CN114032513A

CN114032513A - 一种基于磁过滤阴极真空弧法制备焊丝涂层的方法

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Publication number: CN114032513A
Application number: CN202111526683.0A
Authority: CN
Inventors: 张明华; 黄秀培; 张乾超; 陈足; 李远航; 黄维; 肖郭城
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-02-11

Abstract

本发明属于焊丝涂层技术领域，具体涉及一种基于磁过滤阴极真空弧法制备实心焊丝涂层及其涂层焊丝制备方法。所述的涂层焊丝由实心焊丝及通过磁过滤阴极真空弧法包覆在焊丝上的单层或多层纯金属或合金组成。其制备法：(1)选取一种实心焊丝作为涂层焊丝的金属芯；(2)将洁净干燥的实心焊丝均匀地环绕在绕丝盘上，层数为一层；(3)关闭真空腔室，利用机械泵和分子泵组成的抽真空系统进行抽真空至真空度优于3.5×10‑3Pa；(4)打开磁过滤弧电源，以根据实际需求改善工艺性能和实际应用所需添加的金属元素或合金元素靶材作为阴极；(5)在聚焦电场和偏压电场的作用下，金属离子加速飞向焊丝表面，高能离子束对焊丝表面进行轰击，沉积并在焊丝表面形成靶材金属层。本发明的方法可根据添加各种金属成分的作用，制备单层或多层表面涂层焊丝，是改善焊丝焊接性能和匹配焊接基材更新的重要方法。

Description

一种基于磁过滤阴极真空弧法制备焊丝涂层的方法

技术领域

本发明属于焊丝涂层技术领域，具体涉及一种基于磁过滤阴极真空弧法制备实心焊丝涂层及其涂层焊丝。

背景技术

近年来，随着我国工业技术的飞速发展，对金属材料的性能要求也日益提高，要求金属材料有更好的耐腐蚀性、抗裂趋向、高的比强度、低密度等，但是传统焊材的发展往往滞后于金属材料的发展，这就导致特种性能的金属材料在焊接时焊缝金属的性能达不到母材金属相同的性能，从而被视为熔化焊新型焊丝的潜在材料并且得到了一些科研工作者的关注。

国内外学者围绕如何改善实心焊丝的焊接工艺性和提高焊接质量做了大量的研究工作，填充的焊丝成分对于焊缝的组织性能起到了决定性作用。其中，通过不同的表面处理方式，根据各种成分的作用，加入多种成分以制造表面涂层焊丝是改善焊丝性能的重要方法。基于此，本发明设计了一种焊丝涂层制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊丝表面处理工艺及焊丝涂层的制备方法，可成功解决特种性能金属材料焊接时对填充金属性能的要求，使焊缝金属与母材金属具有相同或更优异的性能，提高焊接件结构性能的稳定性和一致性。

一种基于磁过滤阴极真空弧法制备实心焊丝涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)选取一种实心焊丝作为涂层焊丝的金属芯，基体表面质量是薄膜成膜质量的关键，对薄膜的沉积具有重要影响，应对焊丝基体表面进行预处理，分别用丙酮和无水乙醇的棉花擦拭焊丝表面清除表面污染物。

步骤(2)将预处理后洁净干燥的实心焊丝纵向均匀地环绕在绕丝盘上，层数为一层，纵向宽度控制在磁过滤弯管直径范围内。

步骤(3)将绕有焊丝的绕丝盘装入真空室的样品台上，关闭真空腔室腔门，利用抽真空系统进行抽真空至真空度优于3.5×10-3Pa时开始进行焊丝镀膜。

步骤(4)使用加热器将炉内温度升高到150℃～300℃，温度根据所用的实心焊丝确定，即实心焊丝基体的沉积温度。

步骤(5)实心焊丝加热至所需温度后，向真空室通入99.9％高纯度氩气，此时打开偏压电源，在负偏压1000V的作用下，氩气放电产生等离子体，在偏压的作用下轰击焊丝基体表面。

步骤(6)设置靶源的起弧电流为60A～150A，电流根据靶材金属确定，基体负偏压为1000V，调节磁过滤偏转和占空比等实验参数，引燃阴极靶源电弧产生弧光，在聚焦电场和偏压电场的作用下，靶材金属离子加速飞向基体焊丝表面。

步骤(7)每隔5min将负偏压依次降低至800V、600V、400V、200V进行沉积。靶材金属高能离子束对焊丝基体表面进行溅射清洗，在焊丝基体的表面得到一层致密的靶材金属过渡层，增加基体与薄膜的适配性，增强膜-基结合力。

步骤(8)将仪器负偏压调至100V～300V时，负偏压根据靶材金属确定，进行镀膜沉积。

步骤(9)当薄膜沉积90min～180min后，沉积时间根据设计所需涂层厚度确定，关闭阴极弧源、磁偏转电源和负偏压控制开关，再关闭分子泵，15min后关闭机械泵。待真空室温度降为室温后，打开腔室取出样品。

