一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于異質(zhì)材料焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，應(yīng)用于聚變裝置高熱負(fù)荷部件的鎢銅復(fù)合塊連接，具體涉及一種鎢和銅的真空釬焊連接方法。包括以下步驟：（1）確定釬焊連接材料和釬料；（2）預(yù)處理焊接表面：將鎢塊和鉻鋯銅合金塊進(jìn)行清洗，去除焊接表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，脫水干燥；（3）清洗薄帶銅基釬料；（4）裝配：對(duì)接方式進(jìn)行連接，將銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配垂直施加0.01~0.1MPa的壓力；（5）焊接：將步驟（4）中裝配好的鎢塊+薄帶銅基釬料+鉻銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接。本發(fā)明技術(shù)方案獲得的純鎢與鉻鋯銅合金的對(duì)接焊接，焊縫成形良好，焊件無變形，未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。
【專利說明】一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于異質(zhì)材料焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，應(yīng)用于聚變裝置高熱負(fù)荷部件的鎢銅復(fù)合塊連接，具體涉及一種鎢和銅的真空釬焊連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎢由于高熔點(diǎn)、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、低濺射產(chǎn)額和高自濺射閥值、以及低蒸氣壓和低的氚滯留性能等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的認(rèn)為是最有希望的核聚變裝置面對(duì)等離子體材料。由鎢與熱沉材料銅連接而成的鎢銅復(fù)合塊是面對(duì)等離子體部件的基本單元。鎢和熱沉材料銅之間連接的最大問題在于鎢和銅之間存在著大的熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異，進(jìn)而在制備和服役過程中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，有可能導(dǎo)致面對(duì)等離子體部件在制備和服役過程中的失效。
[0003]鎢銅之間的連接技術(shù)主要包括焊接、活性金屬鑄造、涂層技術(shù)等。鎢銅的復(fù)合塊類型主要包括平板結(jié)構(gòu)(Flat tile)和穿管結(jié)構(gòu)(Monoblcok)兩種類型。目前，平板結(jié)構(gòu)的鎢銅復(fù)合塊主要制備技術(shù)為:首先純銅的適配層與活性或非活性的鎢表面進(jìn)行連接，第二步是與熱沉進(jìn)行連接，有幾種方法可以選擇，如電子束焊接，熱等靜壓焊接等；用這種方法能夠制備大量的鎢銅復(fù)合塊，但工藝較為復(fù)雜，成本也較高。本發(fā)明采用一步法制備鎢銅復(fù)合塊，在實(shí)現(xiàn)了母材鎢和銅焊接的同時(shí)，通過降溫過程中的快速冷卻，還可以恢復(fù)鉻鋯銅合金的強(qiáng)度；該技術(shù)工藝簡單并且可以大大降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有的高熱負(fù)荷部件所用鎢銅復(fù)合塊的連接技術(shù)，提供一種鎢與銅之間的直接連接工藝，從而可以在真空條件下，通過釬料與鎢和銅之間復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鎢與銅之間`的連接。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0006]一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，可用于聚變裝置高熱負(fù)荷部件，包括以下步驟:
[0007]( I)確定釬焊連接材料和釬料:
[0008]釬焊連接材料為選自純鎢、W-La2O3或W-TiC的鎢塊和含有0.6^0.8wt.%Cr,0.07~0.15wt.%Zr的銅合金；
[0009]釬焊材料為Cu 含量 70~75wt.%，Mn 含量 25~29wt.%，Ti 含量 I ~3wt.%，Cu、Mn、Ti的含量之和為IOOwt.%的薄帶銅基釬料；
[0010](2)預(yù)處理焊接表面:
[0011]將鎢塊和鉻鋯銅合金塊放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，砂紙打磨焊接表面，酸洗去掉表面氧化膜，再超聲波酒精清洗，去除焊接表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，最后脫水干燥；
[0012](3)清洗薄帶銅基釬料:
[0013]砂紙打磨薄帶銅基釬料表面，丙酮、酒精超聲波清洗，烘干待用；[0014](4)裝配:
