本發(fā)明涉及一種材料焊(連)接技術，特別涉及一種不銹鋼與可伐合金異種金屬擴散焊方法，屬于特種材料連接領域。
背景技術：
：微型金屬杜瓦裝置為紅外焦平面探測器的低溫工作環(huán)境提供良好的電、機、熱、光傳輸通道，是紅外焦平面探測器封裝和保護的關鍵裝置。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題，不同金屬材料在物理與化學性能上的差異(如膨脹系數(shù)、比熱容、熱導率、熔點、化學成分等的差異)會導致在接頭處存在殘余內應力和雜質元素聚集等，會出現(xiàn)低溫循環(huán)后冷漏，以及焊接接頭力學性能較低的問題，難以獲得較高質量的焊接接頭。不銹鋼因具有塑性韌性好、焊接性能良好、突出的機械性能和耐腐蝕性等優(yōu)點，常被應用于工業(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，在封裝領域應用較為廣泛。將不銹鋼與可伐合金連接形成復合構件，在航空航天、石油化工、機械電子、交通運輸?shù)阮I域的機械設備和機件中有廣泛的應用。擴散焊是指在高溫和一定壓力下，兩表面通過接觸面發(fā)生蠕變和擴散作用，使結合面孔隙閉合而實現(xiàn)連接的一種焊接方式。其具有近凈成形的特點，適合于異種金屬間的焊接。文獻“Characterizationofdissimilarjointsinlaserweldingofsteel-Kovar,copper-steelandcopper-aluminum,MaiTA,SpowageAC.MaterialsScienceandEngineeringA,2004(374):224-333”公開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力等缺陷。文獻“ExperimentalinvestigationondissimilarpulsedNd:YAGlaserweldingofAISI420stainlesssteeltoKovaralloy,S.H.Baghjari,S.A.A.AkbariMousavi.MaterialsandDesign,2014(57):128-134”公開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力較大以及S、P雜質元素聚集導致焊縫形成焊接裂紋。中國發(fā)明專利申請CN104722890B公開了一種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異種鋼母材進行預熱；將經(jīng)預熱后的所述T91/T92和HR3C異種鋼母材進行多層焊接，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異種鋼焊接接頭進行焊后熱處理。該焊接方法實現(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力以及工藝參數(shù)較多的缺點。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術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散焊方法。針對常用的氬弧焊、激光焊工藝的局限性，提供異種金屬擴散焊接方法，利用過渡金屬層擴散連接異種金屬，使得現(xiàn)有技術中難以焊接的不銹鋼和可伐合金之間的連接關系變得更加的致密。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：一種不銹鋼與可伐合金異種金屬擴散焊方法，具體步驟如下：(1)、試樣表面清理：對待焊表面(包括不銹鋼和可伐合金的表面)進行打磨，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，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對中性，通過上壓頭對待焊試樣施加預壓力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的速率對真空熱壓爐進行升溫，將爐溫升至一定溫度后，加壓，保溫保壓一定時間進行擴散焊接；保溫結束后，卸壓，先緩冷，然后隨爐冷卻。本發(fā)明異種金屬擴散焊接方法，將鎳箔片作為中間層，表面經(jīng)過處理后置于不銹鋼與可伐合金之間進行擴散焊接。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，可達到化學性能與物理性能的優(yōu)良過渡，阻止雜質元素聚集，最終實現(xiàn)不銹鋼與可伐合金間的高強連接。通過控制擴散焊保溫溫度和保溫時間，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元素聚集，得到不銹鋼與可伐合金的復合構件。采用擴散焊進行焊接，鎳箔作為中間過渡層。