本發(fā)明涉及一種材料焊(連)接技術(shù)，特別涉及一種不銹鋼與可伐合金異種金屬擴(kuò)散焊方法，屬于特種材料連接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：微型金屬杜瓦裝置為紅外焦平面探測(cè)器的低溫工作環(huán)境提供良好的電、機(jī)、熱、光傳輸通道，是紅外焦平面探測(cè)器封裝和保護(hù)的關(guān)鍵裝置。不銹鋼和可伐合金是杜瓦裝置主要使用的材料。但是，針對(duì)杜瓦材料所使用的可伐合金和不銹鋼異種金屬之間的焊接卻存在較多的問(wèn)題，不同金屬材料在物理與化學(xué)性能上的差異(如膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)、化學(xué)成分等的差異)會(huì)導(dǎo)致在接頭處存在殘余內(nèi)應(yīng)力和雜質(zhì)元素聚集等，會(huì)出現(xiàn)低溫循環(huán)后冷漏，以及焊接接頭力學(xué)性能較低的問(wèn)題，難以獲得較高質(zhì)量的焊接接頭。不銹鋼因具有塑性韌性好、焊接性能良好、突出的機(jī)械性能和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于工業(yè)制造；可伐合金具有低溫定膨脹，與Si、Ge、硬玻璃等材料熱匹配性能好等優(yōu)點(diǎn)，在封裝領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。將不銹鋼與可伐合金連接形成復(fù)合構(gòu)件，在航空航天、石油化工、機(jī)械電子、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備和機(jī)件中有廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)散焊是指在高溫和一定壓力下，兩表面通過(guò)接觸面發(fā)生蠕變和擴(kuò)散作用，使結(jié)合面孔隙閉合而實(shí)現(xiàn)連接的一種焊接方式。其具有近凈成形的特點(diǎn)，適合于異種金屬間的焊接。文獻(xiàn)“Characterizationofdissimilarjointsinlaserweldingofsteel-Kovar,copper-steelandcopper-aluminum,MaiTA,SpowageAC.MaterialsScienceandEngineeringA,2004(374):224-333”公開(kāi)了一種工具鋼與可伐合金激光焊的方法，該方法所得焊接接頭存在氣孔和較大焊接殘余應(yīng)力等缺陷。文獻(xiàn)“ExperimentalinvestigationondissimilarpulsedNd:YAGlaserweldingofAISI420stainlesssteeltoKovaralloy,S.H.Baghjari,S.A.A.AkbariMousavi.MaterialsandDesign,2014(57):128-134”公開(kāi)了一種不銹鋼與可伐合金激光焊的方法，該方法所得焊接接頭由于殘余應(yīng)力較大以及S、P雜質(zhì)元素聚集導(dǎo)致焊縫形成焊接裂紋。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)CN104722890B公開(kāi)了一種T91/T92和HR3C異種鋼的焊接方法，該焊接方法包括以下步驟：將待焊接的T91/T92和HR3C異種鋼母材進(jìn)行預(yù)熱；將經(jīng)預(yù)熱后的所述T91/T92和HR3C異種鋼母材進(jìn)行多層焊接，所述多層焊接依次包括打底層焊接、填充層焊接和蓋面層焊接，且層間溫度為150-200℃；將經(jīng)焊接后得到的T91/T92和HR3C異種鋼焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理。該焊接方法實(shí)現(xiàn)了異種鋼的有效連接，但同樣存在步驟繁瑣，需多次焊接，容易形成較大的焊接殘余應(yīng)力以及工藝參數(shù)較多的缺點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不銹鋼和可伐合金焊接性能不佳的不足，提供一種不銹鋼與可伐合金異種金屬擴(kuò)散焊方法。