CN113909603B - 一步钎焊法制备W/Cu模块的方法 - Google Patents

一步钎焊法制备W/Cu模块的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于异种材料的连接方法，具体涉及一步钎焊法制备W/Cu模块的方法。一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，包括下述步骤：步骤一：在焊接前对所有焊接材料进行预处理，步骤二：将处理过的材料固定，步骤三：将装配好的待焊接部件放入真空炉中进行焊接。本发明的显著效果是：该焊接方法工艺简单，焊接时间较短，在钨与铜合金中间加入的纯铜薄板可以有效的缓解在高温下钨与铜合金由于热膨胀系数差异巨大引起的内应力。此方法较在钨表面浇铸纯铜并与铜合金焊接的方法更为简便，节省成本及时间，且焊接效果相当，可靠性好，能够承受5～20MW/m2的稳态热负荷。

Description

一步钎焊法制备W/Cu模块的方法
技术领域
本发明属于异种材料的连接方法，具体涉及一步钎焊法制备W/Cu模块的方法。
背景技术
在未来聚变堆中，面向等离子体材料及部件的制备是最为关键的技术之一，目前钨铜模块是应用最为广泛的面向等离子体部件。
W/Cu模块由纯钨与铜合金两种热膨胀系数差别巨大的材料连接而成，为了缓释两种材料在钎焊连接过程中由于热膨胀系数差异引起的内应力，通常会在钨表面浇铸一层纯铜，利用纯铜塑性大、易变形的特点来对冲钨和铜在焊接过程中产生的巨大内应力。
现有的焊接方法是直接焊接，并不能解决上述应力的缺陷。
发明内容
本发明的内容是针对现有技术的缺陷，提供一种钨/铜模块的一步焊接方法，它可以实现钨、纯铜、铜合金在一次焊接过程中的同时连接，简化了钨/铜模块的制备工艺。
本发明是这样实现的：一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，包括下述步骤：
步骤一：在焊接前对所有焊接材料进行预处理，
步骤二：将处理过的材料固定，
步骤三：将装配好的待焊接部件放入真空炉中进行焊接，
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述的步骤一中所述的预处理是指，
选择合适尺寸的钨、纯铜薄板以及铜合金材料进行钨铜模块制备
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述的步骤一中所述的预处理还包括，
去除待焊接材料表面的杂质、油污及氧化膜
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述的步骤二中所述的材料固定是指
按照钨、钎料、纯铜板、钎料、铜合金的次序叠放在一起，并利用夹具将其固定好。
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述的步骤三中所述的真空炉条件及焊接参数为，
工作真空度优于5×10-3Pa，加热速度为15～20℃/min，在400℃保温30min，然后加热到钎料熔化温度后保温20～30min。加热完成后，样品随炉冷却到室温。
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述的步骤三中所述的焊接是指，
通过CuMnNi合金钎料对钨与纯铜、纯铜与铜合金进行焊接，钎料为同种钎料或熔化温度相似的异种钎料，以保证钨-纯铜-铜合金间的焊接同步进行。
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述钎料成分为Cu含量为70～75wt％，Mn含量为20～25wt％，Ni含量为1～3wt％。
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述的步骤一中所述的待焊接材料的预处理过程为，
将钨和铜合金放入无水乙醇溶液中超声波清洗10min，热风烘干；依次利用240目、600目和800目砂纸打磨钨块表面，利用质量配比为65％硝酸：40％氢氟酸＝4:1的溶液清洗钨表面3分钟；利用320目砂纸打磨铜合金表面；利用800目砂纸打磨纯铜板及钎料表面；然后用去离子水、无水乙醇超声波清洗所有待焊接材料，最后脱水干燥。
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，所述步骤一中钨块尺寸为20～60mm×20～60mm，厚度为5～10mm；纯铜块厚度为1～3mm；铜合金热沉材料尺寸为25～65mm×25～65mm，厚度为20～35mm。
如上所述的一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其中，焊接好后的复合块进行适当的机械加工，形成所需的钨铜模块。
