一种铜/钢异种焊接的焊丝及其制备方法、铜/钢异种焊接的方法

技术领域

本发明涉及铜/钢异种焊接技术领域，尤其涉及一种铜/钢异种焊接的焊丝及其制备方法、铜/钢异种焊接的方法。

背景技术

众所周知，铜/钢异种金属的复合结构件兼具组成双金属的优点，可使铜合金的良好导电率及导热率与钢的高韧性、高强度、高硬度和耐磨性结合起来，实现在性能与经济上的优势互补，满足工业实际中一些特殊结构件性能要求的同时能够降低成本。铜/钢异种金属的复合结构件在航空航天、石油化工、电站锅炉、核动力和机械等许多领域具有广泛的应用。随着铜/钢异种金属复合结构件应用领域的不断拓展，作为制备铜/钢异种金属复合结构件的主要焊接工艺得到了人们的重视。

由于铜与钢的物理、化学性能的巨大差异导致铜/钢异种金属焊接容易出现裂纹、气孔等焊接缺陷。因此，合适的焊接是保证铜/钢异种金属焊接获得良好的焊缝成形以及优良的接头性能的关键。

现有的铜/钢焊接方法中，常见的焊丝包括纯铜、CuSi

对于铜/钢的异种金属焊接，Cu-Fe合金是一种理想的焊丝。其包含Cu元素和Fe元素，有利于焊接过程中铜铁两相的混合，生成互溶区，提高铜/钢的可焊性。同时有利克服裂纹倾向，保证焊缝具有较高的抗裂纹性能。但所述Cu-Fe合金在液相线以下存在一个亚稳的液态难混溶区，常规凝固过程中铜铁易发生液相分离，即由一种液相转变成成分不同的两种液相。当相分离行为发生后，两种液相彼此间不互溶且存在密度和界面能之间的差异，在后续凝固过程中容易发生严重的空间相分离现象或大部分成分偏析行为，而该元素偏析行为会严重影响材料的力学性能和塑性加工性能。

因此，如何制备高品质的铜铁合金焊丝，并且保证焊缝具有较高的抗裂纹性能是人们至今为止难以克服的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜/钢异种焊接的焊丝及其制备方法、铜/钢异种焊接的方法，所述焊丝可以保证焊缝具有较高的抗裂纹性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铜/钢异种焊接的焊丝，按质量百分比计，包括5～25％的α-Fe、<0.1％的不可避免的杂质以及余量的铜基体。