針對(duì)常用的氬弧焊、激光焊工藝的局限性，提供異種金屬擴(kuò)散焊接方法，利用過(guò)渡金屬層擴(kuò)散連接異種金屬，使得現(xiàn)有技術(shù)中難以焊接的不銹鋼和可伐合金之間的連接關(guān)系變得更加的致密。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種不銹鋼與可伐合金異種金屬擴(kuò)散焊方法，具體步驟如下：(1)、試樣表面清理：對(duì)待焊表面(包括不銹鋼和可伐合金的表面)進(jìn)行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，將打磨后的試樣(即上述打磨好的材料，不銹鋼和可伐合金)和鎳箔放入丙酮中超聲清洗，優(yōu)選的超聲清洗10～15min。清洗完成后，用酒精擦拭待焊表面，吹干或晾干，最好是冷風(fēng)吹干，得到清理后的不銹鋼、可伐合金和鎳箔。(2)、試樣疊放：將步驟(1)所得表面清理后的不銹鋼、可伐合金和鎳箔交替疊放；放置時(shí)，鎳箔位于不銹鋼與可伐合金之間，優(yōu)選的，鎳箔面積大于試樣待焊面面積。最好是控制鎳箔面積略大于焊接面面積，節(jié)約材料用量。(3)、焊接：將疊放好的試樣置于真空熱壓爐上壓頭和下壓頭之間，保持試樣與壓頭間良好的軸向?qū)χ行?，通過(guò)上壓頭對(duì)待焊試樣施加預(yù)壓力15～30MPa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至(2～5)×10-1Pa；以5-20℃/min的速度升溫，最好是以10℃/min的速率對(duì)真空熱壓爐進(jìn)行升溫，將爐溫升至一定溫度后，加壓，保溫保壓一定時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散焊接；保溫結(jié)束后，卸壓，先緩冷，然后隨爐冷卻。本發(fā)明異種金屬擴(kuò)散焊接方法，將鎳箔片作為中間層，表面經(jīng)過(guò)處理后置于不銹鋼與可伐合金之間進(jìn)行擴(kuò)散焊接。鎳箔中間層是母材共有成分且熱膨脹系數(shù)介于母材之間，可達(dá)到化學(xué)性能與物理性能的優(yōu)良過(guò)渡，阻止雜質(zhì)元素聚集，最終實(shí)現(xiàn)不銹鋼與可伐合金間的高強(qiáng)連接。通過(guò)控制擴(kuò)散焊保溫溫度和保溫時(shí)間，使得鎳-不銹鋼界面和鎳-可伐合金界面形成一定厚度的固溶帶；剩余的金屬鎳阻止雜質(zhì)元素聚集，得到不銹鋼與可伐合金的復(fù)合構(gòu)件。采用擴(kuò)散焊進(jìn)行焊接，鎳箔作為中間過(guò)渡層。該焊接方法采用的中間層是母材共有成分且熱膨脹系數(shù)介于母材之間，可達(dá)到化學(xué)性能與物理性能的優(yōu)良過(guò)渡，通過(guò)控制擴(kuò)散焊溫度和時(shí)間，使得鎳-不銹鋼界面和鎳-可伐合金界面形成一定厚度的固溶帶(固溶層)；剩余的金屬鎳阻止雜質(zhì)元素聚集。通過(guò)本發(fā)明的焊接方法顯著地提高了不銹鋼與可伐合金復(fù)合構(gòu)件的抗拉伸性能，同時(shí)具有焊縫致密度高、塑性好、無(wú)氣孔及裂紋、工藝簡(jiǎn)單、高效等優(yōu)點(diǎn)。其中，步驟(3)真空熱壓爐抽真空至(2～5)×10-1Pa，是指抽真空至2×10-1Pa～5×10-1Pa，是簡(jiǎn)寫(xiě)。進(jìn)一步，步驟(1)中，所述鎳箔的純度大于98wt％，選用鎳箔作為中間層/過(guò)渡層可以更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)于不銹鋼和可伐合金的焊接，因?yàn)殒嚥闹饕煞质歉呒兌鹊逆?，鎳作為不銹鋼和可伐合金中都含有的金屬元素，同時(shí)兼具良好的延展性，作為中間層時(shí)其焊接效果更好，更優(yōu)選情況下，鎳箔純度大于99.9wt％。進(jìn)一步，步驟(1)中，鎳箔(即鎳中間層，過(guò)渡層)的厚度為40～130μm。該厚度下的鎳箔可以保障鎳-不銹鋼界面和鎳-可伐合金界面形成足夠厚度的固溶帶且剩余的金屬鎳可以阻止雜質(zhì)元素聚集，更優(yōu)選鎳箔厚度為65～80μm。進(jìn)一步，步驟(3)中，保溫溫度為850～950℃，壓力為30～35MPa，保溫保壓時(shí)間為2～4h。優(yōu)選，保溫保壓時(shí)間為2～3h。