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一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法
【專利摘要】本發明屬于金屬連接領域，具體涉及一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法。本發明提供的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法通過將低碳鋼試樣打磨、洗凈后預熱，利用加熱板將試樣加熱到240℃～260℃，將混合釬劑布撒到母材打磨后的焊接位置，同時將釬料持續送入焊接位置的熔化液滴中，將浸鍍過焊錫的紫銅導線直接插入低碳鋼試樣焊接位置的焊錫液滴，潤濕形成完整的接頭，待液滴完全凝固后，可靜置冷卻至室溫得到。本發明提供的連接方法相較于傳統焊接方式，具有設備簡單、原料簡單、工藝簡便、焊接溫度低等優點。利用本發明提供的連接方法得到的焊接接頭具有電阻率低，接頭的可重復性好的優良性能。
【專利說明】一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法
【【技術領域】】
[0001]本發明屬于金屬連接領域，具體涉及一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法。
【【背景技術】】
[0002]為了研究金屬材料，尤其是碳鋼等黑色金屬材料的電化學腐蝕過程發生的原因及規律，常采用電化學腐蝕試驗，進行極化曲線測量。一般需用石蠟對試樣進行蠟封，在試樣上留出Icm2面積進行測試，此外，試樣還需采用導線與電化學工作站進行連接，連接接頭金屬的暴露位置同樣需要進行蠟封。
[0003]在對碳鋼等鐵基材料進行制樣的過程中，往往需要將鐵基材料與紫銅導線進行連接。在金屬連接過程中，尤其是在非承載結構的連接中，常常采用釬焊進行連接。釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的方法。既能夠保證接頭質量，又能夠保證連接工藝基本不影響母材性能。目前常用的連接方式除焊接外，還存在壓接、鉆孔等連接方式。壓接則主要依靠機械力對試樣間進行材料的物理連接，其電阻率往往由于壓接力的不同、卡具不同而存在較大差異，從而導致極化曲線的差異；鉆孔連接同樣存在重復性差、連接電阻率不穩定等缺陷。因此，采用焊接方式，最為可靠，而釬焊由于其設備小巧、連接穩定、連接頭電阻率低等優勢，成為最為適宜導通接頭的連接方式。
[0004]美國焊接學會(AWS)規定，當釬料液相線溫度高于450°C，屬于硬釬焊，低于450°C，則屬于軟釬焊，而我國一般以350°C作為分界線。對于碳鋼等材料連接，通常采用電弧焊、硬釬焊進行連接，此類連接方法焊接溫度高，熱影響區大，而且往往由于熱源溫度高，導致試樣的燒蝕和涂層的破壞等。此外，由于熱影響，還會造成晶粒長大、組織變化等現象，對測量材料的極化曲線的準 確度造成一定影響。
[0005]針對碳鋼母材，其相轉變最低溫度為727°C，因此，焊接過程若想基本不影響母材性能，應保證焊接溫度低于727°C。因此若采用釬焊連接碳鋼基體與紫銅導線，應滿足焊接溫度低于727°C。此外，碳鋼材料的再結晶溫度一般在0.4Tm,以Q235鋼(A3鋼亦屬此類)為例，其碳含量在0.2左右，其熔點溫度為1500°C左右(1495~1538°C )，則再結晶溫度在600 0C左右，在此溫度以下則不易出現新的等軸晶。
[0006]異種材料焊接以Cu母材與碳鋼母材為例，如采用釬焊，則需釬料與兩種母材均能潤濕，并發生反應，生成化合物。現在針對上述兩種母材，多采用電弧焊或硬釬焊方法。如《現代焊接》碳鋼與紫銅的焊接工藝研究中，記述了采用Ag50CuZnCd釬料進行釬焊，釬焊溫度> 800°C ;此外，還有采用H62黃銅釬料進行焊接的。但上述釬料均為硬釬焊，不能滿足保持原有母材相和組織的要求，若要保持碳鋼組織，應將釬焊溫度降低到600°C以下。而采用軟釬焊則更為合適。但目前，僅銅基、鎳基等材料可通過軟釬焊進行連接。而碳鋼與銅的軟釬焊連接未見報道。【
【發明內容】
】
[0007]為克服上述碳鋼與紫銅通過傳統工藝焊接過程中存在的不足，本發明提供了一種低溫連接碳鋼與紫銅異種材料的方法，降低了接頭電阻率以及連接工藝對于母材的熱影響，保證接頭的良好性能。
[0008]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0009]本發明提供了一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，包括制樣和測試步驟，其中制樣包括將試樣與導線的低溫連接，其中低溫連接包括下述步驟:
[0010]I).備樣:將凈化打磨后碳鋼試樣烘干后用電熱板將碳鋼試樣預熱并保持在240°C~260°C，并于碳鋼試樣上布撒混合釬劑和釬料；碳鋼試樣的上下表面為平行面，碳鋼試樣打磨的粗糙度為3.2微米以下。
[0011]2).焊接導線:將經浸鍍處理的紫銅導線同經步驟I)處理的碳鋼試樣接觸，冷卻至室溫，即得。
