一种增强复合靶材寿命的焊接方法
阅读说明：本技术 一种增强复合靶材寿命的焊接方法 (Welding method for prolonging service life of composite target material ) 是由 童剑飞 朱凌波 史英丽 梁天骄 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种增强复合靶材寿命的焊接方法,在作为被焊物靶体外的铜层上通过阻焊材料焊上超薄钽、钒层；包括以下步骤：S1,原材料加工,采用线切割方式从纯钽或钒方棒切取试样,并在打磨抛光后清洗干燥,制得钽箔和钒箔后备用；S2,部件装配,在部件装配过程中,钽、钒箔片与铜块表面平面接触；S3,热等静压扩散焊接,采用电子束焊接包套,保持包套内部处于真空状态；S4,机械加工；S5,焊接质量检测,通过观察焊接界面是否有缺陷来进行焊接强度的评测,采用热等静压扩散焊接方法焊接,保证焊后钽箔无褶皱、不变形；采用阻焊材料阻止包套与钽片焊接,拆包套时钽箔表面不用加工,从而保证钽箔厚度满足技术要求,同时提高复合靶材产品的良率。(The invention provides a welding method for prolonging the service life of a composite target, which is characterized in that an ultra-thin tantalum layer and a vanadium layer are welded on a copper layer outside a target body serving as a welded object through a solder resist material; the method comprises the following steps: s1, processing raw materials, cutting a sample from a pure tantalum or vanadium square rod by adopting a linear cutting mode, polishing, cleaning and drying to obtain tantalum foil and vanadium foil for later use; s2, assembling the components, wherein in the process of assembling the components, the tantalum foil and the vanadium foil are in plane contact with the surface of the copper block; s3, performing hot isostatic pressure diffusion welding, and welding the sheath by adopting an electron beam to keep the interior of the sheath in a vacuum state; s4, machining; s5, detecting welding quality, evaluating welding strength by observing whether a welding interface has defects or not, and welding by adopting a hot isostatic pressing diffusion welding method to ensure that the tantalum foil after welding has no folds and deformation; and the welding of the sheath and the tantalum sheet is prevented by adopting a solder resist material, and the surface of the tantalum foil is not required to be processed when the sheath is detached, so that the thickness of the tantalum foil is ensured to meet the technical requirement, and the yield of the composite target product is improved.)
技术领域
本发明涉及一种材料复合的方法，尤指一种通过将异种金属与 靶体外层焊接复合，实现增强复合靶材寿命的焊接方法。
背景技术