[0015]對(duì)接方式進(jìn)行連接，將銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配垂直施加0.01·0.1MPa的壓力；
[0016](5)焊接:
[0017]將步驟(4)中裝配好的鎢塊+薄帶銅基釬料+鉻銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接:釬焊設(shè)備工作真空度優(yōu)于5X10_3Pa，先以15-25°C /min的升溫速率升溫至釬焊溫度為90(T970°C，升 溫過程中設(shè)置兩個(gè)保溫平臺(tái)，4000C時(shí)保溫l(Tl5min，800°C時(shí)保溫l(Tl5min ;然后保溫l(T30min ;再進(jìn)行冷卻，先以60°C /min的速度降溫至48(T500°C，保溫2^3h,再隨爐冷卻至室溫 ，完成焊接，取出焊件。
[0018]進(jìn)一步的，如上所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，步驟(2)中，鎢塊與鉻銅合金的表面酸洗過程為:用80wt.%硝酸+20wt.%氫氟酸溶液清洗鎢表面3飛分鐘；用20wt.%硝酸溶液清洗銅合金表面5~10分鐘。
[0019]進(jìn)一步的,如上所述的一種鶴銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝,步驟(1)中，薄帶銅基釬料為厚度為80-200 μ m的薄片。
[0020]進(jìn)一步的，如上所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，步驟(1)中，所述鶴塊尺寸為20mmX20mm~40mmX40mm,厚度為5mnTl0mm ;所述鉻銅合金塊尺寸為20mm X 20mm ~40mmX 40mm,厚度為 IOmm~30mm。
[0021]進(jìn)一步的，如上所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，步驟(2)中，依次利用320目、600目、800目和1200目砂紙打磨焊接表面；步驟(3)中，用1000目砂紙打磨薄帶銅基釬料表面。
[0022]本發(fā)明采用Cu-Mn-Ti合金作為釬料，該釬料對(duì)母材鎢和銅均具有良好的潤濕性，Mn作為降熔元素不會(huì)與母材形成有害相，并且釬焊溫度較低；Ti元素，能與鎢形成固溶體，實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵結(jié)合，改善鎢與銅之間的結(jié)合性能。釬焊保溫完畢，在降溫過程中通過快速冷卻，在48(T500°C保溫2-3小時(shí)，恢復(fù)鉻鋯銅合金的強(qiáng)度。通過該技術(shù)可以一步制備鎢銅復(fù)合塊，工藝簡單并且可以大大降低成本，所制備的銅復(fù)合塊具有良好的結(jié)合性能，能夠承受6^10MW/m2的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，可用于聚變裝置高熱負(fù)荷部件，包括以下步驟:
[0025](I)確定釬焊連接材料和釬料:釬焊連接材料為選自純鎢、W-La2O3或W-TiC的鎢塊和含有0.6~0.8wt.%Cr,0.07~0.15wt.%Zr的銅合金；釬焊材料為Cu含量70~75wt.%,Mn含量25~29wt.%,Ti含量I~3wt.%, Cu,Mn,Ti的含量之和為IOOwt.%的薄帶銅基釬料。
[0026](2)預(yù)處理焊接表面:將鎢塊和鉻鋯銅合金塊放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，砂紙打磨焊接表面，酸洗去掉表面氧化膜，再超聲波酒精清洗，去除焊接表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，最后脫水干燥。
[0027](3)清洗薄帶銅基釬料:砂紙打磨薄帶銅基釬料表面，丙酮、酒精超聲波清洗，烘干待用。[0028](4)裝配:
[0029]對(duì)接方式進(jìn)行連接，將銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配垂直施加0.01-0.1MPa的壓力。
[0030](5)焊接:
[0031]將步驟(4)中裝配好的鎢塊+薄帶銅基釬料+鉻銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接:釬焊設(shè)備工作真空度優(yōu)于5X10_3Pa，先以15-25°C /min的升溫速率升溫至釬焊溫度為900-970°C，升溫過程中設(shè)置兩個(gè)保溫平臺(tái)，4000C時(shí)保溫l-l5min，800°C時(shí)保溫l0-l5min ;然后保溫l0-30min ;再進(jìn)行冷卻，先以60°C /min的速度降溫至480-500°C，保溫2^3h,再隨爐冷卻至室溫，完成焊接，取出焊件。
[0032]進(jìn)一步的，如上所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，步驟(1)中，所述鶴塊尺寸為20mmX20mm~40mmX40mm,厚度為5mnTl0mm ;所述鉻銅合金塊尺寸為20mmX 20mm~40mmX 40mm,厚度為IOmm~30mm。薄帶銅基針料為厚度為80~200 μ m的薄片。步驟(2)中，鶴塊與鉻銅合金的表面酸洗過程為:用80wt.%硝酸+20wt.%氫氟酸溶液清洗鎢表面3飛分鐘；用20wt.%硝酸溶液清洗銅合金表面5~10分鐘。依次利用320目,600目、800目和1200目砂紙打磨焊接表面；步驟(3)中，用1000目砂紙打磨薄帶銅基釬料表面。
