一种异种金属的扩散焊接方法
阅读说明：本技术 一种异种金属的扩散焊接方法 (Diffusion welding method for dissimilar metals ) 是由 陈立甲 张树德 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及异种金属之间连接的技术领域,尤指一种异种金属的扩散焊接方法,主要是针对钨、铜异种材料的连接,主要的工艺方法为S1、选择材料,S2、材料预处理,S3、材料装模,S4、组合焊接,S5、焊接后处理,本发明突出的特点体现在不采用钎料或其他中间层,不采用热等静压等二次加热的情况下实现异种金属的扩散连接,形成钨与铜的有效连接；与熔敷+热压方案相比,这种连接方法工艺操作简单、成本低、连接效果好,为偏滤器使用的钨铜复合材料连接开辟新方法。(The invention relates to the technical field of connection between dissimilar metals, in particular to a diffusion welding method for dissimilar metals, which mainly aims at the connection of dissimilar materials of tungsten and copper, and has the main technical method of S1, material selection, S2, material pretreatment, S3, material die filling, S4, combined welding and S5 post-welding treatment, wherein the outstanding characteristics of the invention are that the diffusion connection of the dissimilar metals is realized under the conditions of not adopting brazing filler metal or other intermediate layers and not adopting secondary heating such as hot isostatic pressing and the like, so that the effective connection of the tungsten and the copper is formed; compared with the scheme of deposition and hot pressing, the connection method has the advantages of simple process operation, low cost and good connection effect, and opens up a new method for connecting tungsten-copper composite materials used for divertors.)
技术领域
本发明涉及异种金属之间连接的技术领域，尤指一种异种金属的扩散焊接方法。
背景技术
钨由于高熔点、优良的导热性能、低溅射产额和高自溅射阀值、以及低蒸气压和低的氚滞留性能等优点被广泛的认为是最有希望的核聚变装置面对等离子体材料。钨与热沉材料铜合金或结构材料连接制成面对等离子体部件，可以应用于聚变装置的第一壁和偏滤器位置。钨与铜熔点差异很大，不能直接通过冶金方法形成结合，因而不能通过传统的焊接方法进行连接。中国专利号为ZL200910021316.8，专利名称为一种钨铜连接方法的专利中提出一种钨铜的连接方法，首先在钨的表面加工出波形沟槽再熔敷一层铜层，然后在铜熔覆层上再焊接铜合金，最终得到钨与铜合金的间接连接，该专利局限性在于工艺繁琐，且要熔敷铜加热温度过高，能耗较大。中国专利号为ZL201410830058.9，专利名为一种钨铜模块的制备方法的专利中提出一种熔敷和热压相结合的方法将铜连接至钨的表面，该专利的局限在于热等静压的设备成本高昂，且受炉子尺寸及每次加热、冷却时间影响，产能效率不高。加之熔敷需要足够过量的铜原料才能满足后续去除材料的加工要求，导致面向聚变装置使用的钨铜复合片迟迟无法批量生产，成本居高不下。
发明内容
