一種鎢/銅的電子束釬焊快速連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種鎢銅的連接方法，具體涉及一種采用銅基箔帶為釬料，應(yīng)用真空電子束釬焊技術(shù)進(jìn)行鎢與銅合金的快速連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面向等離子體部件在聚變裝置內(nèi)將直接面對(duì)高溫等離子體，所處位置包括聚變裝置的第一壁和偏濾器，因此涉及高熱負(fù)荷性能、濺射腐蝕、雜質(zhì)控制、氫同位素及氦的滯留與再循環(huán)、中子輻照效應(yīng)等重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的托卡馬克裝置主要基于短脈沖等離子體和兩次放電之間緩慢除熱的概念設(shè)計(jì)的，這就允許簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)解決方案，不需要面向等離子體材料與熱沉材料緊固互聯(lián)。而長(zhǎng)脈沖的裝置，就需要等離子體放電過(guò)程中的主動(dòng)除熱，從而避免材料出現(xiàn)過(guò)熱，因而需要面對(duì)等離子體材料和熱沉之間的緊密配合。大型的聚變實(shí)驗(yàn)堆，如ITER和未來(lái)的聚變商用示范堆DEM0，由于非常高的壁負(fù)載，要求第一壁和偏濾器部件(通常采用模塊結(jié)構(gòu)以方便維護(hù))有優(yōu)良的熱祛除能力和模塊在聚變環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性，這樣必須發(fā)展具有主動(dòng)冷卻的面向等離子體部件。
[0003]由于鎢和鎢合金被認(rèn)為是未來(lái)最有希望的面對(duì)等離子體材料，CuCrZr合金具有優(yōu)良的高溫性能而被認(rèn)為是目前最佳的熱沉材料，發(fā)展帶主動(dòng)水冷結(jié)構(gòu)的具有冶金結(jié)合的W/CuCrZr部件技術(shù)，可以應(yīng)用于聚變裝置的第一壁和偏濾器位置。W/CuCrZr的連接技術(shù)包括釬焊、爆炸焊、熱壓焊、熱等靜壓焊和涂層技術(shù)等等多種連接方法。真空釬焊技術(shù)工藝簡(jiǎn)單并且可以大大降低成本，是目前應(yīng)用較多的W/CuCrZr連接技術(shù)，真空釬焊需要對(duì)塊體整體加熱，且在高溫需要停留較長(zhǎng)的時(shí)間，從而會(huì)導(dǎo)致CuCrZr合金晶粒長(zhǎng)大、力學(xué)性能下降，通過(guò)快速冷卻可以恢復(fù)CuCrZr合金的力學(xué)性能；但是由于釬焊時(shí)間較長(zhǎng)，銅合金晶粒長(zhǎng)大不能消弱。而電子束釬焊利用散焦電子束對(duì)真空中的帶焊零件掃描加熱，由于能量密度高，可以迅速加熱待焊材料的局部至焊接溫度，有利于釬料減少釬料成分的揮發(fā)，有利于消弱母材晶粒長(zhǎng)大，降低釬焊缺陷的產(chǎn)生的傾向，與普通的真空釬焊相比，焊接時(shí)間可以大大縮短；并且通過(guò)快速冷卻與時(shí)效，可以恢復(fù)CuCrZr合金的力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鎢/銅的電子束釬焊快速連接方法，它能夠快速實(shí)現(xiàn)鎢銅連接，且不破壞銅合金的性能。
[0005]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種鎢/銅的電子束釬焊快速連接方法，包括以下步驟，
[0006]步驟一:采用對(duì)接方式進(jìn)行焊接，焊接前對(duì)待焊材料鎢銅進(jìn)行預(yù)處理，鎢銅待焊表面經(jīng)砂紙打磨，超聲波清洗，最后脫水干燥；然后疊放在一起，將釬料置于鎢銅之間，利用夾具固定；
[0007]步驟二:將裝配好的待焊材料置于電子束裝置真空室內(nèi)的水冷銅臺(tái)上，焊接的真空度優(yōu)于1X10 2Pa,利用掃描電子束加熱鎢表面，掃描頻率為0.1-10.0kHz ;鎢表面溫度控制在950-1100°C，銅合金塊體溫度控制在800-950°C，加熱時(shí)間5_10min ;焊接完畢，快速冷卻，在銅合金溫度高于60CTC區(qū)間,冷卻速度大于100°C /min。
[0008]鎢塊的表面溫度通過(guò)紅外熱像儀和紅外測(cè)溫儀測(cè)量，銅合金塊體溫度通過(guò)熱電偶測(cè)量。