基于加速器硼中子俘获治疗癌症(Accelerator-Based Boron Neutron CaptureTherapy,A-BNCT)装置，可安装于医院，其反 应原理为通过加速器将质子加速到一定能量后轰击靶体经整形后形 成超热中子，引出的超热中子照射富集10B的肿瘤细胞，发生俘获反应产生1.47MeVα粒子和高能锂粒子杀死癌细胞，已经在复发性 头颈癌、恶性脑胶质瘤、黑色素瘤、头颈部肿瘤产生了良好的治疗 效果。
BNCT靶体复合材料是硼中子俘获治疗仪的核心部件，其由铍和 无氧铜结合而成，主要用以产生中子。其中，铍在高能质子束流轰 击下产生中子，中子通量越高(即相应的热沉积也会随之提升)， 治疗时间越短，因此轰击过程中产生的大量热沉积需通过导热性能较好的无氧铜材料与循环水及时移除。为防止铍温度过高影响靶体 正常运行，需利用高速水流不断地对铜块进行对流换热以达到一定 的冷却效果。而在轰击靶材和铜块过程中，质子在靶材或者铜块中 聚集，易造成靶材发泡和鼓包进而减少靶体的使用寿命，降低靶体的中子产额，也延长了硼中子俘获治疗的时间。故需要在铜块表面 通过热等静压扩散焊接工艺实现钽或钒的连接，考虑到导热效果， 因尽可能保证钽层或者钒层的厚度较小即达到超薄层状态。最终通 过上述方法实现复合靶材的钒钽层与铜热等静压焊接，使得质子沉积在超薄钒、钽层中提高寿命靶材质子迁移能力和避免热迁移能力 降低，避免其他焊接方法引入焊料引起发泡，进而延长靶体的使用 寿命。
其中CN101733544A专利发明提供的钽、铜异种金属扩散的焊接 方法将被焊物放入一封闭容器内，通过容器中设置的抽气口使其内 部空间达到真空状态，之后再利用热等静压扩散焊接工艺实现金属 间的连接。但存在以下问题：
(1)上述封闭容器的形状需要根据被焊物实际尺寸进行相应调 整，进一步提高了工序复杂程度；
(2)考虑到实际加工过条件，上述抽气口难以保证封闭容器内 部达到高真空状态，从而影响扩散焊接质量；
(3)上述焊接方法中，被焊物与包套之间为直接接触，焊接完 成后易发生扩散粘连现象，造成焊接材料间结合紧密难以分开，只能 通过后续机械加工或酸处理等方法分开，这一般会对焊件造成结构性 的损伤或焊件完整性的破坏，难以达到焊接要求，并且难以做到材料 的有效回收利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强复合靶材寿命的焊接方法，旨在 解决现有技术中被焊物与包套之间为直接接触，焊接完成后易发生扩 散粘连现象，造成焊接材料间结合紧密难以分开的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增强复合靶 材寿命的焊接方法，其特征在于：所述的焊接方法是在作为被焊物 靶体外的铜层上通过阻焊材料焊上超薄钽、钒层。
2.根据权利要求1一种增强复合靶材寿命的焊接方法，其特征 在于：包括以下步骤：
S1，原材料加工，从纯钽或钒方棒切取试样，将无氧铜材料加 工至指定尺寸的铜块并作为被焊物，同时根据铜块尺寸制造对应的 金属包套；
S2，部件装配，将钽、钒和铜块装配到金属包套中，在装配过 程中，钽、钒箔片与铜块表面平面接触；
S3，热等静压扩散焊接，采用电子束焊接包套，保持包套内部 处于真空状态；
S4，机械加工，焊接后的包套放入热等静压设备进行控温式扩 散焊接；
S5，焊接质量检测，通过观察焊接界面是否有缺陷来进行焊接 强度的评测。
所述S1步骤中试样的切取厚度为0.5-1.5mm，并且钽箔和钒箔 的厚度加工至0.1-0.5mm。
所述S1步骤中的试样清洗采用的溶液为丙酮，清洗后用酒精喷 洒，最后干燥处理。
所述S2步骤中的装配过程中环境干净，无粉尘、油污等污染性 的物质进入到钽钒与铜的界面，焊接前进行除油、酸洗等，除去薄 层表面的杂质，氧化物、油污、其他杂质。
所述S2步骤中焊接时阻焊材料为放置在钒钽与包套焊之间的隔 片。
所述S4步骤中利用小尺刀多次车削的机械加工方法，去除包套 和余料，得到钽、钒与铜块焊接形成的复合靶材。
所述S5步骤中观察焊接界面采用的器械为低倍放大镜。
在S2步骤中为防止钒钽与包套焊接在一起采用阻焊材料将被焊 物与金属包套分离。
在S4步骤中热等静压工艺的温度控制在800-1200摄氏度。
为了使得人员可以直观的对焊接质量进行检测，作为本发明一 种优选的，所述S5步骤中观察焊接界面采用的器械为低倍放大镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用热等静压扩散焊接方法焊接，保证焊后钽箔无褶皱、不 变形；
2)采用阻焊材料阻止包套与钽片焊接，拆包套时钽箔表面不用 加工，从而保证钽箔厚度满足技术要求，同时提高复合靶材产品的 良率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部 分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的 限制。在附图中：