[0012]本發明提供的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法中，碳鋼母材的碳含量< 0.3% ;采用的混合釬劑的熔點為180°C~249°C，混合釬劑由ZnCl2和NH4Cl組成，混合釬劑中NH4Cl的質量百分比為16%~26% ;釬料為軟釬料中的Sn釬料或Sn-3.5Ag。[0013]本發明中先將碳鋼母材切割成塊體或薄片試樣(如直徑為5mm~20mm的圓柱或長方體試樣，薄片試樣亦可)以滿足電化學試驗應用，將試樣上下表面加工為平行面，須將試樣焊接位置打磨為表面粗糙度3.2微米以下，可單個試樣加熱或小批量試樣加熱；焊接前，應將電熱板表面清理干凈，無殘渣、液體或易揮發物殘留。隨后進行預熱；首先，將電熱板預熱到232°C以上溫度，采用的加熱板的控溫精度為1°C，減少了在加熱過程中溫度驟變對整個母材的影響，使得釬料持續熔化并充分潤濕母材，保證了最終焊接頭具有良好的性能；并保證母材具有一定的過熱度，根據相圖可知，當Sn的加熱溫度達到232°C以上10~15°C便可出現液相，熔化后的Sn可與母材迅速反應。母材金屬中的Fe與Sn生成FeSn和FeSn2兩種成分固定的穩定化合物，利用這一原理，可以滿足Fe相與FeSn (FeSn2)相與Sn相的穩定過渡，即滿足Sn與鐵基母材的潤濕，并形成分子結合。最終形成穩定的接頭。釬料的選擇上，較軟釬料中的鉛基、鋅基等釬料而言，純Sn或Sn-3.5Ag的使用，使得最終制得的接頭在性能上更優良。
[0014]由于無防護(覆蓋層、氣氛)的Fe基材料在加熱中極易氧化，故而溫度不宜過高，當溫度超過200°C即會發生明顯氧化。在拋光的焊接位置出現棕黃色氧化層，隨加熱時間延長或溫度升高，氧化量逐漸增大。焊接過程中，可用紅外測溫儀測量試樣溫度，當試樣溫度達到232°C以上溫度并保證一定過熱度后，將助焊劑添加到母材焊接面上，同時用焊錫絲直接接觸鐵基母材焊接位置，待焊絲熔化，助焊劑在液態錫覆蓋下逐漸清除焊接表面的氧化物，由于液態錫覆蓋，阻止了助焊劑的迅速揮發，保證了助焊劑對表面的清潔作用。隨著焊接表面凈化以及Fe與Sn反應的完成，釬料逐漸與基體潤濕，并逐漸鋪展，當潤濕角大于90°后，即可認為在基體Fe與釬料Sn之間生成了 FeSn (FeSn2)過渡層，從而完成母材的反應，隨后，可將試樣從電熱板上移除，在試樣臺靜置。
[0015]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0016]I)設備簡單:僅用電熱板即可完成純銅與碳鋼的異種材料連接；[0017]2)原料簡單:所用原料均可通過市售獲得，僅需ZnCl2, NH4Cl,純Sn焊錫絲；
[0018]3)工藝簡便:通過現有釬料選擇、焊接溫度控制、釬劑配比優化即可獲得良好的焊接接頭；
[0019]4)焊接溫度低:避免了通過硬釬焊連接帶來的高溫，將焊接溫度控制在300°C以下，熱影響區小，遠低于碳鋼的退火溫度，對母材微觀組織及性能影響小；
[0020]5)焊接接頭性能優良:得到的焊接接頭電阻率低，接頭的可重復性好。
【【具體實施方式】】
[0021]實施例1[0022]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10臟，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1臟，釬料采用純Sn釬料進行焊接，釬劑采用“松香”進行助焊，釬劑的熔點溫度為:135°C。首先將試樣加熱到245°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將釬料持續送入接觸位置的熔化液滴，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬劑先于釬料熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0023]實施例2
[0024]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10mm，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1mm，釬料采用純Sn釬料進行焊接，釬劑采用ZnCl274%，NH4C126%，熔點溫度為:180°C，首先將試樣加熱到235°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將純Sn持續送入接觸位置的熔化液滴，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬劑先于釬料熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0025]實施例3
[0026]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10臟，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1臟，釬料采用純Sn釬料進行焊接，釬劑采用ZnCl284%，NH4Cl 16%，熔點溫度為:249°C，首先將試樣加熱到255°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將Sn-3.5Ag持續送入接觸位置的熔化液滴，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬料先于釬劑熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0027]實施例4