优选的，所述铜基体为面心立方结构。

本发明还提供了上述技术方案所述的焊丝的制备方法，包括以下步骤：

按照焊丝中元素的质量配比进行熔炼和浇铸，得到铜铁合金；

将所述铜铁合金依次进行均匀化处理、热挤压变形预处理、冷拉拔变形处理和退火处理，得到所述焊丝。

优选的，所述熔炼的过程包括以下步骤：

将铜熔化并在1250～1300℃的温度下保温10～15min后，加入纯铁，进行熔炼；

所述熔炼的温度为1400～1550℃，保温时间为45～50min。

优选的，所述浇铸采用的铸模为铸铁铸模或石墨铸模；

进行所述浇铸前还包括对所述铸模进行预热，所述预热的温度为400～500℃。

优选的，所述均匀化处理的温度为950～1000℃，保温时间为3～4h；

所述热挤压变形预处理的温度为600～800℃。

优选的，所述冷拉拔变形处理为多道次冷拉拔处理，每道次冷拉拔处理的变形量为0.3～1.0mm，总变形量为6～9mm。

优选的，每进行1～5道次冷拉拔处理后进行1次退火处理；

所述退火处理的温度为550～680℃，保温时间为0.5～1h。

本发明还提供了一种钢铜异种焊接的方法，包括以下步骤：

采用焊点对钢板和铜板进行固定；

采用氩弧焊对固定后的钢板和铜板进行焊接；

所述氩弧焊采用的焊丝为上述技术方案所述的焊丝或上述技术方案所述的制备方法制备得到的焊丝。

优选的，所述氩弧焊的焊接电流为80～150A，焊接电压为10～15V，送丝速度为3～6mm/s，焊接速度为1mm/s；

所述氩弧焊的保护气体为氩气，所述氩气的流量为10～20L/min。

本发明提供了一种铜/钢异种焊接的焊丝，按质量百分比计，包括5～25％的α-Fe、<0.1％的不可避免的杂质以及余量的铜基体。本发明所述的焊丝中既包括铜元素，又包括铁元素，有利于焊接过程中铜铁两相的混合，生成互溶区，极大的增加了可焊性，并且所述焊丝由于仅含有铜和铁两种元素，在焊接过程中，不会产生其他新相，同时铜铁焊丝焊缝小，熔化区小，减小了焊缝的宽度，有效的克服了裂纹倾向，保证焊缝具有较高的抗裂性能。

本发明还提供了上述技术方案所述的焊丝的制备方法，包括以下步骤：按照焊丝中元素的质量配比进行熔炼，得到铜铁合金；将所述铜铁合金依次进行均匀化处理、热挤压变形预处理、冷拉拔变形处理和退火处理，得到所述焊丝。由于在熔炼过程中会生成“铜基体+粗大铁球”的组织，Fe含量越高越容易产生铁相的偏析，产生粗大的铁球。粗大的铁球不仅能影响铜铁合金的力学性能，更加影响塑性加工做成，极易造成挤压和拉拔过程中的断裂；因此，本发明通过采用上述制备过程可以控制铜铁合金铸态的金相组织为“铜基体+细小弥散的铁相”，提高了合金的力学性能和加工性能。

附图说明

图1为实施例1所述焊丝的实物图(a)、横截面金相组织图(b)和纵截面金相组织图(c)；

图2为采用实施例1的焊丝进行焊接后得到的焊缝和对比例1得到的焊缝微观组织图；

图3为实施例1制备得到的焊丝的XRD图。

具体实施方式

本发明提供了一种铜/钢异种焊接的焊丝，按质量百分比计，包括5～25％的α-Fe、<0.1％的不可避免的杂质以及余量的铜基体。

按质量百分比计，本发明所述焊丝包括5～25％的α-Fe，优选为10～20％，更优选为14～18％。所述α-Fe均匀分布在铜基体中。

按质量百分比计，本发明所述焊丝包括<0.1％的不可避免的杂质，优选为0.01～0.03％。

按质量百分比计，本发明所述焊丝还包括余量的铜基体；所述铜基体优选为面心立方结构。

在本发明中，所述焊丝的直径优选为1～2mm，硬度优选为160～200Hv，强度优选为600～1000MPa。

本发明还提供了上述技术方案所述的焊丝的制备方法，包括以下步骤：

按照焊丝中元素的质量配比进行熔炼和浇铸，得到铜铁合金；

将所述铜铁合金依次进行均匀化处理、热挤压变形预处理、冷拉拔变形处理和退火处理，得到所述焊丝。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明按照焊丝中元素的质量配比进行熔炼和浇铸，得到铜铁合金。在本发明中，所述熔炼采用的原料优选为工业纯铜和工业纯铁；所述工业纯铜和工业纯铁的纯度独立的优选>99.7％；进行所述熔炼前，本发明优选对所述原料依次进行酸洗、超声清洗和干燥。本发明对所述酸洗没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的酸洗并能够保证所述酸洗能够去除所述原料的氧化皮等表面物质即可。在本发明中，所述超声清洗优选在无水乙醇中进行；本发明对所述超声清洗的条件没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的条件进行即可。在本发明中，所述干燥的温度优选为60℃，所述干燥的时间优选为30min。

在本发明中，所述熔炼的过程优选为：将铜熔化并在1250～1300℃的温度下保温10～15min后，加入纯铁，进行熔炼；更优选为将铜熔化并在1260～1280℃的温度下保温12～13min后，加入纯铁，进行熔炼。在本发明中，所述熔炼的温度优选为1400～1550℃，更优选为1450～1500℃，保温时间优选为45～50min。在本发明中，所述熔炼优选在真空中频感应熔炼炉中进行。