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，可達到化學性能與物理性能的優(yōu)良過渡，通過控制擴散焊溫度和時間，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元素聚集。通過本發(fā)明的焊接方法顯著地提高了不銹鋼與可伐合金復合構件的抗拉伸性能，同時具有焊縫致密度高、塑性好、無氣孔及裂紋、工藝簡單、高效等優(yōu)點。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，是簡寫。進一步，步驟(1)中，所述鎳箔的純度大于98wt％，選用鎳箔作為中間層/過渡層可以更好的實現(xiàn)對于不銹鋼和可伐合金的焊接，因為鎳箔的主要成分是高純度的鎳，鎳作為不銹鋼和可伐合金中都含有的金屬元素，同時兼具良好的延展性，作為中間層時其焊接效果更好，更優(yōu)選情況下，鎳箔純度大于99.9wt％。進一步，步驟(1)中，鎳箔(即鎳中間層，過渡層)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元素聚集，更優(yōu)選鎳箔厚度為65～80μm。進一步，步驟(3)中，保溫溫度為850～950℃，壓力為30～35MPa，保溫保壓時間為2～4h。優(yōu)選，保溫保壓時間為2～3h。當保溫溫度從850℃提高到900℃后，保溫保壓時間為2～3h時即可實現(xiàn)界面孔隙充分閉合，形成一定厚度的固溶帶，得到高強度的不銹鋼與可伐合金復合構件。優(yōu)選的，擴散焊保溫溫度900～950℃。進一步，步驟(3)中，保溫結束后，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，緩冷結束溫度為400～600℃。冷卻過程中，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導致的熱應力。但是，當爐溫降低到600℃后，爐內降溫速率緩慢，可直接采取爐冷。優(yōu)選的，緩冷結束溫度為500～600℃。與現(xiàn)有技術相比，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合構件的抗拉伸性能，同時具有焊縫致密度高、塑性好、無氣孔及裂紋等優(yōu)點。(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，可達到化學性能與物理性能的優(yōu)良過渡，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合構件的抗拉伸性能，同時具有焊縫致密度高、塑性好、無氣孔及裂紋等優(yōu)點。(4)、本發(fā)明方法工藝簡單、高效，能夠方便的應用于不銹鋼和可伐合金之間的焊接中，具有低成本、高品質的優(yōu)良特性，具有廣泛的應用前景。附圖說明：圖1為本發(fā)明的不銹鋼與可伐合金工件擴散焊所用的裝卡結構示意圖。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的兩塊熱電偶，可以根據(jù)實際需要調整)。圖2為實施例2和對比例2組織成分圖，其中(a)和(b)分別為擴散焊截面金相顯微組織圖，其中左側是不銹鋼，右側為可伐合金。圖3為實施例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。具體實施方式下面結合試驗例及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本
發(fā)明內容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實施例中涉及的不銹鋼和可伐合金由中國科學院上海技術物理所提供，鎳箔購于北京中金研新材料科技有限公司。實施例1對316L不銹鋼和4J29可伐合金待焊表面進行打磨，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械裝置進行壓制。在壓制的過程中，需保持試樣與壓頭間良好的軸向對中性，通過上壓頭對待焊試樣施加預壓力18MPa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至3×10-1Pa；以10℃/min的速率對真空熱壓爐進行升溫，將爐溫升至850℃后，加壓至34.66MPa，保溫保壓2h進行擴散焊接；保溫結束后，卸壓，先緩冷，緩冷速率為5℃/min，緩冷結束溫度為600℃；然后隨爐冷卻，得到不銹鋼與可伐合金的復合構件。實施例2對316L不銹鋼和4J29可伐合金待焊表面進行打磨，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對中性，通過上壓頭對待焊試樣施加預壓力20MPa，卸壓；真空熱壓爐抽真空至2～5×10-1Pa；以10℃/min的速率對真空熱壓爐進行升溫，將爐溫升至900℃后，加壓至34.66MPa，保溫保壓3h進行擴散焊接；保溫結束后，卸壓，先緩冷，緩冷速率為5℃/min，緩冷結束溫度為600℃；然后隨爐冷卻，得到不銹鋼與可伐合金的復合構件。