[0033]實(shí)施例1
[0034]鎢與鉻鋯銅合金對(duì)接接頭的真空釬焊，鎢為工業(yè)生產(chǎn)的純鎢，尺寸20mmX20mm，厚度為5mm ;鉻錯(cuò)銅合金尺寸為20mmX 20mm,厚度為10mm。釬焊工藝步驟為:
[0035](I)純鎢和鉻鋯銅合金的焊接表面預(yù)處理，去除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜:將純鎢和鉻鋯銅合金放入丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，熱風(fēng)烘干；利用320號(hào)、600號(hào)、800號(hào)和1200號(hào)砂紙打磨打磨焊接表面，配比為65%硝酸:40%氫氟酸=4:1的溶液清洗鎢表面3分鐘；20%稀硝酸溶液清洗銅合金表面5分鐘。然后去離子水、酒精超聲波清洗；最后脫水干燥。
[0036](2)薄帶銅基釬料清洗:將厚度為80 μ m的Cu 70%-Mn 29%-Ti 1% (化學(xué)成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù))薄帶釬料丙酮超聲波清洗lOmin，然后利用1000目砂紙打磨，去掉表面氧化層，再酒精超聲波清洗，烘干待用。
[0037](3)將預(yù)處理的銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和鉻鋯銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配，垂直施加0.01MPa的壓力；
[0038](4)將上述裝配好的鎢/銅基釬料/鉻鋯銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接；焊接工藝參數(shù):釬焊溫度為900°C，保溫時(shí)間30min，加熱速率25°C /min，工作真空度為5 X KT3Pa ;升溫時(shí)設(shè)置2個(gè)保溫平臺(tái)，400°C保溫10min，800°C保溫IOmin ;冷卻時(shí)，以60°C/min的速度降溫至500°C,保溫2h,再隨爐冷卻至室溫,最后取出焊件。
[0039]獲得的純鎢與鉻鋯銅合金的對(duì)接焊接，焊縫成形良好，焊件無變形，經(jīng)過金相和掃描電鏡未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。
[0040]實(shí)施例2
[0041]鎢與鉻鋯銅合金對(duì)接接頭的真空釬焊，鎢W-TiC，尺寸30mmX 30mm，厚度為8mm ;鉻錯(cuò)銅合金尺寸為30mmX 30mm,厚度為20mm。釬焊工藝步驟為:
[0042](I)純鎢和鉻鋯銅合金的焊接表面預(yù)處理:將W-TiC和鉻鋯銅合金放入丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，熱風(fēng)烘干；利用320號(hào)、600號(hào)、800號(hào)和1200號(hào)砂紙打磨打磨焊接表面；然后去離子水、酒精超聲波清洗，最后脫水干燥。
[0043](2)薄帶銅基釬料清洗:將厚度150 μ m的Cu 71%-Mn 26%-Ti 3% (化學(xué)成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù))薄帶釬料丙酮超聲波清洗IOmin ;然后利用1000目砂紙打磨，去掉表面氧化層；再酒精超聲波清洗，烘干待用。
[0044](3)將預(yù)處理的銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和鉻鋯銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配，垂直施加0.05MPa的壓力；
[0045](4)將上述裝配好的鎢/銅基釬料/鉻鋯銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接；焊接工藝參數(shù):釬焊溫度為950°C，保溫時(shí)間20min，加熱速率20°C /min，工作真空度為5 X KT3Pa ;升溫時(shí)設(shè)置2個(gè)保溫平臺(tái)，400°C保溫15min，800°C保溫15min ;冷卻時(shí)，以60°C/min的速度降溫至480°C,保溫2.5h,再隨爐冷卻至室溫,最后取出焊件。
[0046]獲得的純鎢與鉻鋯銅合金的對(duì)接焊接，焊縫成形良好，焊件無變形，經(jīng)過金相和掃描電鏡未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。
[0047]實(shí)施例3
[0048]鎢與鉻鋯銅合金對(duì)接接頭的真空釬焊，鎢為W_l%La203 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金，尺寸40mmX 40mm,厚度為IOmm ;鉻錯(cuò)銅合金尺寸為40mmX 40mm,厚度為30mm。釬焊工藝步驟為:
[0049](I)純鎢和鉻鋯銅合金的焊接表面預(yù)處理:將W-l%La203合金和鉻鋯銅合金放入丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，熱風(fēng)烘干；利用320號(hào)、600號(hào)、800號(hào)和1200號(hào)砂紙打磨打磨焊接表面；配比為65%硝酸:40%氫氟酸=4:1的溶液清洗鎢表面5分鐘；20%稀硝酸溶液清洗銅合金表面10分鐘；然后超聲波去離子水、酒精清洗，最后脫水干燥。
[0050](2)薄帶銅基釬料清洗:將厚度200 μ m的Cu 75%-Mn 24%-Ti 1% (化學(xué)成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù))薄帶釬料丙酮超聲波lOmin，然后利用1000目砂紙打磨，去掉表面氧化層，再酒精超聲波清洗，烘干待用。
[0051](3)將預(yù)處理的銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和鉻鋯銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配，垂直施加0.1MPa的壓力；
[0052](4)將上述裝配好的鎢/銅基釬料/鉻鋯銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接；焊接工藝參數(shù):釬焊溫度為970°C，保溫時(shí)間lOmin，加熱速率15°C /min，工作真空度為IXlO-3Pa ;升溫時(shí)設(shè)置2個(gè)保溫平臺(tái)，400°C保溫10min，800°C保溫IOmin ;冷卻時(shí)，以60°C/min的速度降溫至480°C,保溫3h,再隨爐冷卻至室溫,最后取出焊件。
[0053]獲得的純鎢與鉻鋯銅合金的對(duì)接焊接，焊縫成形良好，焊件無變形，經(jīng)過金相和掃描電鏡未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。
【權(quán)利要求】
1.一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，可用于聚變裝置高熱負(fù)荷部件，其特征在于:包括以下步驟: (O確定釬焊連接材料和釬料: 釬焊連接材料為選自純鎢、W-La2O3或W-TiC的鎢塊和含有0.6^0.8wt.%Cr,0.07~0.15wt.%Zr的銅合金； 釬焊材料為Cu含量70~75wt.%，Mn含量25~29wt.%，Ti含量1~3wt.%，Cu、Mn、Ti的含量之和為1OOwt.%的薄帶銅基釬料； (2)預(yù)處理焊接表面: 將鎢塊和鉻鋯銅合金塊放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗，砂紙打磨焊接表面，酸洗去掉表面氧化膜，再超聲波酒精清洗，去除焊接表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，最后脫水干燥； (3)清洗薄帶銅基釬料: 砂紙打磨薄帶銅基釬料表面，丙酮、酒精超聲波清洗，烘干待用； (4)裝配: 對(duì)接方式進(jìn)行連接，將銅基釬料置于預(yù)處理過的鎢和銅合金待焊表面之間，然后利用夾具進(jìn)行裝配垂直施加0.01~0.1MPa的壓力； (5)焊接: 將步驟(4)中裝配好的鎢塊+薄帶銅基釬料+鉻銅合金焊件放入真空釬焊設(shè)備中進(jìn)行焊接:釬焊設(shè)備工作真空度優(yōu)于5X10_3Pa，先以15~25°C /min的升溫速率升溫至釬焊溫度為900~970°C，升溫過程中設(shè)置兩個(gè)保溫平臺(tái)，4000C時(shí)保溫l0~l5min，800°C時(shí)保溫l0~l5min ;然后保溫l0~30min ;再進(jìn)行冷卻，先以60°C /min的速度降溫至480~500°C，保溫2^3h,再隨爐冷卻至室溫，完成焊接，取出焊件。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，其特征在于:步驟(2)中，鎢塊與鉻銅合金的表面酸洗過程為:用80wt.%硝酸+20wt.%氫氟酸溶液清洗鎢表面3~6分鐘；用20wt.%硝酸溶液清洗銅合金表面5~10分鐘。
3.如權(quán)利要求1所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，其特征在于:步驟(1)中，薄帶銅基釬料為厚度為80-200 μ m的薄片。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，其特征在于:步驟(1)中，所述鶴塊尺寸為20mmX20mm~40mmX40mm,厚度為5mm~l0mm ;所述鉻銅合金塊尺寸為20mmX 20mm ~40mmX 40mm,厚度為1Omm~30mm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鎢銅復(fù)合塊真空釬焊連接工藝，其特征在于:步驟(2)中，依次利用320目、600目、800目和1200目砂紙打磨焊接表面；步驟(3)中，用1000目砂紙打磨薄帶銅基釬料表面。
【文檔編號(hào)】B23K1/20GK103658904SQ201210321547
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月4日
【發(fā)明者】劉翔, 練友運(yùn) 申請(qǐng)人:核工業(yè)西南物理研究院