阅读说明：本技术 铜磷焊环及其制备方法和应用 (Copper-phosphorus welding ring and preparation method and application thereof ) 是由 董显 张冠星 张雷 董宏伟 常云峰 薛行雁 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及金属钎焊材料技术领域,尤其是涉及一种铜磷焊环及其制备方法。铜磷焊环,包括焊环本体和设置于所述焊环本体的一侧端面或两侧端面的反应层；所述焊环本体包括铜磷钎料和钎剂；所述反应层包括硫酸铜。本发明的预成形铜磷焊环,在焊环本体一侧或两侧的端面设置有硫酸铜反应层,基于接触反应,在加热过程中,硫酸铜先与钢基体发生反应,在其表面生成一层铜,有效阻止铜磷钎料中的P与Fe元素反应生产脆性化合物,从而提高钎缝连接强度。(The invention relates to the technical field of metal brazing materials, in particular to a copper-phosphorus welding ring and a preparation method thereof. The copper-phosphorus welding ring comprises a welding ring body and reaction layers arranged on one side end face or two side end faces of the welding ring body; the welding ring body comprises copper-phosphorus brazing filler metal and brazing flux; the reaction layer includes copper sulfate. According to the preformed copper-phosphorus welding ring, the copper sulfate reaction layer is arranged on the end face of one side or two sides of the welding ring body, copper sulfate firstly reacts with the steel matrix in the heating process based on contact reaction, a layer of copper is generated on the surface of the copper sulfate, P in the copper-phosphorus brazing filler metal is effectively prevented from reacting with Fe to produce a brittle compound, and therefore the brazing seam connection strength is improved.)

铜磷焊环及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及金属钎焊材料技术领域，尤其是涉及一种铜磷焊环及其制备方法和应用。

背景技术

目前钎焊碳钢管主要采用的是银基钎料，其银含量一般在25％以上，由于钎料回收难度较大，高银钎料不仅大量消耗银资源，同时成本较高。为降低成本，有必要开发低银或无银钎料替代高银钎料。铜磷钎料是一种应用广泛的铜基钎料，具有不亚于常用银钎料的强度和耐热性，但在钎焊过程中铜磷钎料中的P元素会和母材中的Fe反应，在界面处形成一层脆性化合物，导致钢铜无法形成有效的连接，限制了铜磷钎料的使用范围。

申请号为201710998882.9的发明专利申请提供了一种磁场诱导焊接方法，对含有磁性金属粉末的复合钎料加热使其熔化，复合钎料中的磁性金属粉末在定向磁场作用下，沿着定向磁场方向排布，与钢基体形成搭接或咬合的微观结构，减弱钎料中的P元素与钢基体中的Fe的反应，但该工艺需要附加磁场，工艺流程相对较为复杂。

现有技术中报道了一种表面覆盖低熔点银合金层的新型铜磷焊片，采用该焊片与普通铜磷钎料钎焊45碳钢接头性能进行了对比，结果表明，银合金润湿先导钎焊的铜磷/碳钢界面化合物层厚度明显减小，抗剪强度超过160MPa，断裂发生在靠近连接界面的钎焊材料内部，接头韧性显著改善，但该方法需要表面镀覆低熔点银合金，钎料成本相应增加(基于银合金先导润湿的铜磷钎料钎焊钢，龙伟民、董博文、张青科、何鹏、薛鹏，焊接学报，2017,38(1))。

因此，需要研究开发一种经济、便捷、低成本的钎焊材料。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供铜磷焊环，以解决现有技术中存在的钢钎缝强度及成本无法将兼顾的技术问题。

本发明的第二目的在于提供铜磷焊环的制备方法，该制备方法操作简单，重复性好。

本发明的第三目的在于提供铜磷焊环在钢-铜、钢-钢管状金属钎焊领域中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

铜磷焊环，包括焊环本体和设置于所述焊环本体的一侧端面或两侧端面的反应层；

所述焊环本体包括铜磷钎料和钎剂；所述反应层包括硫酸铜。

本发明的预成形铜磷焊环，在焊环本体一侧或两侧的端面设置有硫酸铜反应层，基于接触反应，在加热过程中，硫酸铜先与钢基体发生反应，在其表面生成一层铜，有效阻止铜磷钎料中的P与Fe元素反应生产脆性化合物，从而提高钎缝连接强度。