[0028]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10臟，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1臟，釬料采用純Sn釬料進行焊接，釬劑采用ZnCl290%，NH4Cl 10%，熔點溫度為:240°C，首先將試樣加熱到230°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將鉛基釬料持續送入接觸位置的熔化液滴，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬料釬料均未熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0029]實施例5
[0030]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10mm，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1mm，釬料采用純Sn釬料進行焊接，釬劑采用ZnCl290%，NH4Cl 10%，熔點溫度為:240°C，首先將試樣加熱到240°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將Sn持續送入接觸位置的熔化液滴，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬劑與釬料幾乎同時熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0031]實施例6
[0032]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10臟，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1臟，釬料采用純Sn釬料進行焊接，釬劑采用ZnCl284%，NH4Cl 16%，熔點溫度為:249°C，首先將試樣加熱到240°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將Sn-3.5Ag持續送入焊接位置的熔化液滴中，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬料先于釬劑熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0033]實施例7
[0034]母材采用Q235碳鋼，切割為直徑10mm，高度IOmm圓柱，紫銅導線直徑1mm，釬料采用Sn3.5Ag共晶釬料進行焊接，釬劑采用ZnCl290%，NH4C110%，熔點溫度為:240°C，首先將試樣加熱到240°C，將釬劑布撒到母材焊接位置，同時將鋅基釬料持續送入接觸位置的熔化液滴，隨焊絲不斷熔化，液滴逐漸變大，釬料先于釬劑熔化，隨后進行導線焊接，冷卻至室溫，形成接頭。
[0035]依據上述I~7各實施例中均對Q235碳鋼打磨至表面粗糙度為3.2微米以下，先用氫氧化鈉清洗，隨后用丙酮清洗后烘干，預熱至250°C后進行碳鋼試樣母材反應和與紫銅導線焊接。將I~7各實施例中的碳鋼(直徑IOmm,高度IOmm圓柱)、紫銅導線直徑(1mm，長20cm)、接頭組成的導體進行電阻測量，對比各實施例的導電性能，每實施例制作6組平行式樣，取平均值。所得電阻結果見表1所示。
[0036]各實施例焊接結果如表1所示:
[0037]表1各實施例焊接結果
[0038]
【權利要求】
1.一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，所述低溫連接包括下述步驟: 0.備樣:將凈化打磨后碳鋼試樣烘干后用電熱板將碳鋼試樣預熱并保持在240°c?260°C，并于碳鋼試樣上布撒混合釬劑和釬料； 2).焊接導線:將經浸鍍處理的紫銅導線同經步驟I)處理的碳鋼試樣接觸，冷卻至室溫，即得。
2.如權利I所述的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，其特征在于:所述碳鋼母材的碳含量< 0.3%。
3.如權利I所述的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，其特征在于:所述混合釬劑的熔點為180°C?249°C。
4.如權利3所述的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，其特征在于:所述混合釬劑由ZnCl2和NH4Cl組成，混合釬劑中NH4Cl的質量百分比為16%?26%。
5.如權利I所述的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，其特征在于:所述釬料為軟釬料。
6.如權利I所述的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，其特征在于:所述軟釬料為Sn釬料或Sn-3.5Ag。
7.如權利I所述的一種電化學腐蝕試驗用低碳鋼、紫銅導線的低溫連接方法，其特征在于:將所述碳鋼試樣的上下表面為平行面，碳鋼試樣打磨的粗糙度為3.2微米以下。
【文檔編號】G01N1/28GK103624357SQ201310687706
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】聶京凱, 韓鈺, 朱全軍, 陳新, 李現兵, 樊超, 陳川, 馬光, 祝志祥, 楊富堯, 孔曉峰, 何明峰, 王斌, 江應滬 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網浙江省電力公司金華供電公司