CN114043174A - 一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术领域,尤其是一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法,现提出如下方案,包括一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,包括以下步骤:S1焊接接头沟槽成型加工;S2焊接预处理:S3焊接接头焊接上述步骤S1中包括:利用数控车床采用刀具在石墨的焊接面上加工出锯齿沟道型结构,将加工出锯齿沟道型结构锐化成截面为三角形结构,还包括一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构。本发明便于加工操作,方便进行焊接操作,提升焊接工件的焊接面的剪切强度,提高焊接工件的结合强度,使制备的工件具备良好的致密度和剪切强度,提高工件焊接效率和质量,提高工件焊接加工速度。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域,尤其涉及一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法。
背景技术
钼合金中由于其高熔点(2620℃)、低膨胀系数、高温下良好的机械性能以及优异的导电性和导热性在许多高温应用中受到了广泛的关注,例如核能、航空航天以及X射线靶等领域。然而,由于钼合金的高密度、难以加工和焊接,限制了其进一步的广泛运用。此外,石墨因其低密度、高耐磨性、优异的导热导电性、良好的耐烧蚀性、抗热震性、耐疲劳性、耐腐蚀性等特点,也被广泛应用于航空航天、核能、医疗、军事工程等高科技领域。然而,石墨的高孔隙率、低强度、不均匀性和高温下易氧化性,也限制了石墨在结构构件中的应用。石墨和钼合金合金具备很高的性能互补性,通常使用各种填充金属将石墨和钼合金合金结合成接头。由于具备良好的散热性能、低密度以及高温下优异的机械性能,石墨和钼合金的接头常被用作X射线管中直径60至238毫米的靶材主体,其中带有钨-稀土涂层的钼合金合金用作靶面材料,石墨用作靶材的背衬蓄热器和辐射散热器。
目前石墨和钼合金合金有多种连接方式,如摩擦焊,扩散焊和钎焊,其中钎焊由于其简单、接头强度高、重复性好、成本低以及接头尺寸和形状的完美适应性的特点是最适合量产规模化的连接方式。众所周知,由于石墨中共价键的强稳定性,石墨很难被大多数钎料润湿,这使得钼合金合金很难有效地与石墨结合。一般选择和碳元素具有较好反应的活泼性金属元素作为钎焊层,但是石墨一侧金属钎焊层和石墨基体之间容易产生过厚脆性碳化物层,造成石墨一侧的冶金结合效果显著降低,不利于接头强度的提升。目前,普遍采用喷砂、激光加工等方法增加石墨侧的表面粗糙度,来提升焊接件的接头强度。但是,喷砂对提升接头强度的有利作用较小,且无法形成有规律的表面形貌。而激光加工一方面成本较高,另一方面难以加工异型结构件,为此需要一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法。
发明内容
本发明提出的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法,解决了现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,包括以下步骤:S1焊接接头沟槽成型加工;S2焊接预处理:S3焊接接头焊接
上述步骤S1中包括:
利用数控车床采用刀具在石墨的焊接面上加工出锯齿沟道型结构,将加工出锯齿沟道型结构锐化成截面为三角形结构;
上述步骤S2中包括:
将待焊接的工件进行清洗组装并放入真空钎焊炉中等待钎焊;
上述步骤S3中包括:
将装配好的工件放置在真空钎焊炉焊接。
优选的,所述焊接接头沟槽深度为180±20um,焊接接头沟槽间距210±20um,焊接接头沟槽角度为43.5±0.5°。
优选的,所述焊接接头整体结构沿工件表面延伸形成沿工件表面分布的直道型结构、圆环形结构及不规则形结构。
优选的,所述数控车床采用ck6150数控车床。
优选的,所述数控车床其背吃刀量0.15-0.2mm,主轴转速600-650r/min,进给量0.1-0.3mm/r,切削速度200-250m/min。
优选的,所述刀具采用硬质合金材料制成。
优选的,所述步骤S2还包括将打磨后的钼合金合金、箔片状钎料、加工后的石墨放入酒精中进行超声清洗,然后按照从下往上分别是钼合金/钎料/石墨的方式装配好,放入真空钎焊炉中等待钎焊。
一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构,采用一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法焊接成型。
