本發明的實施例涉及焊接技術領域，特別涉及一種鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法。

　　背景技術：

　　鈮及鈮合金具有機械性能優良、熱中子截面小、化學性質穩定的優點，是一種密度相對較輕的難熔金屬材料，鈮及其合金廣泛應用于核反應堆材料及相關零部件的研制。不銹鋼材料價格低廉，機械性能和抗腐蝕性能較好。將鈮及鈮合金與不銹鋼焊接組合成器件，既可降低成本，又可充分利用兩種材料各自具有的優異性能。鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接廣泛應用于核工業、航天航空、發電等領域。

　　然而，鈮及鈮合金屬于異種難熔金屬，與不銹鋼、常用釬料的性能存在較大差別，不銹鋼和釬料的主要組成元素在鈮合金中的溶解度小，當利用常用的銅基、銀基、鈀基釬料將這兩類材料焊接時，焊縫內極易形成一系列低熔點金屬間化合物，嚴重影響焊縫的結合強度和可靠性。

　　因此，有必要研究一種鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法，以避免或顯著減少在焊接過程中形成多種金屬間化合物，從而保證焊接接頭具有較好的機械性能和化學性能。

　　技術實現要素：

　　本發明的主要目的在于提供一種鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法，以解決上述技術問題中的至少一個方面。

　　根據本發明的一個方面，提出一種鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法，包括以下步驟：步驟1，在鈮及鈮合金的待焊接面上形成鎳鉻鍍層；步驟2，將釬料置于鈮及鈮合金的鎳鉻鍍層與不銹鋼之間，組裝得到待焊件；以及步驟3，將所述待焊件放入真空釬焊爐內進行焊接。

　　根據一些實施方式，所述步驟1包括：控制所述鎳鉻鍍層的厚度為0.5～20μm。

　　根據一些實施方式，所述步驟1包括：控制所述鎳鉻鍍層中鎳的含量為60～90wt％，鉻的含量為10～40wt％。

　　根據一些實施方式，所述步驟1包括：采用物理氣相沉積法或者化學電鍍法形成所述鎳鉻鍍層。

　　根據一些實施方式，所述鈮及鈮合金中鈮的含量為30～100wt％。

　　根據一些實施方式，所述釬料包括銀基釬料、銅基釬料或鈀基釬料。

　　根據一些實施方式，所述釬料包括agcu釬料、cupd釬料或agcupd釬料。

　　根據一些實施方式，所述步驟2包括：將鈮及鈮合金、釬料以及不銹鋼通過端面連接或套接的方式組裝為待焊件。

　　根據本發明的另一方面，提出一種焊接件，包括鈮及鈮合金母材、不銹鋼母材以及釬料，在所述鈮及鈮合金母材的焊接面上具有鎳鉻鍍層。

　　在根據本發明的實施例的鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法中，先在鈮及鈮合金的待焊接面上形成鎳鉻鍍層，然后再將釬料置于鈮及鈮合金的鎳鉻鍍層與不銹鋼之間來完成焊接，能夠有效避免鈮及鈮合金與釬料、不銹鋼之間發生物理化學反應而生成眾多的金屬間化合物，從而保證焊縫的結合強度和可靠性、延長使用壽命。

　　附圖說明

　　通過下文中參照附圖對本發明所作的描述，本發明的其它目的和優點將顯而易見，并可幫助對本發明有全面的理解。

　　圖1示出了根據本發明的一個示例性實施例的鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法的流程圖；

　　圖2示出了根據本發明的一個示例性實施例的焊接件的示意圖；以及

　　圖3示出了根據本發明的另一示例性實施例的焊接件的示意圖。

　　具體實施方式

　　為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。

　　圖1示出了根據本發明的一個示例性實施例的鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法的流程圖，如圖1所示，本發明實施例的焊接方法包括以下步驟：