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的钽-铜界面结合放大图；
图3为本发明的钒-铜界面结合放大图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术 方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
请参阅图1-3，本发明提供以下技术方案：
一种增强复合靶材寿命的焊接方法，所述的焊接方法是在作为 被焊物靶体外的铜层上通过阻焊材料焊上超薄钽、钒层。
一种增强复合靶材寿命的焊接方法，包括以下步骤：
S1，原材料加工，采用线切割方式从纯钽或钒方棒切取试样， 并在打磨抛光后清洗干燥，制得钽箔和钒箔后备用，将无氧铜材料 加工至指定尺寸的铜块并作为被焊物，同时根据铜块尺寸制造对应 的金属包套；
S2，部件装配，在部件装配过程中，钽、钒箔片与铜块表面平 面接触，此外，为防止钒钽与包套焊接在一起采用阻焊材料将被焊 物与金属包套分离；
S3，热等静压扩散焊接，采用电子束焊接包套，保持包套内部 处于真空状态；
S4，机械加工，焊接后的包套放入热等静压设备进行控温式扩 散焊接，其中热等静压工艺的温度控制在800-1200摄氏度，最优的 方案是温度控制在摄氏900度；
S5，焊接质量检测，通过观察焊接界面是否有缺陷来进行焊接 强度的评测。
在本实施例中：S1步骤中试样的切取厚度为1mm，并且钽箔和 钒箔的厚度加工至0.03mm，S1步骤中的试样清洗采用的溶液为丙酮， 清洗后用酒精喷洒，最后干燥处理。
具体的，采用线切割从纯钽或钒方棒切取厚度1mm试样，采用 碳化硅砂纸打磨待焊接面至5000，之后在抛光机上采用1.5微米氧 化铝抛光膏进行抛光，抛光处理之后，将试样放入丙酮中进行超声 波清洗，去除表面油污、氧化物及其他杂质，取出后喷洒酒精，吹干备用，将钽箔、钒箔的厚度加工至0.03mm，且保证两者的平面度 较好。将无氧铜材料加工至指定尺寸的铜块并作为被焊物，同时根 据铜块尺寸制造对应的金属包套。
在本实施例中：S2步骤中的装配过程中环境干净，无粉尘、油 污等污染性的物质进入到钽钒与铜的界面，焊接前进行除油、酸洗 等，除去薄层表面的杂质，氧化物、油污、其他杂质，S2步骤中焊 接时阻焊材料为放置在钒钽与包套焊之间的隔片。
具体的，部件装配过程中，钽、钒箔片与铜块表面平面接触， 避免有间隙、起皱等影响贴合的现象。同时保证装配过程中环境干 净，无粉尘、油污等污染性的物质进入到钽钒与铜的界面，在焊接 前进行除油、酸洗等，除去薄层表面的杂质，氧化物、油污、其他 杂质，此外，为防止钒钽与包套焊接在一起采用隔片进行分离，避 免包套与焊接部件之间的扩散粘连现象，保证钽箔的厚度。
在本实施例中：S4步骤中利用小尺刀多次车削的机械加工方法， 去除包套和余料，得到钽、钒与铜块焊接形成的复合靶材。
具体的，机械加工是整个制造过程的关键环节，加工不当很容 易损坏钽层及钒层的表面，从而导致焊接失败。利用机械加工的方 法，去除包套和余料，得到钽、钒与铜块焊接形成的复合靶材，因 此在加工时采用小尺刀多次车削的方式进行，虽然加工速度较慢耗时较长，但能对钽、钒层起到保护作用。
在本实施例中：S5步骤中观察焊接界面采用的器械为低倍放大 镜。
具体的，作为扩散焊接件，焊合率和焊接强度是评价焊接质量 的两个关键指标。常规产品通过超声探伤和拉拔测试能够检测，然 而BNCT的钽钒-铜靶中钽层和钒层厚度太薄，只有0.03mm，远远超 过了超声波探伤的检测能力。其它方法如射线、磁粉也不行，厚度太薄射线很难识别，铜和钽钒均为无磁性材料。工业CT方法理论可 行，但费用太高，因此焊接面的焊合率目前没有有效的无损检测方 法，只能通过破坏性测试如金相检测手段进行布局质量的确认。焊 接强度一般方法采用万能拉力试验机进行拉伸测试，而由于钽层太薄，无法加工成可以夹持的工件，故常规拉伸方法不可行。拉拔法 可以用于检测层状复合材料，它是通过用胶将结合材料与拉伸实验 棒粘接在一起进行然后用万能实验机拉伸测试，为保证粘接质量粘 接前要先用吹砂机将材料表面打毛。由于钽层钒层太薄，吹砂时很容易造成损坏，故该方法也不适用。最终决定通过低倍放大镜观察 焊接界面是否有缺陷来进行焊接强度的评测是比较合适的。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并 不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说 明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记 载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。