本发明的显著效果是：该焊接方法工艺简单，焊接时间较短，在钨与铜合金中间加入的纯铜薄板可以有效的缓解在高温下钨与铜合金由于热膨胀系数差异巨大引起的内应力。此方法较在钨表面浇铸纯铜并与铜合金焊接的方法更为简便，节省成本及时间，且焊接效果相当，可靠性好，能够承受5～20MW/m2的稳态热负荷。
附图说明
图1为钨铜模块焊接材料叠放次序的结构示意图；
其中1钨块，2、4焊接钎料，3纯铜薄板，5铜合金块
具体实施方式
一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，包括下述步骤：
步骤一：在焊接前对所有焊接材料进行预处理，包括钨块、铜合金块、纯铜薄板及钎料。
步骤二：将处理过的材料按照钨、钎料、纯铜板、钎料、铜合金的次序叠放在一起，并利用夹具将其固定好。
步骤三：将装配好的待焊接部件放入真空炉中进行焊接，工作真空度优于5×10- 3Pa，加热速度为15～20℃/min，在400℃保温30min，然后加热到钎料熔化温度后保温20～30min。加热完成后，样品随炉冷却到室温。
通过CuMnNi合金钎料对钨与纯铜、纯铜与铜合金进行焊接，钎料成分为Cu含量为70～75wt％，Mn含量为20～25wt％，Ni含量为1～3wt％。
所述步骤一中待焊接材料的预处理过程为：将钨和铜合金放入无水乙醇溶液中超声波清洗10min，热风烘干；依次利用240目、600目和800目砂纸打磨钨块表面，利用配比为65％硝酸：40％氢氟酸＝4:1的溶液清洗钨表面3分钟；利用320目砂纸打磨铜合金表面；利用800目砂纸打磨纯铜板及钎料表面；然后用去离子水、无水乙醇超声波清洗所有待焊接材料，最后脱水干燥。
下面给出几个具体的例子。
实施例1、一种用于高热负荷测试的钨铜模块制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选择合适尺寸的钨、纯铜块以及铜合金材料进行钨铜模块制备，其中钨块尺寸为25*25*6mm的商用轧制纯钨，纯铜块为浇铸、冷轧并退火后的25*25*1mm的薄板，铜合金为30*30*20mm的铬锆铜合金块。
步骤2、对待焊接材料表面进行预处理
对钨和铜合金表面进行清洗处理，去除表面的杂质及油污等，将纯钨和铬锆铜合金放入无水乙醇溶液中超声波清洗10min，热风烘干；依次利用240目、600目和800目砂纸打磨钨块表面，利用配比为65％硝酸：40％氢氟酸＝4:1的溶液清洗钨表面3分钟；
利用320目砂纸打磨铬锆铜合金表面，利用800目砂纸打磨纯铜板及钎料表面，主要目的是去铜合金、纯铜及钎料表面的氧化膜；
然后用去离子水、无水乙醇超声波清洗所有已处理过的待焊接材料，最后用冷风将表面乙醇处理干净。
步骤3、将钨、纯铜块与铬锆铜合金在真空炉中进行钎焊连接；
将钨块、纯铜块和铬锆铜合金块放入夹具中进行装配，自上而下分别为钨、纯铜块和铬锆铜合金，然后放入真空焊接炉中进行钎焊连接。焊接过程中，工作真空度优于5×10-3Pa，加热速度为15～20℃/min，在400℃保温30min，然后加热到钎料熔化温度后保温20～30min。加热完成后，样品随炉冷却到室温。
步骤4、将焊接后的钨/无氧纯铜/铬锆铜合金复合块进行机械加工，形成所需的钨铜模块；
实施例2、一种用于高热负荷测试的多模块钨铜部件制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选择合适尺寸的钨、纯铜块以及铜合金材料进行钨铜模块制备，其中钨块尺寸为40*40*6mm的商用轧制纯钨，纯铜块为浇铸、冷轧并退火后的40*40*1mm的薄板，铜合金为45*45*30mm的铬锆铜合金块。
步骤2、对待焊接材料表面进行预处理
对钨和铜合金表面进行清洗处理，去除表面的杂质及油污等，将纯钨和铬锆铜合金放入无水乙醇溶液中超声波清洗10min，热风烘干；依次利用240目、600目和800目砂纸打磨钨块表面，利用配比为65％硝酸：40％氢氟酸＝4:1的溶液清洗钨表面3分钟；
利用320目砂纸打磨铬锆铜合金表面，利用800目砂纸打磨纯铜板及钎料表面，主要目的是去铜合金、纯铜及钎料表面的氧化膜；
然后用去离子水、无水乙醇超声波清洗所有已处理过的待焊接材料，最后用冷风将表面乙醇处理干净。
步骤3、将钨、纯铜块与铬锆铜合金在真空炉中进行钎焊连接；
将钨块、纯铜块和铬锆铜合金块放入夹具中进行装配，自上而下分别为钨、纯铜块和铬锆铜合金，然后放入真空焊接炉中进行钎焊连接。焊接过程中，工作真空度优于5×10-3Pa，加热速度为15～20℃/min，在400℃保温30min，然后加热到钎料熔化温度后保温20～30min。加热完成后，样品随炉冷却到室温。
步骤4、将焊接后的钨/无氧纯铜/铬锆铜合金复合块进行机械加工，形成所需的钨铜模块；
通过线切割将钨块和无氧纯铜块在横向、纵向进行开槽，加工成为网格结构，线切割深度为大于钨块厚度1mm，切割后小钨块之间的间距为0.5mm，小钨块的尺寸20×20mm。