　　步驟1，在鈮及鈮合金的待焊接面上形成鎳鉻鍍層；

　　步驟2，將釬料置于鈮及鈮合金的鎳鉻鍍層與不銹鋼之間，組裝得到待焊件；以及

　　步驟3，將所述待焊件放入真空釬焊爐內進行焊接。

　　在根據本發明的實施例的鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法中，先在鈮及鈮合金的待焊接面上形成鎳鉻鍍層，然后再將釬料置于鈮及鈮合金的鎳鉻鍍層與不銹鋼之間來完成焊接，能夠有效避免鈮及鈮合金與釬料、不銹鋼之間發生物理化學反應而生成眾多的金屬間化合物，從而保證焊縫的結合強度和可靠性、延長使用壽命。此外，鎳鉻鍍層的中子吸收截面小、耐輻照能力好，并且其抗氧化性能優良，使得焊接器件牢固可靠。進一步地，鎳鉻鍍層與鈮的結合力大，并且與鈮不易生成脆性相，同時還能改善釬料的潤濕效果，能夠保證鈮及鈮合金與不銹鋼之間較高的結合強度。

　　鈮合金是以鈮為基加入一定量的其他金屬元素而形成的合金，合金化是改善金屬鈮性能的重要措施，向鈮中加入合金元素可以獲得材料的特殊性能，例如提高強度、改善抗氧化性能、提高塑性和工藝性能等。常見的鈮合金有鈮鎢合金、鈮鋯合金、鈮鈦合金等。本發明實施例的鈮及鈮合金中鈮的含量可以為30～100wt％。不銹鋼的材質例如可以為以下牌號：321、321h、304、316、316l、310、310s。

　　在一些實施例中，所述步驟1可以包括：控制所述鎳鉻鍍層的厚度為0.5～20μm。鎳鉻鍍層的厚度不宜太大，否則會使得焊縫拉伸強度降低；同時鎳鉻鍍層的厚度也不宜太小，否則起不到阻擋釬料與鈮及鈮合金生成脆性相的作用。

　　在一些實施例中，所述步驟1可以包括：控制所述鎳鉻鍍層中鎳的含量為60～90wt％，鉻的含量為10～40wt％。通過將鎳和鉻的含量控制在上述范圍內，可以保證鎳和鉻易于生成共晶合金，從而改善鎳鉻鍍層的自身性能。

　　在一些實施例中，所述步驟1可以包括：采用物理氣相沉積法或者化學電鍍法形成所述鎳鉻鍍層。

　　物理氣相沉積(pvd)技術是指在真空條件下，采用物理方法，將材料源(固體或液體)表面氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術。在本發明的實施例中，對于物理氣相沉積法，具體可以采用真空蒸鍍法、濺射沉積法、離子鍍膜法或電弧離子鍍法等。其中，真空蒸鍍法是指在真空條件下，采用一定的加熱蒸發方式蒸發鍍膜材料并使之氣化，粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。濺射沉積法是指用離子轟擊靶材表面，使靶材的原子被擊出，濺射產生的原子沉積在基體表面成膜的方法。離子鍍膜法是指，在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質部分電離，并在氣體離子或被蒸發物質離子的轟擊下，將蒸發物質或其反應物沉積在基片上的方法。

　　在進行物理氣相沉積之前，首先將需要鍍膜的鈮及鈮合金器件表面打磨拋光，之后器件經油污清潔劑清洗、清水清洗、酒精超聲波清洗，烘干后放入鍍膜設備，并預抽真空至真空度大于1×10-3pa，然后可以通入惰性氣體對鈮及鈮合金進行輝光放電清洗，之后選用高純度的鎳鉻合金作為靶材，進行物理氣相沉積。選用的鎳鉻合金靶材的組分含量與期望形成的鎳鉻鍍層的組分含量一致。對器件進行油污清潔劑清洗可以有效去除鈮及鈮合金器件表面的油脂、油污及混合污垢，之后利用清水清洗可以去除器件表面的水溶性污物，之后進行酒精超聲波清洗可以進一步去除器件表面微小的、隱蔽的、殘留的雜質，保證器件表面清潔，從而提高鍍層的附著力。