针对现有技术中异种金属之间连接技术不足，尤指钨铜之间的连接存在工艺复杂、设备成本高昂的问题，本发明旨在提供一种异种金属之间连接，尤指一种将铜焊接至钨表面，适合托卡马克聚变装置安装要求的钨铜复合材料焊接工艺的异种金属的扩散焊接方法。
本发明所采用的技术方案是：一种异种金属的扩散焊接方法，所述的异种金属为钨和铜。
一种异种金属的扩散焊接方法，所述的扩散焊接方法主要包括以下步骤：
S1、选择材料：选择合适微观组织及力学性能的钨、铜作为连接原材料；
S2、材料预处理：对钨和无氧铜表面进行预处理；
S3、材料装模：将钨、无氧铜装入工装定位模具中；
S4、组合焊接：将工装定位模具连同钨、铜组合件一起放入焊接设备进行焊接；
S5、焊接后处理：焊接完成后，将焊接后的钨铜件进行机械加工和表面精磨处理，达到后续安装使用要求。
所述的钨和无氧铜为片状或块状或条状或异形状。
所述钨原料为纯钨或钨合金，晶粒度优于5级，拉伸强度≥400MPa(1000℃)，基体内无超过当量的裂纹缺陷；所述铜原料为无氧纯铜或铜合金，氧含量≤0.003％，杂质总含量≤0.05％。
所述的步骤S2的材料预处理的包括：材料表面完好，无缺角、崩边、刮花等现象；钨和无氧铜焊接表面需精磨至表面Ra＝0.8～1.6，定位表面保证相互平行，平行度≈0.02；之后分别用酒精、丙酮超声清洗，及时吹干备用。
所述的工装定位模具采用石墨模具。
步骤S3、S4中将钨、无氧铜装入工装定位模具中时将铜放置于钨上面。
所述的工装定位模具内部可设置冷却系统。
所述的工装定位模具内部可设置有多个组装工位，可同时焊接加热多件组合件。
所述的步骤S5中焊接后处理为，将焊接后的钨铜连接件各表面加工平整，去掉表面缩孔、金属流动等缺陷，然后进行抛光到要求表面粗糙度Ra≈0.8，最后通过2～4h超声清洗、200℃真空加热处理1～3h去除表面残留油污。
本发明所采用的技术方案达到的有益效果是：本发明的一种异种金属的扩散焊接方法主要是针对钨铜异种材料的连接，本发明突出的特点体现在不采用钎料或其他中间层，不采用热等静压等二次加热的情况下实现异种金属的扩散连接，形成钨与铜的有效连接；与熔敷+热压方案相比，这种连接方法工艺操作简单、成本低、连接效果好，为偏滤器使用的钨铜复合材料连接开辟新方法；更具体的有益效果体现如下：首先，本发明焊接方法所需设备简单，具有生产成本低，操作简便，工艺参数容易控制，效率高等优点，适于批量生产；其次，在非氧化气氛(真空)下进行加热防止钨、铜表面被氧化，保证钨铜界面结合良好；最后，使用本发明焊接方法将铜焊接在钨上之后，还可以进一步机械加工，获得所需形状和尺寸的钨铜复合片；该方法降低了钨铜焊接的难度，提高了后续加工的灵活性，能够应用于批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例中钨片和铜片在石墨模具中安装方式。
图2是本发明实施例中钨铜组合体焊后宏观图。
图3是本发明实施例中焊后超声无损检测结果。
图4是本发明实施例中焊后钨铜界面微观结构。
图5是本发明实施例中焊接后钨铜界面剪切破坏力学检测结果。
附图标注说明：1-加热电极，2-工装定位模具，3-铜片，4-钨片，5-压力模块。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步详细描述。
如图1-4所示，一种异种金属的扩散焊接方法，所述的异种金属为钨和铜，钨和铜为片状或块状或条状或异形状或其他需要的形状。
一种异种金属的扩散焊接方法，所述的扩散焊接方法主要包括以下步骤：
S1、选择材料：选择合适微观组织及力学性能的钨、铜作为连接原材料，选择材料时，要使得材料符合以下要求，即所述钨原料的参数为：拉伸强度≥400MPa(1000℃)，晶粒度优于5级，钨基体内无超过当量的裂纹缺陷；所述铜原料的参数为：氧含量≤0.003％，杂质总含量≤0.05％。
S2、材料预处理：对钨和铜表面进行预处理；所述的预处理包括以下操作内容，材料表面完好，无缺角、崩边、刮花等现象；钨和铜焊接表面需精磨至表面Ra＝0.8～1.6，定位表面保证相互平行，平行度≈0.02；之后分别用酒精、丙酮超声清洗，及时吹干备用。
S3、材料装模：将钨、铜装入工装定位模具中；所述的工装定位模具优选导热性较好、强度较高的石墨模具；为了加快冷却速率，所述的工装定位模具内部可设置冷却系统；为了提高生产效率，根据钨铜待焊待连接的形状和尺寸，在工装定位模具内部可设置有多个组装工位，将钨铜组合在一起形成可同时焊接加热多件组合件；在装膜时，将钨、铜装入工装定位模具中时将铜放置于钨上面。
