CN113399861A - 一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种铜‑钢过渡层熔‑钎焊用铜镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝，能够解决铜‑钢***复合板对接焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜问题。还公开了一种铜‑钢过渡层熔‑钎焊用铜镍基焊丝的制备方法。

Description

一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，还提供该种一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法。
背景技术
金属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求，它既可以替代进口并填补国内空白，又具有广阔应用范围，具有良好的经济效益和社会效益。
铜-钢***复合板因具有铜优异的导热、导电性及钢优异的高强度特点，广泛应用于工程实际中。但是，工程实际中经常需要对金属复合材料进行再加工，以获得一定功能的结构。焊接是最常用的加工手段。采用焊接方法进行铜-钢复合板结构的再制造过程中，经常会发现钢侧焊缝存在渗铜裂纹，铜侧焊缝出现开裂问题。究其原因，是铜和钢的热物理性能差异较大和Cu、Fe元素在室温下固溶度较低所致。因此，开展铜-钢复合板焊接连接研究，开发可解决铜焊缝开裂、钢焊缝渗铜的过渡层焊接材料具有重要的工程实际价值。
镍与铜之间可以无限固溶，焊接性较好；镍与钢之间固溶度较大，且镍是钢的重要强韧化元素。因此，本发明以镍元素作为桥梁，并辅以多种合金元素的冶金反应，综合调控铜-钢复合板过渡层相组成、相比例和晶粒尺度，从而实现铜-钢复合板的高质量冶金连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，能够解决铜-钢***复合板对接焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜问题。
本发明的另一个目的是提供一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100～200目。
焊皮为紫铜带，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
药芯焊丝的填充量为30wt.％～35wt.％。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250～300℃，保温时间为3-4h；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：将紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
本发明的特征还在于，
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100～200目。
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为30wt.％～35wt.％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明焊丝适用于铜-钢复合板过渡层的焊接，焊丝以铜为主辅以多种合金组元，在保证复合板强韧性的前提下可有效解决铜-钢复合板焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜等问题。
(2)本发明焊丝的主要元素为铜，其次为镍。镍与铜之间可以无限固溶，镍与钢之间的固溶度较大，且镍是钢的重要强韧化元素。
(3)本发明焊丝以铜带包裹多种合金粉末，由于铜的熔点较低，可以显著降低焊接时的热输入，从而减少钢侧渗铜裂纹产生的可能。过渡层焊缝中含有一定量的镍，可以有效提高与铜侧焊缝的连接强度。同时，镍元素也会进入铜侧焊缝，从而提高铜侧焊缝的抗开裂能力。焊丝中含有多种合金元素(Si、Al、Mn)，可综合调控过渡层焊缝的组织组成，并细化过渡层焊缝晶粒。
(4)本发明焊丝以铜带包裹多种合金元素，在钢焊缝的基础上进行焊接时，采用熔-钎焊的焊接策略，既主要熔化过渡层焊接材料，而尽量少熔化母材钢。从而减少钢焊缝的Fe元素进行过渡层焊缝及后续的铜焊缝中，降低开裂的可能。所得的复合板接头强度高、韧性好，焊缝无缺陷产生。
(5)本发明制备方法操作简单，广泛适用于工业生产。
附图说明
图1为使用常规铜焊丝(ERCuSi-Al)进行焊接时过渡层/钢焊缝开裂情况；
图2为使用实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝与钢焊缝的扫描电镜组织形貌图；
图3为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝的扫描电镜组织形貌图。
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。
本发明一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100～200目。
焊皮为紫铜带，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
药芯焊丝的填充量为30wt.％～35wt.％。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Cu为药芯焊丝铜带的主要元素。Cu的熔点较低，为1086℃；Fe的熔点较Cu高，为1595℃。在焊接时，根据两者之间熔点的差异，采用熔-钎焊的方式进行。电弧作用在焊丝上，少作用在底部Fe焊缝，从而有效控制Fe元素进入过渡层焊缝中，使得过渡层焊缝主要以焊丝的合金元素为主。不仅可以抑制Fe侧焊缝的渗铜问题，还可以提高过渡层焊缝及Cu侧焊缝的强韧性。
Ni元素为药芯焊丝的主要合金元素。从Cu-Ni二元相图可知，Ni和Cu之间无限固溶，焊接性优异。从Fe-Ni二元相图可知，Fe和Ni之间不形成脆性的金属间化合物，而是生成铁基固溶体、FeNi3化合物及镍基固溶体。这些化合物的存在可有效提高过渡层与钢焊缝之间的结合强度。
Mn元素在Cu中可以无限固溶，与Ni的作用效果类似，可进一步提高过渡层焊缝与上面Cu焊缝的结合强度。
Si、Al元素可以细化过渡层焊缝的晶粒尺寸。与此同时，这两个元素可以提高奥氏体的稳定性。熔化焊条件下，虽然过渡层焊缝采用熔-钎焊工艺，但是不可避免会有一大部分Fe熔化进入焊缝中。Si、Al两种元素的存在可有效控制过渡层焊缝中Fe固溶体的尺寸和分布形态，避免大块状Fe固溶体的出现。
本发明还提供一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100～200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250～300℃，保温时间为3-4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：将紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为30wt.％～35wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉60.0％，Si粉15.0％，Al粉10.0％，Mn粉15.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为35wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口(铜板一侧开V型坡口及钢板一侧开V型坡口；)。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本实施例制备得到的药芯焊丝，焊接电流为80～100A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。