　　化學電鍍法是指在無外加電流的情況下借助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。在進行化學電鍍之前，首先對鈮及鈮合金進行鍍前處理，包括去油、酸洗并徹底地清洗，鍍前處理過程中要盡量縮短鈮及鈮合金與空氣接觸的時間；然后開始電沉積ni-cr合金鍍層，本發明采用三價鉻鍍液體系，主鹽為niso4·6h2o、nicl·6h2o及crcl3·6h2o，檸檬酸作為配位劑，同時加入緩沖劑、導電鹽及添加劑；直流電鍍的電流密度一般選擇2～10a/dm2，ph值可以為2.5～3.5，溫度可以為15～60℃，具體鍍液配方及電鍍工藝參數可依實際鍍層成分需求進行調節。

　　鎳鉻鍍層可以形成于器件端面或者管件內壁或外壁，在形成鎳鉻鍍層的過程中，可以將不需要形成鍍層的器件區域進行遮擋。具體地，對于化學電鍍法，可以采用阻鍍涂料、阻鍍油墨涂敷非鍍部位，或者采用絕緣膠帶包裹非鍍部位。此外，還可以采用局部電鍍法(例如雙極性電鍍法)對只需要形成鍍層的部位進行電鍍。對于物理氣相沉積法，可以采用金屬工裝進行遮擋，所述金屬工裝的材質可以為不銹鋼。

　　在一些實施例中，所述釬料可以包括銀基釬料、銅基釬料或鈀基釬料，進一步地，所述釬料可以包括agcu釬料(ag含量為70～80wt％，余量為cu)、cupd釬料(cu含量為70～85wt％，余量為pd)或agcupd釬料(ag含量為45～55wt％，cu含量為25～35wt％，余量為pd)。釬料的形狀規格可以為絲材或帶材。

　　在一些實施例中，所述步驟2包括：將鈮及鈮合金、釬料以及不銹鋼通過端面連接或套接的方式組裝為待焊件。端面連接的組裝方式可以包括：首先放置鈮及鈮合金器件，使其端面朝上，其中，鎳鉻鍍層形成于所述端面；將釬料放置于所述端面上，使釬料與鎳鉻鍍層接觸；以及將不銹鋼器件放置于鈮及鈮合金器件上，使不銹鋼器件的端面與所述釬料接觸，由此得到由上到下依次為不銹鋼器件、釬料以及鈮及鈮合金器件的待焊件。可替換地，也可以先放置不銹鋼器件，使其端面朝上；之后將釬料放置于所述端面上；之后將鈮及鈮合金器件放置于不銹鋼器件上，使得形成于鈮及鈮合金器件端面的鎳鉻鍍層與所述釬料接觸，由此得到由上到下依次為鈮及鈮合金器件、釬料以及不銹鋼器件的待焊件。

　　套接方式一般用于管件之間的焊接，如圖3所示。套接的組裝方式可以包括：首先在鈮及鈮合金管件待焊接端的內壁沿周向形成固定槽；之后將不銹鋼管件部分地放入鈮及鈮合金管件的腔體內，使得不銹鋼管件的外壁與鈮及鈮合金管件的內壁之間留有間隙，其中，鎳鉻鍍層形成于鈮及鈮合金管件的內壁，所述固定槽與不銹鋼管件的外壁之間形成容納部；之后將釬料放置于所述容納部，得到待焊件。針對此待焊件的焊接，當釬料受熱熔化后，液態釬料在毛細作用下，從所述容納部流入所述間隙內，以浸潤鎳鉻鍍層和不銹鋼外壁，進而實現焊接。

　　可替換地，也可以將鈮及鈮合金管件部分地套設于不銹鋼管件內，在此實施例中，鎳鉻鍍層形成于鈮及鈮合金管件的外壁，固定槽形成于不銹鋼管件待焊接端的內壁，并且所述固定槽與鈮及鈮合金管件的外壁之間形成容納部。

　　在優選的實施方式中，可以將不銹鋼管件與鈮及鈮合金管件同心放置，以保證所述間隙在周向均勻，使得最終得到的焊縫也在周向均勻，保證焊接處接合強度的均勻。

　　對于釬料帶材，所述固定槽的軸向截面可以為方形；對于釬料線材，所述固定槽的軸向截面可以為三角形，即在管件端部的內壁進行倒角處理。釬料帶材或線材沿周向容納在所述容納部內。釬料帶材的厚度可以為0.1～0.6mm，釬料線材的直徑可以為0.1～2mm。所述固定槽的大小可以根據釬料尺寸進行設計。