當(dāng)保溫溫度從850℃提高到900℃后，保溫保壓時(shí)間為2～3h時(shí)即可實(shí)現(xiàn)界面孔隙充分閉合，形成一定厚度的固溶帶，得到高強(qiáng)度的不銹鋼與可伐合金復(fù)合構(gòu)件。優(yōu)選的，擴(kuò)散焊保溫溫度900～950℃。進(jìn)一步，步驟(3)中，保溫結(jié)束后，緩冷速率為3-20℃/min，優(yōu)選控制緩冷降溫速率為3℃/min、5℃/min、8℃/min，緩冷結(jié)束溫度為400～600℃。冷卻過(guò)程中，不銹鋼與可伐合金膨脹系數(shù)不同，較慢的冷卻速度可以減小熱脹冷縮不均勻?qū)е碌臒釕?yīng)力。但是，當(dāng)爐溫降低到600℃后，爐內(nèi)降溫速率緩慢，可直接采取爐冷。優(yōu)選的，緩冷結(jié)束溫度為500～600℃。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：(1)、本發(fā)明的焊接方法顯著地提高了不銹鋼與可伐合金復(fù)合構(gòu)件的抗拉伸性能，同時(shí)具有焊縫致密度高、塑性好、無(wú)氣孔及裂紋等優(yōu)點(diǎn)。(2)、本發(fā)明的焊接方法中使用的鎳箔是不銹鋼與可伐合金共有成分，而且其熱膨脹系數(shù)介于母材(不銹鋼和可伐合金)之間，可達(dá)到化學(xué)性能與物理性能的優(yōu)良過(guò)渡，使得鎳-不銹鋼界面和鎳-可伐合金界面形成一定厚度的固溶帶；剩余的金屬鎳阻止雜質(zhì)元素聚集。(3)、本發(fā)明的焊接方法顯著地提高了不銹鋼與可伐合金復(fù)合構(gòu)件的抗拉伸性能，同時(shí)具有焊縫致密度高、塑性好、無(wú)氣孔及裂紋等優(yōu)點(diǎn)。(4)、本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單、高效，能夠方便的應(yīng)用于不銹鋼和可伐合金之間的焊接中，具有低成本、高品質(zhì)的優(yōu)良特性，具有廣泛的應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明：圖1為本發(fā)明的不銹鋼與可伐合金工件擴(kuò)散焊所用的裝卡結(jié)構(gòu)示意圖。其中1為上壓頭，2為不銹鋼，3為可伐合金，4為墊塊(包括上墊塊和下墊塊)，5為下壓頭，6為鎳箔(鎳中間層)，7為熱電偶(圖中包括了左右兩側(cè)的兩塊熱電偶，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整)。圖2為實(shí)施例2和對(duì)比例2組織成分圖，其中(a)和(b)分別為擴(kuò)散焊截面金相顯微組織圖，其中左側(cè)是不銹鋼，右側(cè)為可伐合金。圖3為實(shí)施例2中鎳與可伐合金界面線掃描圖。圖4為拉伸試樣斷裂形貌圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本
發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實(shí)施例中涉及的不銹鋼和可伐合金由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所提供，鎳箔購(gòu)于北京中金研新材料科技有限公司。實(shí)施例1對(duì)316L不銹鋼和4J29可伐合金待焊表面進(jìn)行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，將打磨后的試樣及80μm鎳箔放入丙酮中超聲清洗10min，用酒精擦拭待焊表面，晾干，得到清理后的不銹鋼、可伐合金和鎳箔。將表面清理后的不銹鋼、可伐合金和鎳箔按圖1疊放，使用圖1中所示的真空熱壓機(jī)械裝置進(jìn)行壓制。在壓制的過(guò)程中，需保持試樣與壓頭間良好的軸向?qū)χ行?，通過(guò)上壓頭對(duì)待焊試樣施加預(yù)壓力18MPa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至3×10-1Pa；以10℃/min的速率對(duì)真空熱壓爐進(jìn)行升溫，將爐溫升至850℃后，加壓至34.66MPa，保溫保壓2h進(jìn)行擴(kuò)散焊接；保溫結(jié)束后，卸壓，先緩冷，緩冷速率為5℃/min，緩冷結(jié)束溫度為600℃；然后隨爐冷卻，得到不銹鋼與可伐合金的復(fù)合構(gòu)件。