對比例1采用與實施例1相同的焊接步驟進行，所不同的是，擴散焊保溫溫度為900℃。對比例2采用與實施例1相同的焊接步驟進行，所不同的是，擴散焊保溫溫度為950℃。對比例3采用與實施例2相同的焊接步驟進行，所不同的是，擴散焊保溫時間為4h。通過對擴散焊接所得樣品進行力學性能測試，其抗拉強度、伸長率、斷裂位置結果如表1所示。由表1結果可知對比例2、對比例3和實施例2的抗拉強度及伸長率明顯要優(yōu)于實施例1及對比例1。但是，對比例3相對于實施例2，擴散焊保溫時間由3h提高到4h并沒有對焊接接頭性能起到明顯的增強作用。從節(jié)約能源、提高效率的角度考慮，保溫時間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。鎳箔可以實現(xiàn)化學性能與物理性能的優(yōu)良過渡，阻止雜質元素聚集，最終實現(xiàn)不銹鋼與可伐合金間490.62～501.84MPa的高強連接。表1316L不銹鋼/Ni/4J29可伐合金不同實施例及對比例下力學性能圖2(a)-(b)為實施例2和對比例2擴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，固溶區(qū)顯示的不是很明顯，通過圖3的線掃面可以發(fā)現(xiàn)鎳箔與4J29可伐合金側固溶帶寬度在也在10μm左右。固溶帶的形成保障了界面處的良好結合，使界面同時具有焊縫致密度高、塑性好、無氣孔及裂紋等優(yōu)點。圖4為拉伸試樣斷裂圖，圖4中a對應的為實施例1和對比例1中焊接界面處斷裂的情況。圖4中b-d為其它實施例和對比例的拉伸斷裂圖，可以看出采用本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)復合構件優(yōu)良的塑性，有利于提高構件服役過程中的安全性，同時490.62MPa～501.84MPa的高強度能夠更好的滿足使用性能的要求。對比例4采用與實施例2相同的工藝進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對中性，施加預壓力20MPa，卸壓。真空熱壓爐抽真空至2～5×10-1Pa。以10℃/min，的速率對真空熱壓爐進行升溫，將爐溫升至900℃后，加壓至34.66MPa，保溫保壓3h進行擴散焊接；保溫結束后，卸壓，先緩冷，緩冷速率為5℃/min、10℃/min及直接爐冷，緩冷結束溫度為600℃；然后隨爐冷卻，得到不銹鋼與可伐合金的復合構件。本實施例在升溫過程中控制升溫速率為設置兩個較大的升溫速率作為比較例進行研究，結果如下。表2不銹鋼/可伐合金焊接部件力學性能試樣抗拉強度(MPa)伸長率(％)斷裂位置實施例2(5℃/min)501.8438.754J29對比例4(10℃/min)410.2125.45界面/4J29對比例4(直接爐冷)229.2611.42焊接界面由表2記載的情況，可知當采用本發(fā)明的不銹鋼和可伐合金的焊接方案進行焊接連接的時候，焊接冷卻速率對于焊接件的力學性能有較大的影響，主要體現(xiàn)在焊接構件的抗拉強度和斷裂伸長率上。而且通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)，由于界面處線膨脹系數(shù)的差異，保溫結束后直接爐冷使界面處形成較大的焊接殘余應力，不利于結合處的結構致密性。同時，顯著地削弱了焊接構件的抗拉強度及焊接構件的塑性。當以5℃/min降溫速率冷卻到600℃時，焊接構件的力學性能較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)。實施例3采用與實施例2相同的工藝進行不銹鋼和可伐合金的焊接，所不同的是，采取多個不同的厚度的鎳箔，選用的鎳箔厚度有40、80、100、130μm，比較鎳箔厚度對于不銹鋼和可伐合金之間擴散焊接的影響，結果如下。表3不銹鋼/可伐合金焊接部件力學性能試樣抗拉強度(MPa)伸長率(％)斷裂位置實施例2(70μm)501.8438.754J29實施例3(40μm)371.0112.36焊接界面實施例3(80μm)485.5437.444J29實施例3(100μm)450.6826.25界面/4J29實施例3(130μm)251.2713.37焊接界面由表3記載的情況，可知當采用本發(fā)明的不銹鋼和可伐合金的焊接方案進行焊接連接的時候，鎳箔的厚度選擇對于焊接件的力學性能有較大的影響。鎳箔厚度較薄時，經(jīng)擴散焊接后無剩余鎳箔存在，不利于界面處焊接應力釋放，無法阻止雜質元素聚集，從而削弱焊接強度。當鎳箔厚度超過100μm后，剩余過多的未經(jīng)過固溶強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)。連接處的結構穩(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。當前第1頁1 2 3