在实际操作中，反应层设置在一侧端面或两侧端面的情况可根据实际应用场景进行选择。如铜磷焊环只需一端与钢管状金属钎焊，则可只在一侧端面设置反应层；如铜磷焊环两端均与钢管状金属钎焊，则优选在两侧端面设置反应层。

具体的，所述反应层的端截面与焊环本体的端截面对应贴合。进一步的，所述反应层的端截面尺寸大于或等于所述焊环本体的端截面尺寸；优选的，所述反应层的端截面尺寸等于所述焊环本体的端截面尺寸。

在本发明的

具体实施方式

中，所述焊环本体为圆环结构。在本发明的具体实施方式中，所述反应层的厚度为1mm～2mm。

在本发明的具体实施方式中，所述焊环本体与所述反应层的质量比为(4～20)﹕1，优选为(5～15)﹕1。

可根据实际需求调整质量比，以调整在焊环本体端面的反应层的厚度。如在不同实施方式中，所述焊环本体与所述反应层的质量比可以为4﹕1、5﹕1、6﹕1、7﹕1、8﹕1、9﹕1、10﹕1、11﹕1、12﹕1、13﹕1、14﹕1、15﹕1、16﹕1、17﹕1、18﹕1、19﹕1、20﹕1等等。

在本发明的具体实施方式中，所述焊环本体中，铜磷钎料和钎剂的质量比为(4～8)﹕1，优选为(4.5～8)﹕1。

如在不同实施方式中，所述焊环本体中，铜磷钎料和钎剂的质量比可以为4﹕1、4.5﹕1、5﹕1、5.5﹕1、6﹕1、6.5﹕1、7﹕1、7.5﹕1、8﹕1等等。

在本发明的具体实施方式中，所述铜磷钎料包括按质量百分比计的如下组分：磷5％～8％、银0％～20％、铜余量。

在本发明的具体实施方式中，所述钎剂包括按质量百分比计的如下组分：氟硼酸钾30％～70％、硼酐5％～20％、硼砂5％～60％和氟氢化钾5％～20％。

在本发明的优选实施方式中，所述铜磷焊环中，以质量百分数计，包括铜磷钎料70％～80％、钎剂10％～15％和硫酸铜5％～20％。

如在不同实施方式中，铜磷钎料的用量可以为70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％等等；钎剂的用量可以为10％、11％、12％、13％、14％、15％等等；硫酸铜的用量可以为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％等等。

在本发明的具体实施方式中，所述铜磷钎料、所述钎剂和所述硫酸铜均为粉状。进一步的，所述铜磷钎料、所述钎剂和所述硫酸铜的粒径为100目以细。其中，100目以细是指粒径为100目或细于100目。

