一种高强度铜-钢对接接头用焊丝及制备方法与流程

1.本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，本发明还涉及该焊丝的制备方法。


背景技术：

2.异种材料的连接一直以来受到广泛关注。一方面是由于异种材料的连接难度较大，比如钛-钢、铝-钢的连接，易生成脆性相，铜-钢、镍-钢的连接，焊缝易生成热裂纹。另一方面，异种材料之间的连接可以实现同种材料无法实现的功能，比如本发明中的铜-钢之间的对接连接，可以获得优异导热、导电性能的接头，而且成本又低。
3.铜-钢之间的连接在工程实际中广泛出现，但是由于铜和钢之间的相互固溶度低，两者热物理性能差异大等问题，导致其对接连接接头成型较差，并且接头中经常出现气孔、裂纹等缺陷，严重影响了铜-钢异种连接接头的生产制备。
4.本发明通过开发一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，旨在解决其对接连接时出现的开裂问题，本发明还开发对接连接时的焊接方法，从而进一步减少焊缝开裂，降低焊接残余应力。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，解决铜和钢异种材料连接时接头开裂问题。
6.本发明的另一个目的是提供一种高强度铜-钢对接接头用焊丝的制备方法。
7.本发明的第三个目的是提供采用所开发的焊丝焊接铜-钢对接接头时的焊接方法。
8.本发明所采用的技术方案是，一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：mo粉50～60％，cr粉10～20％，nb粉5～10％，ag粉5～10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
9.本发明的特点还在于：
10.ni粉的纯度≥99.9％，mo粉的纯度≥99.9％，cr粉的纯度≥99.9％，nb粉的纯度≥99.9％，ag粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是200目。
11.焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
12.该药芯焊丝的填充率控制在25～30％。
13.本发明所采用的第二个技术方案是，一种高强度铜-钢对接接头用焊丝的制备方法，具体步骤如下：
14.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉50～60％，cr粉10～20％，nb粉5～10％，ag粉5～10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
15.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～220℃，保温时间为1～3h，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1～2h；
16.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
17.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
18.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。
19.本发明所采用的第三个技术方案是，一种铜-钢对接接头的焊接方法，具体步骤如下(如图1所示)：
20.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.0～1.5mm；
21.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为30
±5°
，铜侧不开坡口；
22.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。
23.本发明的有益效果是，
24.(1)本发明药芯焊丝直径比较小，丝径为1.2mm的药芯焊丝适用广泛，该药芯焊丝既可用于tig焊，又可用于mig焊；
25.(2)本发明焊丝，通过纯镍带包裹药粉，其熔覆效率较一般的实心焊丝高，熔池流动性好，焊后焊缝成形美观。
26.(3)本发明药芯焊丝的主要元素是ni，mo，cr，nb和ag。焊丝以ni元素为主，ni与fe、ni与cu之间均不发生脆性相，并且ni和fe之间固溶度较高，ni与cu无限固溶。镍基合金与铜和钢之间均可以焊接结合，但是假如以纯镍为主，则焊缝的强度和韧性得不到保障，并且镍基合金的流动性差，焊缝成形差。因此在镍基合金中添加了mo，cr，nb和ag这些合金元素，这些合金元素通过固溶、形成弥散强化相等方式，提高镍基焊缝的强度和韧性，并保证焊缝优异的流动性。
27.(4)本发明采用先在铜侧堆焊镍基焊丝，然后对钢开坡口，再进行铜和钢的焊接，这种焊接方式有效隔绝了cu元素进入钢侧焊缝中，从而避免开裂。
28.(5)本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。
附图说明
29.图1铜-铜对接接头坡口形式及焊接顺序示意图；
30.图2为实施案例2制备的药芯焊丝，在进行铜-钢对接接头焊接时，焊缝的显微组织。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
32.本发明一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：mo粉50～60％，cr粉10～20％，nb粉5～10％，ag粉5～10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。药芯焊丝的填充量控制在25％～30％。焊皮为纯镍
带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
33.该药芯焊丝中各组分的作用、功能作用如下：
34.(1)ni作为药芯焊丝的主要合金元素，ni-fe二元相图可知，两者之间可以无限固溶，形成奥氏体组织；ni-cu二元相图可知，两者也是可以无限固溶。此外，ni的热物理性能介于fe和cu之间，以ni为主要元素，正好可以降低铜-钢异种接头的残余应力。
35.(2)本发明焊丝中加入了一定量的mo元素。根据mo-ni二元相图可知，mo在ni中的固溶度较高，室温下最高固溶15wt.％(本发明中的添加量少于15％)，mo固溶于ni基体中可以提高其强度。根据mo-fe二元相图可知，虽然mo在fe中的固溶度有限，但是即使超过固溶度后生成脆性相，也是呈现弥散分布与镍基焊缝中，并不会恶化性能，反而会提高镍基焊缝的强度。根据mo-cu二元相图可知，两种不会生成脆性相。mo的加入可以提高镍基焊缝的流动性。
36.(3)本发明中加入了一定量的cr元素。根据cr-fe二元相图可知，fe中可以无限固溶cr而形成奥氏体组织，固溶的cr可以提高与fe侧的结合强度；根据cr-ni二元相图可知，两者也是无限固溶，cr的固溶可以提高镍基焊缝的强度，并提高其抗高温氧化能力；根据cr-cu二元相图可知，cr与cu之间不形成脆性相。
37.(4)本发明中加入了一定量的nb元素。nb与fe之间会生成脆性相，但是少量的nb可以固溶与fe晶格中，提高其强度。nb-ni二元相图可知，两者有生成脆性相的可能，但是本发明中添加的含量处于其固溶度范围内，反而可以提高镍基焊缝的强度；nb在cu之间不会相互反应生成脆性相，nb的加入可以起到调节镍基焊缝成形的目的。
38.(5)本发明中加入了少了的ag元素。ag的加入主要是提高镍基焊缝的流动性，降低其熔点，从而降低铜与镍焊丝焊接时的熔点差异，保证焊缝结合强度和焊缝成形。
39.上述一种高强度铜-钢对接接头用焊丝的制备方法，具体步骤如下：
40.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉50～60％，cr粉10～20％，nb粉5～10％，ag粉5～10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
41.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～220℃，保温时间为1～3h，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1～2h；
42.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
43.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
44.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。
45.采用上述一种高强度铜-钢对接接头用焊丝进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下(如图1所示)：
46.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.0～1.5mm；
47.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为30
±5°
，铜侧不开坡口；
48.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电
流为180～200a。
49.实施例1
50.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉50％，cr粉10％，nb粉5％，ag粉5％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
51.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200℃，保温时间为1h，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1h；
52.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
53.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
54.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。
55.用实施例1制备的铜-钢对接连接用焊接材料进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下(如图1所示)：
56.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.0mm；
57.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为35
°
，铜侧不开坡口；
58.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。
59.经测试，铜-钢对接接头无裂纹和气孔缺陷，接头力学性能为：抗拉强度235mpa，断在铜侧母材，断后延伸率34％。
60.实施例2
61.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉60％，cr粉20％，nb粉10％，ag粉10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
62.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为220℃，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；
63.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
64.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
65.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。
66.用实施例2制备的铜-钢对接连接用焊接材料进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下(如图1所示)：
67.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.5mm；
68.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为25
°
，铜侧不开坡口；
69.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。
70.经测试，铜-钢对接接头无裂纹和气孔缺陷，接头力学性能为：抗拉强度271mpa，断在铜侧母材，断后延伸率30％。
71.图2为采用实施案例2的焊丝焊接的铜-钢对接接头的显微组织，从图中可以看出，组织分布均匀，无缺陷，以柱状树枝晶为主。
72.实施例3
73.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉55％，cr粉15％，nb粉7％，ag粉7％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
74.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为210℃，保温时间为2h，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1.5h；
75.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
76.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
77.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。
78.用实施例3制备的铜-钢对接连接用焊接材料进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下(如图1所示)：
79.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.2mm；
80.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为25
°
，铜侧不开坡口；
81.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。
82.经测试，铜-钢对接接头无裂纹和气孔缺陷，接头力学性能为：抗拉强度250mpa，断在铜侧母材，断后延伸率37％。
83.实施例4
84.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉52％，cr粉12％，nb粉6％，ag粉6％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
85.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为201℃，保温时间为1.3h，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1.2h；
86.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
87.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
88.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。
89.用实施例4制备的铜-钢对接连接用焊接材料进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下(如图1所示)：
90.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.4mm；
91.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为35
°
，铜侧不开坡口；
92.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。
93.经测试，铜-钢对接接头无裂纹和气孔缺陷，接头力学性能为：抗拉强度264mpa，断在铜侧母材，断后延伸率35％。
94.实施例5
95.步骤1：按质量百分比分别称取mo粉51％，cr粉11％，nb粉9％，ag粉9％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
96.步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为211℃，保温时间为1.9h，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1.9h；
97.步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
98.步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
99.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。
100.用实施例5制备的铜-钢对接连接用焊接材料进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下(如图1所示)：
101.(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.1mm；
102.(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为35
°
，铜侧不开坡口；
103.(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。
104.经测试，铜-钢对接接头无裂纹和气孔缺陷，接头力学性能为：抗拉强度239mpa，断在铜侧母材，断后延伸率39％。

