CN114346514B - 可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉：10～15％；Ti粉：10～15％；Co粉：5～7％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝用于改善铜/钢界面结合强度，提高铜/钢复合结构件的抗冲击性能。本发明还公开一种可增强铜/钢界面结合强度的方法。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，还涉及一种可增强铜/钢界面结合强度的方法。
背景技术
铜合金具有良好的导电性、导热性以及耐腐蚀性能，但由于铜自身较软，无法在较高的载荷下进行工作，所以铜/钢复合材料的出现弥补了这个缺点，铜/钢复合材料广泛用于电气设备、航空设备中。这种结构通常用焊接的方法来成型，但两种材料物理性质差异很大，焊接接头的质量较差，容易在接头处失效。
随着应用领域的不断推广，在使用过程中由于铜/钢结合强度不高，在受到冲击或撞击时容易断裂或分离，本发明将以提高铜/钢界面结合强度为目标，引入Co、Ti、Mg三种元素作为提高铜/钢界面结合强度的增强元素，这三种元素会使得焊缝与两侧金属的电荷密度更均匀并且在界面处转移电荷，使得界面具有良好的抗拉强度和延伸性，另外在焊后对焊接接头进行超声冲击处理，形成细晶强化，将残余拉应力转换为压应力，从而提高铜/钢焊接接头的结合性能，减小铜/钢复合材料由于界面结合性能较低而引起的失效。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，该焊丝用于改善铜/钢界面结合强度，提高铜/钢复合结构件的抗冲击性能。
本发明的第二个目的是提供一种可增强铜/钢界面结合强度的方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉：10～15％；Ti粉：10～15％；Co粉：5～7％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
焊皮为T2纯铜带。
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％-32wt.％。
本发明所采用的第二个技术方案是，可增强铜/钢界面结合强度的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按质量百分比分别称取以下粉末：Mg粉：10～15％；Ti粉：10～15％；Co粉：5～7％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以T2纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.2-1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；
步骤3：采用TIG焊对铜和钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾进行均匀处理。
本发明的特征还在于，
步骤2中将药芯填入U型槽的粉末量需要高于U型槽深度的2/3。
步骤3中焊接参数为，焊接电压：22～25V，焊接电流：200～220A，焊接速度：3.0～4.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为10～15L/min；预热温度为350-400℃。
步骤5中对焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为50％～60％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的药芯焊丝采用Co-Ti-Mg来作为增强铜钢界面结合性能的三种元素，这三种元素的使得界面处电荷分布更加均匀，提高抗拉强度和延伸性，另外，它们会使得电荷在界面处移动，提高结合性能，这都会使得铜/钢界面的结合力增强。
(2)本发明的药芯焊丝在实际焊接过程中，产生的飞溅、气孔、夹渣较少，可得到质量较好的焊接接头。
(3)本发明中采用超声冲击方法对焊接接头进行后处理，可以应用在无法进行热处理的工况下，同时超声冲击可以细化晶粒，降低焊接接头的残余应力。超声冲击可以细化表层晶粒，有效改善焊接接头的残余应力、疲劳性能，在焊后对焊接接头进行超声冲击。
(4)本发明中的药芯焊丝可以用于大多数焊接方法，工艺适应性广，具有很大市场前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的铜-钢结合界面的显微组织图。
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。
本发明提供一种可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉：10～15％；Ti粉：10～15％；Co粉：5～7％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。
焊皮为T2纯铜带。
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％-32wt.％。
本发明还提供一种可增强铜/钢界面结合强度的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按质量百分比分别称取以下粉末：Mg粉：10～15％；Ti粉：10～15％；Co粉：5～7％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以T2纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.2-1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；
步骤2中将药芯填入U型槽的粉末量需要高于U型槽深度的2/3。药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％-32wt.％。
步骤3：采用TIG焊对铜和钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；
步骤3中采用Q345A和T2铜板材进行工艺探索试验，规格均为200mm×100mm×5mm。
步骤3中焊接参数为，焊接电压：22～25V，焊接电流：200～220A，焊接速度：3.0～4.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为10～15L/min；预热温度为350-400℃。
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾进行均匀处理。
步骤5中对焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为50％～60％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
实施例1
步骤1，分别称取以下粉末:Mg粉：10g；Ti粉：10g；Co粉：5g；Ni粉：20g；Si粉：1g；Mn粉：1g；Cu粉：53g。以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.％。
步骤3:采用TIG焊对T2铜和Q345A钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；焊接参数为，焊接电压：25V，焊接电流：220A，焊接速度：4.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为15L/min，预热温度为400℃。步骤3中采用Q345A和T2铜板材进行工艺探索试验，规格均为200mm×100mm×5mm。