在本发明的具体实施方式中，所述硫酸铜为无水硫酸铜。

本发明还提供了上述任意一种所述铜磷焊环的制备方法，包括如下步骤：

在铜磷焊环的模具中分别装入所述铜磷钎料和所述钎剂的混合物以及所述硫酸铜，压制成型。

本发明在室温条件下压制即可得到预成形的铜磷焊环，制备工艺成熟，操作便捷，稳定性好，且制备工艺成本较低。

在本发明的具体实施方式中，当焊环本体的一侧端面设置有反应层时，其制备方法包括：

在铜磷焊环的模具中先装入铜磷钎料和钎剂的混合物，然后装入硫酸铜，压制成型；或者，在铜磷焊环的模具中先装入硫酸铜，然后装入铜磷钎料和钎剂的混合物，压制成型。

在本发明的具体实施方式中，当焊环本体的两侧端面均设置有反应层时，其制备方法包括：

在铜磷焊环的模具中先装入1/3～1/2量的硫酸铜，然后装入铜磷钎料和钎剂的混合物，再装入余量的硫酸铜，压制成型。

其中，根据焊环的规格选择符合尺寸要求的冷压模具即可。

在本发明的具体实施方式中，所述铜磷钎料的制备方法包括：采用雾化法按组分配比制备铜磷钎料，然后过100目筛网。

在本发明的具体实施方式中，所述钎剂的制备方法包括：采用机械混合法按组分配比制备钎剂，然后过100目筛网。

在本发明的具体实施方式中，预先将所述硫酸铜过100目筛网处理。

在本发明的具体实施方式中，所述混合物的混合方式包括：将铜磷钎料和钎剂按比例置于混料机中混合60～90min，如90min。

本发明还提供了上述任意一种所述铜磷焊环在钢-铜或钢-钢管状金属钎焊中的应用。

本发明的铜磷焊环在用于上述钎焊领域中，能够极大的提高钎缝连接强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明在焊环本体一侧或两侧的端面设置有硫酸铜反应层，基于接触反应，在加热过程中，硫酸铜先与钢基体发生反应，在其表面生成一层铜，有效阻止铜磷钎料中的P与Fe元素反应生产脆性化合物，从而提高钎缝连接强度；

(2)本发明的铜磷焊环制备工艺成熟，操作便捷，稳定性好，且制备工艺成本较低；

(3)本发明的铜磷焊环可用于钢-铜或钢-钢管状金属的钎焊，能够极大的提高钎缝连接强度，拓宽铜磷钎料的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的铜磷焊环的结构示意图；其中，(a)为(b)的A-A方向的剖面图；

图2为本发明另一实施例提供的铜磷焊环的结构示意图；其中，(a)为(b)的B-B方向的剖面图；

图3为本发明实施例提供的铜磷焊环焊接后钎缝界面微观组织结构图。

附图标记：

1-第一反应层； 2，4-焊环本体； 3-第二反应层；

5-反应层。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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装置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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的铜磷焊环的结构示意图；图1中，(a)为(b)的A-A方向的剖面图。如图1所示，本实施例提供的铜磷焊环，包括焊环本体2和设置于所述焊环本体2的两侧端面的反应层。所述反应层分别为第一反应层1和第二反应层3。所述焊环本体2包括铜磷钎料和钎剂；所述第一反应层1和所述第二反应层3均包括硫酸铜。

具体的，所述第一反应层1和第二反应层3的端截面与所述焊环本体2的端截面对应贴合。

进一步的，所述焊环本体2为圆环结构。所述第一反应层1和所述第二反应层3为与所述圆环结构相对应的环形结构层。所述焊环本体2的内径、外径、壁厚、高度等均可根据实际应用场景需求进行调整。

如在具体实施方式中，所述焊环本体2的内径可以为6mm～30mm，外径可以为12mm～40mm，壁厚可以为2mm～5mm，高度可以为5mm～10mm。

所述焊环本体2的质量与所述第一反应层1和所述第二反应层3的质量和之比为(4～20)﹕1，优选为(5～15)﹕1。

可根据实际需求调整质量比，以调整在焊环本体2端面的反应层的厚度。如在不同实施方式中，所述焊环本体2的质量与所述第一反应层1和所述第二反应层3的质量和之比可以为4﹕1、5﹕1、6﹕1、7﹕1、8﹕1、9﹕1、10﹕1、11﹕1、12﹕1、13﹕1、14﹕1、15﹕1、16﹕1、17﹕1、18﹕1、19﹕1、20﹕1等等。

在本发明的具体实施方式中，所述焊环本体2中，铜磷钎料和钎剂的质量比为(4～8)﹕1，优选为(4.5～8)﹕1。所述铜磷钎料包括按质量百分比计的如下组分：磷5％～8％、银0％～20％、铜余量。所述钎剂包括按质量百分比计的如下组分：氟硼酸钾30％～70％、硼酐5％～20％、硼砂5％～60％和氟氢化钾5％～20％。

在本发明的优选实施方式中，所述铜磷焊环中，以质量百分数计，包括铜磷钎料70％～80％、钎剂10％～15％和硫酸铜5％～20％。

图2为本发明另一实施例提供的铜磷焊环的结构示意图；图2中，(a)为(b)的B-B方向的剖面图。如图2所示，本实施例提供的铜磷焊环，包括焊环本体4和设置于所述焊环本体4的一侧端面的反应层5。所述焊环本体4包括铜磷钎料和钎剂；所述反应层5包括硫酸铜。