實(shí)施例2對(duì)316L不銹鋼和4J29可伐合金待焊表面進(jìn)行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，將打磨后的試樣及70μm鎳箔放入丙酮中超聲清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷風(fēng)吹干，得到清理后的不銹鋼、可伐合金和鎳箔。將表面清理后的不銹鋼、可伐合金和鎳箔按圖1疊放(鎳箔夾在兩者之間)，需保持試樣與壓頭間良好的軸向?qū)χ行?，通過(guò)上壓頭對(duì)待焊試樣施加預(yù)壓力20MPa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至2～5×10-1Pa；以10℃/min的速率對(duì)真空熱壓爐進(jìn)行升溫，將爐溫升至900℃后，加壓至34.66MPa，保溫保壓3h進(jìn)行擴(kuò)散焊接；保溫結(jié)束后，卸壓，先緩冷，緩冷速率為5℃/min，緩冷結(jié)束溫度為600℃；然后隨爐冷卻，得到不銹鋼與可伐合金的復(fù)合構(gòu)件。對(duì)比例1采用與實(shí)施例1相同的焊接步驟進(jìn)行，所不同的是，擴(kuò)散焊保溫溫度為900℃。對(duì)比例2采用與實(shí)施例1相同的焊接步驟進(jìn)行，所不同的是，擴(kuò)散焊保溫溫度為950℃。對(duì)比例3采用與實(shí)施例2相同的焊接步驟進(jìn)行，所不同的是，擴(kuò)散焊保溫時(shí)間為4h。通過(guò)對(duì)擴(kuò)散焊接所得樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷裂位置結(jié)果如表1所示。由表1結(jié)果可知對(duì)比例2、對(duì)比例3和實(shí)施例2的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率明顯要優(yōu)于實(shí)施例1及對(duì)比例1。但是，對(duì)比例3相對(duì)于實(shí)施例2，擴(kuò)散焊保溫時(shí)間由3h提高到4h并沒(méi)有對(duì)焊接接頭性能起到明顯的增強(qiáng)作用。從節(jié)約能源、提高效率的角度考慮，保溫時(shí)間3h更合適。因此，想要得到性能優(yōu)異的316L不銹鋼與4J29可伐合金擴(kuò)散焊接接頭，900℃保溫3h和950℃保溫2h的焊接參數(shù)為最優(yōu)選。鎳箔可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)性能與物理性能的優(yōu)良過(guò)渡，阻止雜質(zhì)元素聚集，最終實(shí)現(xiàn)不銹鋼與可伐合金間490.62～501.84MPa的高強(qiáng)連接。表1316L不銹鋼/Ni/4J29可伐合金不同實(shí)施例及對(duì)比例下力學(xué)性能圖2(a)-(b)為實(shí)施例2和對(duì)比例2擴(kuò)散焊截面金相顯微組織圖，鎳箔與316L不銹鋼界面處的白色條帶為擴(kuò)散形成的固溶帶，該固溶區(qū)寬度大概在13-16μm之間。在鎳箔與4J29可伐合金側(cè)，固溶區(qū)顯示的不是很明顯，通過(guò)圖3的線掃面可以發(fā)現(xiàn)鎳箔與4J29可伐合金側(cè)固溶帶寬度在也在10μm左右。固溶帶的形成保障了界面處的良好結(jié)合，使界面同時(shí)具有焊縫致密度高、塑性好、無(wú)氣孔及裂紋等優(yōu)點(diǎn)。圖4為拉伸試樣斷裂圖，圖4中a對(duì)應(yīng)的為實(shí)施例1和對(duì)比例1中焊接界面處斷裂的情況。圖4中b-d為其它實(shí)施例和對(duì)比例的拉伸斷裂圖，可以看出采用本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合構(gòu)件優(yōu)良的塑性，有利于提高構(gòu)件服役過(guò)程中的安全性，同時(shí)490.62MPa～501.84MPa的高強(qiáng)度能夠更好的滿足使用性能的要求。對(duì)比例4采用與實(shí)施例2相同的工藝進(jìn)行不銹鋼和可伐合金的焊接。