在本发明中，所述熔炼的过程的作用为使铜铁在液相充分混合，避免发生液相分离或者铁相团聚，以获得组织和成分均匀的铸锭。

在本发明中，所述浇铸的过程优选为将所述熔炼得到的合金熔体浇铸到铸模中；在本发明中，所述铸模优选为铸铁铸模或石墨铸模，更优选为铸铁铸模。在本发明中，所述铸模优选为圆柱形；在进行浇铸前优选对所述铸模进行预热，所述预热的温度优选为400～500℃。

在本发明中，所述浇铸的过程的作用为使铜铁合金熔体在凝固过程中快速通过亚稳的难混溶区，避免出现液相分离，从而获得α-Fe均匀分布在铜基体的凝固组织。

得到铜铁合金后，本发明将所述铜铁合金依次进行均匀化处理、热挤压变形预处理、冷拉拔变形处理和退火处理，得到所述焊丝。

在本发明中，所述均匀化处理的温度优选为950～1000℃，更优选为960～980℃，保温时间优选为3～4h，更优选为3.2～3.6h。

在本发明中，所述均匀化处理的作用是减少凝固组织的成分偏析，消除铸造应力，改善铸坯内部的组织和性能，有利于后续的挤压和拉拔处理。

所述均匀化处理完成后，本发明还优选包括通过机械加工的方式去除均匀化处理所得棒材表面的氧化皮。

在本发明中，所述热挤压变形预处理的温度优选为600～800℃，更优选为650～750℃，最优选为700℃。本发明对所述热挤压变形预处理的压力和时间没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的压力和时间即可。在本发明中，所述热挤压变形预处理后得到的铜铁合金铸锭优选为直径为8～10mm的圆锭。

在本发明中，所述热挤压变形预处理的作用是将铸造获得的铜铁合金铸锭加工成适合拉拔处理的圆棒。

在本发明中，所述冷拉拔变形处理优选为多道次冷拉拔处理；本发明对每道次冷拉拔处理的过程没有任何特殊的限定，采用本领域人员熟知的过程进行并保证所述每道次冷拉拔处理的变形量在0.3～1.0mm的范围内即可。在本发明中，所述冷拉拔变形处理的总变形量优选为6～9mm，更优选为8mm。在本发明中，所述变形量可以理解为变形前后的直径差值。

在本发明中，所述冷拉拔变形处理的作用是获得符合使用标准尺寸的铜铁合金焊丝。

在本发明中，每进行1～5道次冷拉拔处理后进行1次退火处理；所述退火处理的温度优选为550～680℃，更优选为580～630℃，最优选为600～620℃；保温时间优选为0.5～1h，更优选为0.6～0.8h。

在本发明中，所述退火处理的作用是消除应力。

本发明还提供了一种铜/钢异种焊接的方法，包括以下步骤：

采用焊点对钢板和铜板进行固定；

采用氩弧焊对固定后的钢板和铜板进行焊接；

所述氩弧焊采用的焊丝为上述技术方案所述的焊丝或上述技术方案所述的制备方法制备得到的焊丝。

本发明采用焊点对钢板和铜板进行固定。在本发明中，当所述钢板或铜板的厚度≥100mm时，采用焊点进行固定前优选先对所述钢板或铜板进行预热；所述预热的温度优选为200℃，预热的时间优选为10min；本发明对所述钢板和铜板的种类均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的钢板和铜板即可。本发明对所述固定的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

所述固定完成后，本发明采用氩弧焊对固定后的钢板和铜板进行焊接；所述氩弧焊采用的焊丝为上述技术方案所述的焊丝或上述技术方案所述的制备方法制备得到的焊丝。在本发明中，所述氩弧焊的焊接电流优选为80～150A，更优选为90～130A，最优选为100～120A；焊接电压优选为10～15V，更优选为12～13V；送丝速度优选为3～6mm/s，更优选为4～5mm/s；焊接速度优选为1mm/s。在本发明中，所述氩弧焊的保护气体优选为氩气，所述氩气的流量优选为10～20L/min，更优选为12～18L/min，最优选为14～16L/min。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。