具体的，所述反应层5的端截面与所述焊环本体4的端截面对应贴合。

进一步的，所述焊环本体4为圆环结构。所述反应层5为与所述圆环结构相对应的环形结构层。所述焊环本体4的内径、外径、壁厚、高度等均可根据实际应用场景需求进行调整。

如在具体实施方式中，所述焊环本体4的内径可以为6mm～30mm，外径可以为12mm～40mm，壁厚可以为2mm～5mm，高度可以为5mm～10mm。

所述焊环本体4的质量与所述反应层5的质量之比为(4～20)﹕1，优选为(5～15)﹕1。

可根据实际需求调整质量比，以调整在焊环本体4端面的反应层5的厚度。如在不同实施方式中，所述焊环本体4的质量与所述反应层5的质量之比可以为4﹕1、5﹕1、6﹕1、7﹕1、8﹕1、9﹕1、10﹕1、11﹕1、12﹕1、13﹕1、14﹕1、15﹕1、16﹕1、17﹕1、18﹕1、19﹕1、20﹕1等等。

在本发明的具体实施方式中，所述焊环本体4中，铜磷钎料和钎剂的质量比为(4～8)﹕1，优选为(4.5～8)﹕1。所述铜磷钎料包括按质量百分比计的如下组分：磷5％～8％、银0％～20％、铜余量。所述钎剂包括按质量百分比计的如下组分：氟硼酸钾30％～70％、硼酐5％～20％、硼砂5％～60％和氟氢化钾5％～20％。

在本发明的优选实施方式中，所述铜磷焊环中，以质量百分数计，包括铜磷钎料70％～80％、钎剂10％～15％和硫酸铜5％～20％。

实施例1

本实施例提供了铜磷焊环及其制备方法，所述铜磷焊环的结构如图1所示，所述铜磷焊环中，按重量份数计，包括铜磷钎料70份、钎剂10份和无水硫酸铜20份。

上述铜磷焊环的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用雾化法按如下配比制备粉状铜磷钎料，将得到的铜磷钎料过100目筛网，得到物料A；其中，铜磷钎料包括按质量百分比计的铜88％、磷7％、银5％；

(2)采用机械混合法按如下配比制备粉状钎剂，将得到的粉状钎剂过100目筛网，得到物料B；其中，钎剂包括按质量百分比计的氟硼酸钾50％、硼酐15％、硼砂20％和氟氢化钾15％；

(3)将粉状无水硫酸铜过100目筛网，得到物料C；

(4)取70重量份步骤(1)得到的物料A和10重量份步骤(2)得到的物料B，置于V型混料机中混合90min，得到物料D；

(5)按照焊环的规格选择符合尺寸要求的冷压模具，取10重量份的步骤(3)得到的物料C通过装粉靴先装入模具型腔内，保持物料在模具型腔中的平整性，然后加入80重量份的步骤(4)得到的物料D，再加入10重量份的步骤(3)得到的物料C，然后于室温下常规压制，得到三层结构的预成形铜磷焊环。

实施例2

本实施例提供了铜磷焊环及其制备方法，所述铜磷焊环的结构如图2所示，所述铜磷焊环中，按重量份数计，包括铜磷钎料80份、钎剂15份和无水硫酸铜5份。

上述铜磷焊环的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用雾化法按如下配比制备粉状铜磷钎料，将得到的铜磷钎料过100目筛网，得到物料A；其中，铜磷钎料包括按质量百分比计的铜88％、磷7％、银5％；

(2)采用机械混合法按如下配比制备粉状钎剂，将得到的粉状钎剂过100目筛网，得到物料B；其中，钎剂包括按质量百分比计的氟硼酸钾50％、硼酐15％、硼砂20％和氟氢化钾15％；