Claims (1)

1.一步钎焊法制备W/Cu模块的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：在焊接前对所有焊接材料进行预处理，
步骤二：将处理过的材料固定，
步骤三：将装配好的待焊接部件放入真空炉中进行焊接；
所述的步骤一中所述的预处理是指，
选择合适尺寸的钨、纯铜薄板以及铜合金材料进行钨铜模块制备；
所述的步骤一中所述的预处理还包括，
去除待焊接材料表面的杂质、油污及氧化膜；
所述的步骤二中所述的材料固定是指
按照钨、钎料、纯铜板、钎料、铜合金的次序叠放在一起，并利用夹具将其固定好；
所述的步骤三中所述的真空炉条件及焊接参数为，
工作真空度优于5×10-3Pa，加热速度为15～20℃/min，在400℃保温30min，然后加热到钎料熔化温度后保温20～30min，加热完成后，样品随炉冷却到室温；
所述的步骤三中所述的焊接是指，
通过CuMnNi合金钎料对钨与纯铜、纯铜与铜合金进行焊接，以保证钨-纯铜-铜合金间的焊接同步进行；
所述钎料成分为Cu含量为70～75wt％，Mn含量为20～25wt％，Ni含量为1～3wt％；
所述的步骤一中所述的待焊接材料的预处理过程为，
将钨和铜合金放入无水乙醇溶液中超声波清洗10min，热风烘干；依次利用240目、600目和800目砂纸打磨钨块表面，利用质量配比为65％硝酸：40％氢氟酸＝4:1的溶液清洗钨表面3分钟；利用320目砂纸打磨铜合金表面；利用800目砂纸打磨纯铜板及钎料表面；然后用去离子水、无水乙醇超声波清洗所有待焊接材料，最后脱水干燥；
所述步骤一中钨块尺寸为20～60mm×20～60mm，厚度为5～10mm；纯铜块厚度为1～3mm；铜合金热沉材料尺寸为25～65mm×25～65mm，厚度为20～35mm；
焊接好后的复合块进行适当的机械加工，形成所需的钨铜模块。
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