　　間隙尺寸決定了最終的焊縫尺寸，間隙尺寸可以為0.03～0.3mm，間隙尺寸太小，會使得焊層過薄，焊接效果不好；間隙尺寸太大，會使得焊層過厚，影響接合強度和焊件性能。

　　具體在組裝時，可以采用夾具將母材和釬料固定在一起。對于端面連接的組裝方式，夾具在上下方向上將不銹鋼器件、釬料以及鈮及鈮合金器件三者固定，即夾持住不銹鋼器件的上(或下)表面和鈮及鈮合金器件的下(或上)表面；對于套接的組裝方式，夾具在內外方向上將三者固定，即夾持住不銹鋼器件的內壁(或外壁)和鈮及鈮合金器件的外壁(或內壁)。

　　在步驟3中進行焊接時，控制真空度優于1×10-3pa，最終釬焊溫度需根據釬料的熔流點進行設定，然后進行相應的釬焊。例如，可以在1220℃～1320℃對所述待焊件保溫1～5min，之后隨爐冷卻至室溫完成焊接。

　　圖2示出了根據本發明的一個示例性實施例的焊接件的示意圖，如圖2所示，所述焊接件包括鈮及鈮合金母材1、不銹鋼母材2以及釬料4，在鈮及鈮合金母材1的焊接面上具有鎳鉻鍍層3。

　　根據以上描述，本發明實施例的焊接方法至少具有以下技術效果：

　　(1)鎳鉻鍍層能夠有效阻止異種難熔金屬鈮及鈮合金與釬料、不銹鋼發生反應，從而顯著減少或避免生成金屬間化合物，進而提高焊縫的牢固性能和氣密性。

　　(2)能夠顯著延長鈮及鈮合金制備的工件在核反應堆、航空航天及發電設備中的使用壽命，具有顯著的應用價值和經濟價值。

　　下面通過具體的實施例進行說明。

　　實施例1

　　1.nb-1zr合金與不銹鋼的焊接方法，在本實施例中，釬料選用cu80pd20(即cu含量為80wt％，pd含量為20wt％)，并選用牌號為321的不銹鋼

　　根據本發明所提供的鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法，其包括如下步驟：

　　步驟1，在鈮及鈮合金的待焊接面上形成鎳鉻鍍層。

　　其中，在步驟1中，首先進行鎳鉻鍍層的制備。

　　首先，對鈮及鈮合金的待形成鎳鉻鍍層的表面進行處理：將需要形成鎳鉻鍍層的nb-1zr合金表面拋光，拋光后進行清洗，清洗后進行烘干；

　　其次，將烘干后的鈮及鈮合金放入鍍膜設備中，采用物理氣相沉積方法中的等離子增強電弧離子鍍技術在nb-1zr合金表面制備ni-cr鍍層。

　　在優選的實施方式中，ni-cr鍍層的厚度為12.5μm，含鎳73wt％、含鉻27wt％。在不背離本發明的精神和實質的情況下，也可以采用其他厚度的鍍層以及采用其他比例的鎳和鉻。

　　在優選的實施方式中，在對nb-1zr合金表面清洗的步驟，可以采用如下方法進行清洗：先利用清潔劑超聲清洗預定時間，之后利用清水沖洗預定時間，最后利用酒精超聲波清洗預定時間，上述預定時間可以是5分鐘至10分鐘，優選為10分鐘。

　　在優選的實施方式中，將烘干后的鈮及鈮合金放入鍍膜設備之后，首先預抽真空至真空度為1.0×10-3pa，然后使真空室溫度恒定為250℃～300℃，通入高純氬氣(純度≥99.999％)，對鈮及鈮合金進行輝光放電清洗，清洗時間可以是15-20min。輝光放電清洗完成之后，可以開始在nb-1zr合金表面制備ni-cr鍍層。