(3)将粉状无水硫酸铜过100目筛网，得到物料C；

(4)取80重量份步骤(1)得到的物料A和15重量份步骤(2)得到的物料B，置于V型混料机中混合90min，得到物料D；

(5)按照焊环的规格选择符合尺寸要求的冷压模具，取5重量份的步骤(3)得到的物料C通过装粉靴先装入模具型腔内，保持物料在模具型腔中的平整性，然后加入95重量份的步骤(4)得到的物料D，然后于室温下常规压制，得到双层结构的预成形铜磷焊环。

实施例3

本实施例提供了铜磷焊环及其制备方法，所述铜磷焊环的结构如图1所示，所述铜磷焊环中，按重量份数计，包括铜磷钎料75份、钎剂12份和无水硫酸铜13份。

上述铜磷焊环的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用雾化法按如下配比制备粉状铜磷钎料，将得到的铜磷钎料过100目筛网，得到物料A；其中，铜磷钎料包括按质量百分比计的铜88％、磷7％、银5％；

(2)采用机械混合法按如下配比制备粉状钎剂，将得到的粉状钎剂过100目筛网，得到物料B；其中，钎剂包括按质量百分比计的氟硼酸钾50％、硼酐15％、硼砂20％和氟氢化钾15％；

(3)将粉状无水硫酸铜过100目筛网，得到物料C；

(4)取75重量份步骤(1)得到的物料A和12重量份步骤(2)得到的物料B，置于V型混料机中混合90min，得到物料D；

(5)按照焊环的规格选择符合尺寸要求的冷压模具，取6.5重量份的步骤(3)得到的物料C通过装粉靴先装入模具型腔内，保持物料在模具型腔中的平整性，然后加入87重量份的步骤(4)得到的物料D，再加入6.5重量份的步骤(3)得到的物料C，然后于室温下常规压制，得到三层结构的预成形铜磷焊环。

实施例4

本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：

步骤(1)中，铜磷钎料包括按质量百分比计的铜80％、磷5％、银15％。

实施例5

本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：

步骤(2)中，钎剂包括按质量百分比计的氟硼酸钾65％、硼酐10％、硼砂15％和氟氢化钾10％。

实施例6

本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：

所述铜磷焊环中，按重量份数计，包括铜磷钎料78.75份、钎剂11.25份和无水硫酸铜10份。

比较例1

比较例1参考实施例1的制备方法，区别在于：其结构中不包括反应层。比较例1的铜磷焊环中，按重量份数计，包括铜磷钎料70份和钎剂10份。

上述铜磷焊环的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用雾化法按如下配比制备粉状铜磷钎料，将得到的铜磷钎料过100目筛网，得到物料A；其中，铜磷钎料包括按质量百分比计的铜88％、磷7％、银5％；

(2)采用机械混合法按如下配比制备粉状钎剂，将得到的粉状钎剂过100目筛网，得到物料B；其中，钎剂包括按质量百分比计的氟硼酸钾50％、硼酐15％、硼砂20％和氟氢化钾15％；

(3)取70重量份步骤(1)得到的物料A和10重量份步骤(2)得到的物料B，置于V型混料机中混合90min，得到物料D；

(4)按照焊环的规格选择符合尺寸要求的冷压模具，取80重量份的步骤(3)得到的物料D通过装粉靴装入模具型腔内，保持物料在模具型腔中的平整性，然后于室温下常规压制，得到单层结构的铜磷焊环。

实验例1

为了对比说明不同铜磷焊环用于钢-钢管状金属钎焊领域中，对钎缝连接强度的影响，将不同实施例和比较例制备得到的铜磷焊环用于钢-钢管状金属钎焊，具体的，采用相同规格的模具及冷压条件，使实施例1-6和比较例1的铜磷焊环的内径外径相一致，内径为6mm，外径为12mm，两侧钢管材质为45号钢，钎焊条件为火焰钎焊，对钎焊后的钎缝连接强度进行测试，测试结果见表1。

表1不同铜磷焊环用于钎焊后的钎缝连接强度测试结果

如图3所示，其为本发明实施例1的铜磷焊环用于钢-钢管状金属钎焊后，形成的钎缝界面的微观组织结构图。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。