將待焊的316L不銹鋼和4J29可伐合金表面進(jìn)行打磨，使其粗糙度Ra≤2.0μm，將打磨后的試樣及70μm鎳箔放入丙酮中超聲清洗15min，用酒精擦拭待焊表面，冷風(fēng)吹干。然后，將不銹鋼、鎳箔和可伐合金依次疊加在一起，放置于真空熱壓爐上，注意控制好待壓試樣和壓頭之間的軸向?qū)χ行裕┘宇A(yù)壓力20MPa，卸壓。真空熱壓爐抽真空至2～5×10-1Pa。以10℃/min，的速率對(duì)真空熱壓爐進(jìn)行升溫，將爐溫升至900℃后，加壓至34.66MPa，保溫保壓3h進(jìn)行擴(kuò)散焊接；保溫結(jié)束后，卸壓，先緩冷，緩冷速率為5℃/min、10℃/min及直接爐冷，緩冷結(jié)束溫度為600℃；然后隨爐冷卻，得到不銹鋼與可伐合金的復(fù)合構(gòu)件。本實(shí)施例在升溫過(guò)程中控制升溫速率為設(shè)置兩個(gè)較大的升溫速率作為比較例進(jìn)行研究，結(jié)果如下。表2不銹鋼/可伐合金焊接部件力學(xué)性能試樣抗拉強(qiáng)度(MPa)伸長(zhǎng)率(％)斷裂位置實(shí)施例2(5℃/min)501.8438.754J29對(duì)比例4(10℃/min)410.2125.45界面/4J29對(duì)比例4(直接爐冷)229.2611.42焊接界面由表2記載的情況，可知當(dāng)采用本發(fā)明的不銹鋼和可伐合金的焊接方案進(jìn)行焊接連接的時(shí)候，焊接冷卻速率對(duì)于焊接件的力學(xué)性能有較大的影響，主要體現(xiàn)在焊接構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率上。而且通過(guò)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，由于界面處線膨脹系數(shù)的差異，保溫結(jié)束后直接爐冷使界面處形成較大的焊接殘余應(yīng)力，不利于結(jié)合處的結(jié)構(gòu)致密性。同時(shí)，顯著地削弱了焊接構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度及焊接構(gòu)件的塑性。當(dāng)以5℃/min降溫速率冷卻到600℃時(shí)，焊接構(gòu)件的力學(xué)性能較10℃/min降溫速率及直接爐冷有著明顯的提升。所以，以5℃/min降溫速率冷卻為優(yōu)選參數(shù)。實(shí)施例3采用與實(shí)施例2相同的工藝進(jìn)行不銹鋼和可伐合金的焊接，所不同的是，采取多個(gè)不同的厚度的鎳箔，選用的鎳箔厚度有40、80、100、130μm，比較鎳箔厚度對(duì)于不銹鋼和可伐合金之間擴(kuò)散焊接的影響，結(jié)果如下。表3不銹鋼/可伐合金焊接部件力學(xué)性能試樣抗拉強(qiáng)度(MPa)伸長(zhǎng)率(％)斷裂位置實(shí)施例2(70μm)501.8438.754J29實(shí)施例3(40μm)371.0112.36焊接界面實(shí)施例3(80μm)485.5437.444J29實(shí)施例3(100μm)450.6826.25界面/4J29實(shí)施例3(130μm)251.2713.37焊接界面由表3記載的情況，可知當(dāng)采用本發(fā)明的不銹鋼和可伐合金的焊接方案進(jìn)行焊接連接的時(shí)候，鎳箔的厚度選擇對(duì)于焊接件的力學(xué)性能有較大的影響。鎳箔厚度較薄時(shí)，經(jīng)擴(kuò)散焊接后無(wú)剩余鎳箔存在，不利于界面處焊接應(yīng)力釋放，無(wú)法阻止雜質(zhì)元素聚集，從而削弱焊接強(qiáng)度。當(dāng)鎳箔厚度超過(guò)100μm后，剩余過(guò)多的未經(jīng)過(guò)固溶強(qiáng)化的鎳箔成為界面薄弱區(qū)域，在外部載荷作用下首先發(fā)生斷裂。而且通過(guò)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，鎳箔的厚度直接影響到界面處的組織狀態(tài)。連接處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與鎳箔厚度之間有著顯著的聯(lián)系，優(yōu)選鎳箔厚度為65～80μm。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3