有益效果：电弧离子镀技术是指在真空状态下将电弧技术应用于离子镀中，利用电弧蒸发作为镀料离子源，弧光放电并产生高度电离化且能量很高的等离子体，进而实现离子镀的过程，属于冷场致弧光放电，离化率高达80％以上。它的特点是没有熔池，电弧既是蒸发源，也是离化源，也可以作为溅射清洗的离子源、加热源，一弧多用，也可以采用多个电弧蒸发源。该技术沉积速率高、膜层结合力好，与磁场、电场的结合使其在工业应用领域上具有非常良好的前景。然而多弧离子镀在沉积状态中容易粘附很多大颗粒，严重降低了薄膜的质量并影响薄膜的综合性能。为了避免大颗粒污染一般从以下两个方面出发：一方面，优化沉积工艺，比如优化靶源电流、偏压和反应气体通气量等工艺参数；另一方面，改进镀膜设备，比如在电弧离子镀装置上增添弯管过滤部件成为磁过滤阴极真空弧离子镀设备。本发明所采用的就是电弧离子镀的装置基础上增添了直管和弯管过滤部件，磁过滤阴极真空弧技术几乎可以完全过滤掉阴极弧放电产生的中性大颗粒，使等离子体中仅存在具有高能量的等离子，从而获得膜厚均匀致密的高质量薄膜。磁过滤阴极真空弧技术的原理结构如图1所示，由图可知，影响薄膜表面质量的工艺参数主要有基底负偏压、通气量、弧流、沉积温度和沉积时间等因素。因此，金属表面镀膜过程中工艺参数的调控与薄膜性能机理的探讨是非常必要的。将该磁过滤阴极真空弧离子镀与焊丝镀膜相结合，能有效的解决传统焊丝发展滞后于金属材料的发展，使填充金属元素与母材金属元素趋于一致，从而使焊接件在组织性能上达到统一。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是磁过滤阴极真空弧法制备实心焊丝涂层的结构示意图。

图2是绕丝盘及金属芯通过送丝机的绕丝过程示意图。

附图标记：

1：阴极；2：触发电极；3：聚焦线圈；4：进气口；5：负偏压；6：绕丝盘；7：金属芯；8：真空室腔门及观察窗；9：工作台；10：泵浦接口；11:磁场线圈；12：滤管；13:阳极；14：送丝机。

具体实施方式

一种基于磁过滤阴极真空弧法制备实心焊丝涂层的制备方法，其特征在于该方法的具体实施方式：

步骤(2)将预处理后洁净干燥的实心焊丝纵向均匀的环绕在绕丝盘上，层数为一层，纵向宽度控制在磁过滤弯管直径范围内。

设备主要包括以下几个部分：磁过滤等离子体源(阴极弧源系统、磁过滤附件)，电源(弧电源、磁场电源和偏压电源)，真空靶室及真空抽气系统(腔体、真空泵、分子泵和真空计等)，气源，冷却系统(循环水)，工件台，绕丝盘等。其中阴极真空弧源位于管道的顶部，包括阴极、触发电极和触发线包、阳极法兰、阳极筒等；阴极和阳极筒通水直接冷却；真空靶室除了两个磁过滤等离子体源接口外，还有工作气体入口、加热器接口、热电偶接口、观察窗、备用法兰等。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。试验用焊丝是CHW-55CNH实芯焊丝，是Q450NQR1所用的焊丝，针对母材S450AW目前还没有对应的实心焊丝，计划在焊丝表面沉积Ti、Cr、Sb、Ni这几种元素。

实施例

一种涂层焊丝，该焊丝由靶材金属和金属芯构成，其特征在于，所述靶材金属通过磁过滤阴极真空弧法在实心焊丝表面形成一层致密的镀层。金属芯为实心实心焊丝，焊接时主要起传导电流和填充金属的作用。靶材金属为欲添加在焊缝中的金属元素或合金元素，起到改善焊缝工艺性能的作用。

下表为该实施例所采用的CHW-55CNH实心焊丝合金成分(质量百分比)

其他为Fe及其他不可避免的杂质元素，各组分的质量百分比之和为100％。

进一步，一种涂层焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)选取CHW-55CNH焊丝作为涂层焊丝的金属芯，基体表面质量是薄膜成膜质量的关键，对薄膜的沉积具有重要影响，应对基焊丝基体表面进行预处理，分别用蘸取丙酮和无水乙醇的棉花擦拭焊丝表面，清除表面污染物。

步骤(2)将预处理后洁净干燥的CHW-55CNH焊丝纵向均匀的环绕在绕丝盘上，层数为一层，纵向宽度控制在磁过滤弯管直径范围内。

步骤(3)将绕有焊丝的绕丝盘装入真空室的样品台上，关闭真空腔室腔门，利用机械泵和分子泵组成的抽真空系统进行抽真空至真空度优于3.5×10-3Pa时开始进行焊丝镀膜。

步骤(4)使用加热器将炉内温度升高到150℃，即实心焊丝基体的沉积温度。

步骤(6)用Cr为金属靶材，设置靶源的起弧电流为90A，基体负偏压为1000V，调节磁过滤偏转和占空比等实验参数，引燃阴极Cr靶源电弧产生弧光，在聚焦电场和偏压电场的作用下，Cr靶材金属离子加速飞向基体CHW-55CNH焊丝表面。

