钨块的孔中，最后将内侧限位工装装入铜环内，得到限位工装与钨铜的组合件，在组合过程中保证外侧限位工装的内表面与钨块外表面之间间隙量为0.05～0.5㎜，内侧限位工装的内表面与铜环外表面之间间隙量为0.05～0.5㎜；

S4、组合焊接：将工装定位模具连同钨、铜组合件一起放入焊接设备进行焊接；焊接过程中要求焊接设备可以仅对组合件中的铜环施加轴向压力，在工装约束作用下铜环产生径向膨胀对钨孔施加压力完成焊接，然后进行焊接后处理；焊接时对铜环施加轴向压力3～100Mpa，温度为600～1000℃，加热保温时间结束后，卸载压力，焊件随炉冷却，或利用冷却系统快速冷却，真空室温度降至100℃以下时，即可开炉取出钨铜焊件；

S5、焊接后处理：焊接完成后，拆除外侧限位工装和内侧限位工装，得到钨块和铜环模块，根据图纸要求分别加工至图纸要求的尺寸公差及表面粗糙度，达到后续安装使用要求，得到钨块内焊接有铜环的钨铜块成品。

2.根据权利要求1所述的一种钨铜模块加工方法，其特征在于：所述的限位工装均选用石墨材料，首先将钨块装入外侧限位工装中，再将铜环装入钨块的孔中，最后将内侧限位工装装入铜环内，得到限位工装与钨铜的组合件。