S4、组合焊接：将工装定位模具连同钨、铜组合件一起放入焊接设备进行焊接；焊接时真空度优于3×10-3Pa，加热速率10～30℃/min，温度为600～1000℃，保温10～30分钟，连接压力3～30Mpa；焊接工艺加热保温时间结束后，卸载压力，焊件随炉冷却，或利用冷却系统快速冷却，真空室温度降至100℃以下时，即可开炉取出钨铜焊件，然后进行焊接后处理。
S5、焊接后处理：焊接完成后，将焊接后的钨铜件进行机械加工和表面精磨处理，达到后续安装使用要求；焊接后处理为，将焊接后的钨铜连接件各表面加工平整，去掉表面缩孔、金属流动等缺陷，然后进行抛光到要求表面粗糙度Ra≈0.8，最后通过2～4h超声清洗、200℃真空加热处理1～3h去除表面残留油污。
实施例：对工业纯钨片与无氧铜片的连接。
如图1-5所示，S1、选择材料：钨片尺寸为45mm×12mm，无氧铜片尺寸为45mm×12mm，钨片厚度为2～12mm，铜片厚度为1～5mm。
S2、材料预处理：将钨片、铜片表面要连接的部分在磨床上精磨至粗糙度为0.8，并依次用5％盐酸浸泡30s，流动自来水冲刷40s，再用去离子水冲洗20s，再用酒精或丙酮超声清洗10min，热风吹干备用；
S3、材料装模：在装膜时，将钨片、无氧铜片装入工装定位模具中时将无氧铜放置于钨上面，形成组合体。
S4、组合焊接：焊接时真空度为3×10-3Pa，加热速率10～30℃/min，温度为600～1000℃，保温10～30分钟，连接压力3～30Mpa。加热保温时间结束后，卸载压力，焊件随炉冷却，或利用冷却系统快速冷却，真空室温度降至100℃以下时，即可开炉取出钨铜焊件。
S5、焊接后处理：焊后按照图纸尺寸要求进行加工后处理。由于铜比较软，钨比较硬，其形成的界面在较大机械冲击力作用下，可能会对接头产生不利影响，因此采用小进刀量和较细砂纸进行磨削加工，加工后的外观如图2所示。
完成焊接后，焊后性能检测，包括无损测试和破坏性测试：
无损测试：由于扩散焊接为固相焊接，即原材料不熔化的方式，因此与常规熔化焊接产生的缺陷有所不同，除少数体积型缺陷外，如夹杂，金属间化合物等，大多数焊接缺陷为面积型缺陷，如未焊合，裂纹等，因此采用C扫描超声检测的方式进行接头无损检测，其检测结果如图3所示，未发现检测当量超过1mm的缺陷，即焊合率100％。
破坏性测试：金相分析及力学性能试验测试。焊后对钨铜片焊接接头进行金相及剪切试验，金相观察整个焊接界面的焊合情况良好，如图4和图5所示。通过性能检测，可以确定的是使用扩散焊的方法，可以直接将纯钨和无氧铜焊接在一起，随机抽取5个样品对焊接面进行剪切破坏性测试，剪切强度值介于133～168MPa，平均值达到152.4MPa，满足托卡马克聚变装置的偏滤器的安装要求。
本发明技术方案的原理是，焊接过程中利用加压模块5对焊件实施加压，利用加热电极1对焊件实施加热，在加压和加热作用下使焊接表面的氧化膜破碎，微观凸起部分发生塑性变形使焊接材料紧密接触的面积不断增大。由于塑性变形引起的晶格畸变、位错等缺陷大量出现，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分活跃，接触界面开始发生移动，持续一段时间便可形成焊接接头。本发明的扩散焊接连接方法通过控制温度、压力、加热速率和真空度等因素来实现有效连接，其中温度和压力尤为关键，对焊接质量影响较大。D＝D0exp(-Q/RT)，其中D为扩散系数，T为温度，从扩散系数与温度之间的关系可以看出，加热温度的微小变化都会引起扩散速率的显著变化，温度越高扩散系数越大，扩散越快；但温度超过一定范围后，在压力作用下金属的整体流动性太好，以发生宏观额塑性变形，且局部温度过高还会造成焊接接头组织粗化力学性能降低。压力过小不足以使材料发生大面积塑性变形完成紧密接触，而压力过大焊件整体形状尺寸可能会发生变化，对焊件质量产生不利影响。
综上所述，本发明焊接方法所需设备简单，具有生产成本低，操作简便，工艺参数容易控制，效率高等优点，适于批量生产；其次，在非氧化气氛(真空)下进行加热防止钨、铜表面被氧化，保证钨铜界面结合良好；最后，使用本发明焊接方法将铜焊接在钨上之后，还可以进一步机械加工，获得所需形状和尺寸的钨铜复合片；该方法降低了钨铜焊接的难度，提高了后续加工的灵活性，能够应用于批量生产。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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漏的技术范围内，可轻易想到变化或替代，都应涵盖在本发明保护的范围之内。
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