[0009]通過(guò)水冷銅臺(tái)冷卻焊接試樣，電子束加熱完畢之前不通冷卻水，加熱完畢后通水快速冷卻至470-480°C，并在該溫度下保溫l_2h，然后冷卻至室溫，取出焊接試樣。
[0010]待焊材料為鎢和銅合金，其中，鎢包括純鎢、表面澆鑄純銅的鎢；銅合金為CuCrZr合金，Cr含量0.6-0.8wt.%, Zr含量0.07-0.15wt.%的，余量為銅。
[0011 ] 通過(guò)CuMn合金釬料焊接純鎢與銅合金，釬料其成分為Cu含量70_75wt.%，Mn含量 20-25wt.%, Ni 含量 1-3% ；
[0012]表面澆鑄純銅的鎢通過(guò)真空澆鑄方式在鎢表面澆鑄一層無(wú)氧純銅制備而成，無(wú)氧純銅厚度為1_2_，無(wú)氧純銅面為待焊表面。通過(guò)CuTi釬料焊接表面澆鑄了純銅的鎢和銅合金，釬料成分為Cu含量40-50wt.%，Ti含量30-35wt.%，Zr含量9_12wt.%，Ni含量6-10wt.%, Si 含量 Iwt.% ο
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，該方法工藝簡(jiǎn)單、焊接時(shí)間短，銅合金在溫度高于600°C的溫度區(qū)間不超過(guò)5min，因此可以有效的消弱母材晶粒長(zhǎng)大，并且通過(guò)快速冷卻和時(shí)效處理可以恢復(fù)CuCrZr合金的力學(xué)性能。利用該方法制備的鎢銅塊，銅合金的強(qiáng)度和硬度與固溶時(shí)效態(tài)銅合金一致，晶粒尺寸相當(dāng)。所制備的銅復(fù)合塊，焊縫界面結(jié)合完好，沒(méi)有孔隙、夾雜、裂紋等缺陷，并具有良好的結(jié)合性能和熱負(fù)荷性能，能夠承受6?10Mff/m2的穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹:
[0015]一種鎢/銅的電子束釬焊快速連接方法，在真空環(huán)境下利用掃描電子束實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的局部加熱，從而實(shí)現(xiàn)電子束釬焊。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:
[0016]用于釬焊的母材為鎢和CuCrZr合金。鎢包括了純鎢、表面澆鑄純銅的純鎢(在純鎢表面澆鑄一層l_2mm厚的無(wú)氧純銅)；CuCrZr合金成分為Cr含量0.6-0.8wt.%，Zr含量0.07-0.15wt.%的，余量為銅；
[0017]釬料為銅基箱帶。銅基箱帶包括了 CuMn合金和CuTi合金兩種釬料，CuMn合金用于焊接純鎢和CuCrZr合金，其成分為Cu含量70_75wt.%, Mn含量20_25wt.%，Ni含量1-3% ；CuTi合金用于焊接表面澆鑄了純銅的純鎢和CuCrZr合金，釬料成分為Cu含量40-50wt.%，Ti 含量 30-35wt.%，Zr 含量 9-12wt.%，Ni 含量 6-10wt.%，Si 含量 Iwt.%。
[0018]采用對(duì)接方式進(jìn)行焊接，在焊接前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)處理，待焊接表面經(jīng)砂紙打磨，超聲波清洗，最后脫水干燥；然后疊放在一起，將釬料平鋪于母材之間，用夾具固定。其中表面澆鑄了純銅的純鎢，其純銅面為待焊接表面。
[0019]將組裝好的鎢銅置于電子束裝置真空室內(nèi)的銅冷卻臺(tái)上，銅合金冷卻臺(tái)與真空室內(nèi)的冷卻水管道連接，焊接完畢前不通水冷卻。釬焊時(shí)真空室內(nèi)工作真空度優(yōu)于1.0X10 2Pa,利用散焦電子束均勻加熱鎢塊表面，掃描頻率為0.1-10.0kHz ;通過(guò)紅外熱像儀和紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)鎢表面溫度，鎢表面溫度控制在950-110(TC ;通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)銅合金的塊體溫度，銅合金塊體溫度控制在800-950°C ;加熱時(shí)間5-10min，達(dá)到釬焊溫度后保溫30s-lmin ;加熱完畢,銅冷卻臺(tái)通冷卻水對(duì)焊接試樣進(jìn)行快速冷卻，在溫度高于600°C,釬焊塊的冷卻速度大于100°c /min ;然后對(duì)鎢銅焊接塊進(jìn)行時(shí)效處理，恢復(fù)CuCrZr合金的強(qiáng)度。在電子束裝置中，利用電子束在470-480°C保溫l_2h。<