其中，过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80～100A)，且电弧主要作用下焊丝上，从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主，底部钢焊缝少熔化)。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为320MPa，延伸率为18％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉80.0％，Si粉10.0％，Al粉5.0％，Mn粉5.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为80～100A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。其中，过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80～100A)，且电弧主要作用下焊丝上，从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主，底部钢焊缝少熔化)。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为387MPa，延伸率为15％。
如图1所示，使用常规铜焊丝(ERCuSi-Al)进行焊接时，钢侧焊缝存在渗铜裂纹，铜侧焊缝出现开裂；过渡层焊缝与钢焊缝的界面扫描照片如图2所示，过渡层焊缝与钢焊缝之间结合良好，未发现裂纹、气孔等缺陷。过渡层焊缝的显微组织如图3所示，主要由Cu基固溶体、富Ni的树枝晶和一部分弥散分布的富Fe固溶体组成，组织分布均匀；由图2-3可以看出，相比于使用常规铜焊丝(ERCuSi-Al)，实施例2制备得到的铜镍基焊丝焊接铜-钢复合板过渡层焊缝与钢焊缝之间结合良好，未发现裂纹、气孔等缺陷，解决铜-钢***复合板对接焊接过程中铜侧焊缝开裂和钢侧焊缝渗铜问题。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉70.0％，Si粉10.0％，Al粉10.0％，Mn粉10.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为150目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为270℃，保温时间为4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为32wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为80～100A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。其中，过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80～100A)，且电弧主要作用下焊丝上，从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主，底部钢焊缝少熔化)。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为360MPa，延伸率为18％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉68.0％，Si粉12.0％，Al粉8.0％，Mn粉12.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为260℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为35wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为80～100A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。其中，过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80～100A)，且电弧主要作用下焊丝上，从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主，底部钢焊缝少熔化)。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为390MPa，延伸率为17％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉70.0％，Si粉10.0％，Al粉7.0％，Mn粉13.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为290℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
步骤3中，药芯焊丝的填充量为35wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的镍基焊丝焊接铜-钢复合板(T2-Q235)，其中复合板开双V型坡口。复合板焊接顺序为：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为180～200A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为80～100A；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。其中，过渡层焊缝采用较小的焊接电流(80～100A)，且电弧主要作用下焊丝上，从而达到过渡层焊接时熔-钎焊的效果(主要以过渡层焊丝熔化为主，底部钢焊缝少熔化)。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为421MPa，延伸率为14％。

Claims (8)

1.一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，其特征在于，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100～200目。
3.根据权利要求1所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，其特征在于，焊皮为紫铜带，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
4.根据权利要求1所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝，其特征在于，药芯焊丝的填充量为30wt.％～35wt.％。
5.一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Ni粉60.0～80.0％，Si粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，Mn粉5.0～15.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250～300℃，保温时间为3-4h；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：将紫铜带作为焊皮，采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
6.根据权利要求5所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，Ni粉、Si粉、Al粉及Mn粉的粒度均为100～200目。
7.根据权利要求5所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，焊皮厚度为0.4mm，宽度为7mm。
8.根据权利要求5所述的一种铜-钢过渡层熔-钎焊用铜镍基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，药芯焊丝的填充量为30wt.％～35wt.％。
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