步骤(7)每隔5min将负偏压依次降低至800V、600V、400V、200V进行沉积。Cr靶材金属高能离子束对焊丝基体表面进行溅射清洗，在CHW-55CNH焊丝基底的表面得到一层致密的Cr金属过渡层，增加基体与薄膜的适配性，增强膜-基结合力。

步骤(8)将仪器负偏压调至100V时，进行Cr金属的镀膜沉积。

步骤(9)当薄膜沉积90min后，关闭阴极弧源，磁偏转电源和负偏压控制开关，再关闭分子泵，15min后关闭机械泵。待真空室温度降为室温后，打开腔室取出样品。

涂层焊丝涂层的厚度主要由配方设计决定，焊接时涂层焊丝可实现自动、半自动全位置焊接，根据焊丝成分和焊接工艺的要求，可选择采用不同的外加气体保护。

综上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种涂层焊丝，由靶材金属和金属芯构成，其特征在于，所述靶材金属通过磁过滤阴极真空弧法在实心焊丝表面形成一层致密的涂层。

2.根据权利要求1所述的一种涂层焊丝，其特征在于，所述金属芯为实心焊丝。

3.如权利要求1、2所述的一种基于磁过滤阴极真空弧法制备实心焊丝涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)选取一种实心焊丝作为涂层焊丝的金属芯，基体表面质量是薄膜成膜质量的关键，对薄膜的沉积具有重要影响，应对焊丝基体表面进行预处理，分别用丙酮和无水乙醇的棉花擦拭焊丝表面清除表面污染物；

步骤(2)将预处理后洁净干燥的实心焊丝纵向均匀地环绕在绕丝盘上，层数为一层，纵向宽度控制在磁过滤弯管直径范围内；

步骤(3)将绕有焊丝的绕丝盘装入真空室的样品台上，关闭真空腔室腔门，利用抽真空系统进行抽真空至真空度优于3.5×10-3Pa时开始进行焊丝镀膜；

步骤(4)使用加热器将炉内温度升高到150℃～300℃，温度根据所用的实心焊丝确定，即实心焊丝基体的沉积温度；

步骤(5)实心焊丝加热至所需温度后，向真空室通入99.9％高纯度氩气，此时打开偏压电源，在负偏压1000V的作用下，氩气放电产生等离子体，在偏压的作用下轰击焊丝基体表面；

步骤(6)设置靶源的起弧电流为60A～150A，电流根据靶材金属确定，基体负偏压为1000V，调节磁过滤偏转和占空比等实验参数，引燃阴极靶源电弧产生弧光，在聚焦电场和偏压电场的作用下，靶材金属离子加速飞向基体焊丝表面；

步骤(7)每隔5min将负偏压依次降低至800V、600V、400V、200V进行沉积。靶材金属高能离子束对焊丝基体表面进行溅射清洗，在焊丝基体的表面得到一层致密的靶材金属过渡层，增加基体与薄膜的适配性，增强膜-基结合力；

步骤(8)将仪器负偏压调至100V～300V时，负偏压根据靶材金属确定，进行镀膜沉积；

4.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，试验用焊丝是TH550-NQ-II，是Q450NQR1所用的焊丝，针对母材S450AW目前还没有对应的实心焊丝，计划在焊丝表面沉积Ti、Cr、Sb、Ni这几种元素。

5.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体包括下列步骤:

1)将实心焊丝盘放到送丝机上，通过送丝机提供金属芯；

2)校直金属芯，并对金属芯进行定位；

3)将金属芯一端固定在绕丝盘，然后转动绕丝盘，使金属芯纵向均匀等间距地环绕在绕丝盘上。

6.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的氩气放电产生等离子体，在偏压的作用下轰击清洗焊丝基体表面，以及步骤(6)和步骤(7)所述的靶材金属高能离子束在聚焦电场和偏压电场的作用下，对焊丝基体表面进行溅射清洗。对于一些含有镀铜保护层的实心焊丝，可以实现实心焊丝的镀铜层几乎被离子蚀刻完全去除。

7.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，整个设备包括电弧源、靶材、磁过滤弯管、真空腔室全部采用冷却水循环进行降温的冷却系统。

8.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，整个设备由阴极电弧起弧电源、磁场电源、负偏压电源、脉冲占空比调节装置、工作气体控制装置和电子束流量监控装置等组成控制系统。

9.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，整个设备的磁过滤系统包括由聚焦线圈和90°的磁过滤弯管，通过磁场和弯管的作用，可以过滤掉等离子体束中的大颗粒和其他中性离子得到高纯度的靶材等离子体束。

10.根据权利要求3所述的涂层焊丝的制备方法，其特征在于，整个设备的真空室中间为样品台装置，样品台可以在电机的带动下实现公转和自转，本发明组装绕丝盘，可以实现金属芯沉积不同阴极靶材的薄膜，同时提升薄膜的表面质量和薄膜的均匀性。