技术特征：
1.一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：mo粉50～60％，cr粉10～20％，nb粉5～10％，ag粉5～10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。2.根据权利要求1所述的一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，其特征在于，ni粉的纯度≥99.9％，mo粉的纯度≥99.9％，nb粉的纯度≥99.9％，cr粉的纯度≥99.9％，ag粉的纯度≥99.9％，5种金属粉的粒度都是200目。3.根据权利要求1所述的一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，其特征在于，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm。4.根据权利要求1所述的一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，其特征在于，药芯焊丝的填充量控制在25～30％。5.一种高强度铜-钢对接接头用焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：按质量百分比分别称取mo粉50～60％，cr粉10～20％，nb粉5～10％，ag粉5～10％，剩余为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。步骤2：将步骤1称取的ni粉、mo粉，cr粉，nb粉和ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～220℃，保温时间为1～3h，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1～2h；步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；步骤4：第一道工序拉拔完毕后，依次减小磨具孔径拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；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。6.采用如权利要求1和5的一种高强度铜-钢对接接头用焊丝进行铜-钢对接焊接，具体步骤如下：(1)首选，采用本发明的焊丝在铜侧进行焊接，得到有堆焊层的铜侧，焊接电流为180～200a，铜侧堆焊层的厚度为1.0～1.5mm；(2)接着，钢侧开k型坡口，坡口角度为30
±5°
，铜侧不开坡口；(3)最后，采用本发明焊丝进行开有坡口的钢和有堆焊层的铜的对接焊接，焊接电流为180～200a。

技术总结
本发明公开了一种高强度铜-钢对接接头用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Mo粉50～60％，Cr粉10～20％，Nb粉5～10％，Ag粉5～10％，剩余为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法为：将Mo粉、Ni粉、Nb粉、Cr粉和Ag粉混合后烘干，然后纯镍带包裹，拉拔即得本发明的药芯焊丝所得焊接接头具有优良的强韧性；本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。产。产。


技术研发人员：赵相雨 邱海涛 陈云 黄绍秋
受保护的技术使用者：江苏古田自动化股份有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/9/14