优选的,所述焊接接头包括钼合金主体、石墨主体以及设置在石墨主体上用于焊接的沟槽主体。
本发明中,
通过设置的焊接接头以及焊接方法,使得该设计便于加工操作,方便进行焊接操作,提升焊接工件的焊接面的剪切强度,提高焊接工件的结合强度,使制备的工件具备良好的致密度和剪切强度,提高工件焊接效率和质量,提高工件焊接加工速度。
附图说明
图1为本发明提出的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法焊接接头的结构示意图;
图2为本发明提出的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法的实施例3的扫描电镜图;
图3为本发明提出的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法的实施例2的扫描电镜图;
图4为本发明提出的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构及其加工方法的实施例3的钼合金/石墨钎焊接头的剪切强度与位移的关系图。
图中:1钼合金主体、2石墨主体、3沟槽主体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
参照图1-4,一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,包括以下步骤:S1焊接接头沟槽成型加工;S2焊接预处理:S3焊接接头焊接
上述步骤S1中包括:
利用数控车床采用刀具在石墨的焊接面上加工出锯齿沟道型结构,将加工出锯齿沟道型结构锐化成截面为三角形结构;
上述步骤S2中包括:
将待焊接的工件进行清洗组装并放入真空钎焊炉中等待钎焊;
上述步骤S3中包括:
将装配好的工件放置在真空钎焊炉焊接。
进一步的,焊接接头沟槽深度为180±20um,焊接接头沟槽间距210±20um,焊接接头沟槽角度为43.5±0.5°。
具体的,焊接接头整体结构沿工件表面延伸形成沿工件表面分布的直道型结构、圆环形结构及不规则形结构。
优选的,数控车床采用ck6150数控车床。
优选的,数控车床其背吃刀量0.15-0.2mm,主轴转速600-650r/min,进给量0.1-0.3mm/r,切削速度200-250m/min。
优选的,刀具采用硬质合金材料制成。
优选的,步骤S2还包括将打磨后的钼合金合金、箔片状钎料、加工后的石墨放入酒精中进行超声清洗,然后按照从下往上分别是钼合金/钎料/石墨的方式装配好,放入真空钎焊炉中等待钎焊。
一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构,采用一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法焊接成型。
更进一步的,焊接接头包括钼合金主体1、石墨主体2以及设置在石墨主体2上用于焊接的沟槽主体3。
实施例1:
采用ck6150数控车床,通过程序按照加工图纸设置好切削程序,设定背吃刀量0.15mm,主轴转速600r/min,进给量0.1mm/r,切削速度200m/min,利用硬质合金材料做成的特殊刀具在石墨表面加工出沟槽型结构,加工后的沟槽深度为130um,角度为43.5°;将打磨后的钼合金合金、箔片状钎料、加工后的石墨放入酒精中超声清洗,然后按照从下往上分别是钼合金/钎料/石墨装配好,放入真空钎焊炉中钎焊;通过剪切实验得出这种钎焊接头的强度可以达到26.3Mpa,高于未经加工石墨钎焊接头的24.1Mpa。
实施例2:
采用ck6150数控车床,通过程序按照加工图纸设置好切削程序,设定背吃刀量0.18mm,主轴转速625r/min,进给量0.2mm/r,切削速度225m/min,利用硬质合金材料做成的特殊刀具在石墨表面加工出沟槽型结构,加工后的沟槽深度为180um,角度为43.5°,周期为200um左右,如图2的扫描电镜图所示。将打磨后的钼合金合金、箔片状钎料、加工后的石墨放入酒精中超声清洗,然后按照从下往上分别是钼合金/钎料/石墨装配好,放入真空钎焊炉中钎焊。通过剪切实验得出这种钎焊接头的强度可以达到25.3Mpa,高于未经加工石墨钎焊接头的24.1Mpa;
图3为实施例2的钼合金/石墨钎焊接头的扫描电镜图。从中看出钎料流入三角形锯齿沟道当中,起到嵌合的作用,石墨和钎料一侧没有裂纹产生。而未加工的石墨和钎料则是依靠冶金结合,并且图中可以看出结合的不够紧密。
实施例3:
采用ck6150数控车床,通过程序按照加工图纸设置好切削程序,设定背吃刀量0.2mm,主轴转速650r/min,进给量0.3mm/r,切削速度250m/min,利用硬质合金材料做成的特殊刀具在石墨表面加工出沟槽型结构,加工后的沟槽深度为160um,角度为43.5°。将打磨后的钼合金合金、箔片状钎料、加工后的石墨放入酒精中超声清洗,然后按照从下往上分别是钼合金/钎料/石墨装配好,放入真空钎焊炉中钎焊,焊接后的接头的形貌如图3所示。通过剪切实验得出这种钎焊接头的强度可以达到28.6Mpa,高于未经加工石墨钎焊接头的24.1Mpa;
如图2为加工后石墨焊接面的扫描电镜图,可以看出锯齿沟道是周期为200um左右,深度为180um左右,角度43.5度左右的三角形形式;
图4为实施例3的钼合金/石墨钎焊接头的剪切强度与位移的关系图;从图中可以看出焊接面为锯齿沟道的钼合金/石墨钎焊接头的剪切强度显著高于未加工石墨和钼合金的钎焊接头。
该设计在一般打磨抛光的钎焊焊接面基础上,将其中石墨的焊接面加工成锯齿沟道状结构。并且这种锯齿沟道结构适合在平板状、圆形及其它异形石墨件表面进行加工设计。采用简单地机床加工方法,适合批量化加工制备。在钎焊过程中,熔融的钎料流入沟道锯齿沟道当中,形成了一种嵌接的结构形式,从而起到增强的机械咬合作用,显著提升了焊接件接头强度。未加工的界面在焊接过程中会由于残余应力的存在导致石墨和钎料的界面处易产生裂纹,该设计的这种锯齿沟道结构可以有效的减少钎焊应力。这种结构形式使钎焊接头也在后续的疲劳、热冲击过程中,界面交错阻力的作用使其性能得到提高。此外,是通过熔融的钎料流入沟道当中,不同于常见的预先进行机械对接,所以操作简便,装配简单。这种结构形式具备界面的机械咬合和冶金结合的综合作用,进一步提高钎焊件接头的综合性能;
综上所述该设计便于加工操作,方便进行焊接操作,提升焊接工件的焊接面的剪切强度,提高焊接工件的结合强度,使制备的工件具备良好的致密度和剪切强度,提高工件焊接效率和质量,提高工件焊接加工速度。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,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露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:S1焊接接头沟槽成型加工;S2焊接预处理:S3焊接接头焊接
上述步骤S1中包括:
利用数控车床采用刀具在石墨的焊接面上加工出锯齿沟道型结构,将加工出锯齿沟道型结构锐化成截面为三角形结构;
上述步骤S2中包括:
将待焊接的工件进行清洗组装并放入真空钎焊炉中等待钎焊;
上述步骤S3中包括:
将装配好的工件放置在真空钎焊炉焊接。
2.根据权利要求1所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,所述焊接接头沟槽深度为180±20um,焊接接头沟槽间距210±20um,焊接接头沟槽角度为43.5±0.5°。
3.根据权利要求1所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,所述焊接接头整体结构沿工件表面延伸形成沿工件表面分布的直道型结构、圆环形结构及不规则形结构。
4.根据权利要求1所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,所述数控车床采用ck6150数控车床。
5.根据权利要求1所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,所述数控车床其背吃刀量0.15-0.2mm,主轴转速600-650r/min,进给量0.1-0.3mm/r,切削速度200-250m/min。
6.根据权利要求1所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,所述刀具采用硬质合金材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法,其特征在于,所述步骤S2还包括将打磨后的钼合金合金、箔片状钎料、加工后的石墨放入酒精中进行超声清洗,然后按照从下往上分别是钼合金/钎料/石墨的方式装配好,放入真空钎焊炉中等待钎焊。
8.一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构,其特征在于,采用权利要求1-7任意一项所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构的焊接方法焊接成型。
9.根据权利要求9所述的一种钼合金和石墨高强度焊接接头结构,其特征在于,所述焊接接头包括钼合金主体(1)、石墨主体(2)以及设置在石墨主体(2)上用于焊接的沟槽主体(3)。
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