实施例1

将工业纯铜和工业纯铁(纯度均>99.7％)进行酸洗去除氧化皮，在无水乙醇中进行超声清洗后，60℃干燥30min；

将8kg预处理后的工业纯铜放入陶瓷坩埚中加热熔化，在1300℃的温度下保温15min后，加入2kg工业纯铁，在1600℃的温度下保温50min后，将得到的合金熔体浇铸到圆柱形的铸铁铸模中，得到直径为80mm的Cu-20Fe合金；

将所述铜铁合金依次进行均匀化处理(950℃,4h)后，通过机械加工去除表面氧化皮，在700℃的温度下进行热挤压变形预处理，得到直径为10mm的圆锭；

将所述直径为10mm的圆锭，在室温条件下进行多道次冷拉拔处理后(直径大于5mm时，每道次变形量为1mm；直径为3～5mm时，变形量为0.5mm；直径小于3mm时，变形量为0.3mm)，经过5道次，直径变为5mm时，进行一次退火处理(650℃，0.5h)；再经过4道次，直径变为3mm时，进行一次退火处理(650℃，0.5h)；直径降至2mm时，进行一次退火处理(650℃，0.5h)，得到横截面直径为2mm的焊丝；

图1为所述焊丝的照片，其中(a)为所述焊丝的实物图，(b)为所述焊丝的横截面金相组织图，(c)为所述焊丝的纵截面金相组织图；其中浅色为立方面心结构的铜基体，深色为弥散细小的α-Fe相，所述α-Fe相均匀的分散在所述立方面心结构的铜基体中；

将所述焊丝进行XRD测试，测试结果如图3所示，由图3可知，本发明所述的焊丝包括α-Fe和铜，且所述铜为面心立方结构。

实施例2

将工业纯铜和工业纯铁(纯度均>99.7％)进行酸洗去除氧化皮，在无水乙醇中进行超声清洗后，60℃干燥30min；

将9kg预处理后的工业纯铜放入陶瓷坩埚中加热熔化，在1300℃的温度下保温15min后，加入1kg工业纯铁，在1500℃的温度下保温30min后，将得到的合金熔体浇铸到圆柱形的石墨铸模中，得到直径为80mm的Cu-10Fe合金；

将所述铜铁合金依次进行均匀化处理(930℃,4h)后，通过机械加工去除表面氧化皮，在650℃的温度下进行热挤压变形预处理，得到直径为10mm的圆锭；

将所述直径为10mm的圆锭，在室温条件下进行多道次冷拉拔处理后(直径大于5mm时，每道次变形量为1mm；直径为2～5mm时，变形量为0.5mm)；经过5道次，直径变为5mm时，进行一次退火处理(630℃，2h)；再经过3道次，直径变为3.5mm时，进行一次退火处理(630℃，2h)；继续进行冷拉拔处理直至直径降为2mm；得到横截面直径为2mm的焊丝。

实施例3

采用实施例1～2制备得到的焊丝对厚度为3mm的纯铜/低碳钢板材进行氩弧焊焊接：

用焊点对纯铜板和低碳钢板进行固定；

采用氩弧焊对固定后的钢板和铜板进行焊接，焊接条件为：焊接电流为80A，焊接电压为10V，送丝速度为3mm/s，焊接速度为1mm/s，氩气的纯度为99.9％，氩气流量为15L/min。

对比例1

采用纯铜焊丝对厚度为3mm的纯铜/低碳钢板材进行氩弧焊焊接：

用焊点对纯铜板和低碳钢板进行固定；

采用氩弧焊对固定后的钢板和铜板进行焊接，焊接条件为：焊接电流为80A，焊接电压为10V，送丝速度为3mm/s，焊接速度为1mm/s，氩气的纯度为99.9％，氩气流量为15L/min。

图2采用实施例1的焊丝进行焊接后得到的焊缝和对比例1得到的焊缝宏观组织图，其中(a)为对比例1的焊缝，(b)为采用实施例1的焊丝进行焊接后得到的焊缝，由图2可知，实施例1的焊丝进行焊接得到的焊缝更加狭小，焊缝组织更加均匀，且没有气孔及裂纹缺陷；

采用GB/T228.1-2010标准对焊缝的力学强度进行测试，测试结果如表1所示：

表1采用实施例1～2的焊丝进行焊接后得到的焊缝和对比例1得到的焊缝的抗拉强度参数

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。