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为50％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
经测试，焊接接头的力学性能为:抗拉强度210.6MPa,屈服强度71.4MPa，应变率为28％，室温冲击功45J，并且焊接接头宏观形貌良好。如图1所示，铜/钢界面结合良好，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷；另外，结合界面的晶粒细小，并且未出现过多的析出相。
实施例2
步骤1，分别称取以下粉末:Mg粉：10g；Ti粉：15g；Co粉；7g；Ni粉：20g；Si粉：1g；Mn粉：1g；Cu粉：46g。以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为32wt.％。
步骤3:采用TIG焊对T2铜和Q345A钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；焊接参数为，焊接电压：25V，焊接电流：220A，焊接速度：4.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为15L/min，预热温度为400℃。步骤3中采用Q345A和T2铜板材进行工艺探索试验，规格均为200mm×100mm×5mm。
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为50％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
经测试,焊接接头的力学性能为:抗拉强度219.2MPa,屈服强度78.2MPa，应变率为32％，室温冲击功53J，并且焊接接头宏观形貌良好。
实施例3
步骤1，分别称取以下粉末:Mg粉：15g；Ti粉：10g；Co粉：5g；Ni粉：20g；Si粉：1g；Mn粉：1g；Cu粉：48g。以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为26wt.％。
步骤3:采用TIG焊对T2铜和Q345A钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；焊接参数为，焊接电压：25V，焊接电流：220A，焊接速度：4.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为15L/min，预热温度为400℃。步骤3中采用Q345A和T2铜板材进行工艺探索试验，规格均为200mm×100mm×5mm。
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为50％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
经测试,焊接接头的力学性能为：抗拉强度215.3MPa,屈服强度69.4MPa，应变率为30％，室温冲击功45J，并且焊接接头宏观形貌良好。
实施例4
步骤1，分别称取以下粉末:Mg粉：15g；Ti粉：15g；Co粉：7g；Ni粉：20g；Si粉：1g；Mn粉：1g；Cu粉：41g。
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为26wt.％。
步骤3:采用TIG焊对T2铜和Q345A钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；焊接参数为，焊接电压：24V，焊接电流：210A，焊接速度：3.5m/s，保护气为纯氩气，气流量为14L/min，预热温度为390℃。步骤3中采用Q345A和T2铜板材进行工艺探索试验，规格均为200mm×100mm×5mm。
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为55％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
经测试,焊接接头的力学性能为:抗拉强度217.1MPa,屈服强度72.1MPa，应变率为28％，室温冲击功52J，并且焊接接头宏观形貌良好。
实施例5
步骤1，分别称取以下粉末:Mg粉：10g；Ti粉：15g；Co粉：7g；Ni粉：20g；Si粉：1g；Mn粉：1g；Cu粉：44g。
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径
为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；步药芯焊丝中药芯粉末的填充率为26wt.％。
步骤3:采用TIG焊对T2铜和Q345A钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；焊接参数为，焊接电压：22V，焊接电流：200A，焊接速度：3.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为10L/min，预热温度为400℃。步骤3中采用Q345A和T2铜板材进行工艺探索试验，规格均为200mm×100mm×5mm。
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮。
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为60％，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
经测试,焊接接头的力学性能为:抗拉强度212.7MPa,屈服强度74.2MPa，应变率为36％，室温冲击功54J，并且焊接接头宏观形貌良好。
Claims (4)
1.可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：Mg粉：10~15%；Ti粉：10~15%；Co粉：5~7%；Ni粉：20%；Si粉：1%；Mn粉：1~2%；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100%；焊皮为T2纯铜带；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.%-32wt.%。
2.可增强铜/钢界面结合强度的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按质量百分比分别称取以下粉末：Mg粉：10~15%；Ti粉：10~15%；Co粉：5~7%；Ni粉：20%；Si粉：1%；Mn粉：1~2%；Cu粉：余量；以上组分质量百分比之和为100%；
步骤2：将步骤1称取好的粉末作为药芯，将药芯填入U型槽中，以T2纯铜带作为焊丝焊皮，并利用孔径φ为2.3mm的减径模具完成第一道拉拔工序，最后再不断通过减径模具将药芯焊丝减径至1.2-1.6mm；通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt.%-32wt.%；
步骤3：采用TIG焊对铜和钢板材进行焊接，填充金属使用步骤2所制得的药芯焊丝；
步骤4：待步骤3冷却至室温后用机械清理得方式去掉表面氧化皮；
步骤5：用超声冲击设备对焊缝的两侧焊趾进行均匀处理。
3.根据权利要求2所述的可增强铜/钢界面结合强度的方法，其特征在于，步骤3中焊接参数为，焊接电压：22~25V，焊接电流：200~220A，焊接速度：3.0~4.0m/s，保护气为纯氩气，气流量为10~15L/min；预热温度为350-400℃。
4.根据权利要求2所述的可增强铜/钢界面结合强度的方法，其特征在于，步骤5中对焊趾左右两端进行冲击，冲击覆盖率为50%~60%，冲击电流为1A，冲击头直径为2mm。
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