　　在優選的實施方式中，在制備ni-cr鍍層的步驟，可以將真空度控制在1.0pa以下，在ar等離子體氣氛下進行等離子增強電弧離子鍍，沉積鍍層所采用的偏壓可以為-40～-120v。在鍍層沉積過程中，可以通過對ni73cr27合金靶材的連續放電來獲得相應比例的ni-cr鍍層。

　　步驟2，將釬料置于鈮及鈮合金的鎳鉻鍍層與不銹鋼之間，組裝得到待焊件。

　　將nb-1zr管件、cu80pd20釬料帶材、321不銹鋼管件進行組裝，得到待焊件。其中，利用步驟1的方法在nb-1zr管件的內壁形成ni-cr鍍層。

　　在優選的實施方式中，nb-1zr管件的壁厚為2.00mm、內徑為18.00mm，cu80pd20釬料帶材的厚度為0.45mm，321不銹鋼管件的壁厚為1.00mm、外徑為17.50mm。組裝可以采用套接方式。首先在nb-1zr管件待焊接端的內壁沿周向形成固定槽；之后將321不銹鋼管件部分地放入nb-1zr管件的腔體內，并使得兩管件同心放置，由此在兩管件之間形成0.25mm大小的間隙，同時，所述固定槽與321不銹鋼管件的外壁之間形成容納部；之后將cu80pd20釬料帶材放置在所述容納部；之后利用夾具夾持住321不銹鋼管件內壁和nb-1zr管件外壁，以將321不銹鋼管件、cu80pd20釬料以及nb-1zr管件三者固定在一起，得到待焊件。

　　步驟3，將步驟2得到的待焊件放入真空釬焊爐內進行焊接。

　　將組裝好的待焊件放入高真空釬焊爐中，首先進行抽真空，然后升溫至預定溫度，并在預定溫度下保溫預定時間，之后隨爐冷卻至室溫，完成nb-1zr合金與321不銹鋼的焊接。得到的焊接件如圖3所示。

　　在優選的實施方式中，將真空度控制為8.0×10-4pa，升溫速率為15℃/min，所述預定溫度為1270℃，所述保溫時間為1min。

　　2.性能檢測

　　在上述步驟1之后，對鎳鉻鍍層與nb-1zr合金之間的結合力進行測試，測得結合力大約為70n，表明步驟1所得鎳鉻鍍層與nb-1zr合金結合牢固。

　　在上述步驟3之后，采用掃描電子顯微鏡(sem)和能譜分析(eds)對nb-1zr合金與321不銹鋼的焊接處的斷面形貌和元素分布進行檢測分析，觀察到cu80pd20釬料在321不銹鋼表面潤濕性良好，ni-cr鍍層與cu80pd20釬料的潤濕性良好，其中有少量ni-cr鍍層擴散到熔化后的釬料層中，但是nb-1zr中的nb元素未在釬焊層中出現，表明ni-cr鍍層能起到良好的阻隔作用。

　　此外，在上述步驟3之后，還采用氦質譜檢漏儀對焊縫氣密性進行測試，測得氦氣漏率小于1.0×10-11pa·m3/s，表明焊縫氣密性良好。

　　雖然結合附圖對本發明進行了說明，但是附圖中公開的實施例旨在對本發明的實施方式進行示例性說明，而不能理解為對本發明的一種限制。

　　本領域普通技術人員將理解，在不背離本發明總體構思的原則和精神的情況下，可對這些實施例做出改變，本發明的范圍以權利要求和它們的等同物限定。

　　技術特征：

　　技術總結

　　本發明公開了一種鈮及鈮合金與不銹鋼的焊接方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，在鈮及鈮合金的待焊接面上形成鎳鉻鍍層；步驟2，將釬料置于鈮及鈮合金的鎳鉻鍍層與不銹鋼之間，組裝得到待焊件；以及步驟3，將所述待焊件放入真空釬焊爐內進行焊接。

　　技術研發人員：魯盛會;鄭建平;王衛軍;陳博;齊立君;王振東

　　受保護的技術使用者：中國原子能科學研究院

　　技術研發日：2019.05.31

　　技術公布日：2019.07.26