一种利用钨粉制造电子束焊接铜钨触片的方法与流程

本发明涉及铜钨触片制造技术领域，具体是涉及一种利用钨粉制造电子束焊接铜钨触片的方法。

背景技术：

铜钨合金材料具有很高的耐电压、抗电弧烧蚀能力，广泛应用于各类开关弧触头，是目前各类开关中应用最广泛的触头材料。传统生产工艺使用真空炉或气氛保护炉进行烧结渗铜，发热体产生热量后通过热传导、对流的方式加热工件，整个炉膛被加热，耗能较高，且生产周期较长，烧结毛坯料外形不规格，毛坯料余量较大，材料利用率低，同时降低后期加工效率。

此外，因铜钨合金产品对硬度有要求，生产过程需要加入金属铬，用以提高产品硬度至70hb以上，但是加入铬后，在烧结过程中由于铬元素的析出会对烧结结合面(即铜钨合金与铜铬合金的结合部位)的强度产生影响，随着析出铬含量的增加，强度逐渐降低，因此铬不能添加过多，硬度提升也就有限。

因此，需要提供一种以电子束作为热源进行焊接的新型制造方法，省去钨粉与铜粉混料过程，适合小批量、质量分数配比不同的铜钨合金制备，既能避免因析出铬元素对其硬度的影响，又能保证焊接毛坯外形规整，以提高加工效率，能够使铜钨触片适用范围更广，满足市场需求。

技术实现要素：

本发明针对上述存在的问题提供了一种利用钨粉制造电子束焊接铜钨触片的方法。

本发明的技术方案是：一种利用钨粉制造电子束焊接铜钨触片的方法，包括以下步骤：

s1混粉：取适量钨粉进行预处理，将预处理后的钨粉加入粘合剂进行混合，得到钨骨架粉；

s2成型：将混合好的钨骨架粉在压机上压制成密度为10.2-10.9g/cm³的钨坯；

s3烧制骨架：将得到的钨坯在高温烧结炉中烧结到预定温度，保温3h，随炉冷却，得到钨骨架；

s4烧结：在钨骨架上烧结熔渗纯铜及铜铬合金得到熔合后的触头端合金，同时制备基体端含铬1％的基体端合金；

s5配铣：将烧结好的触头端合金放入铣床中配铣；

s6电子束焊接：将配铣好的触头端合金及基体端合金在专用工装上一字排开，放入电子束设备中，将触头端合金与基体端合金进行电子束焊接。

进一步地，所述步骤s1混粉包括以下步骤：

s1-1预处理：取粒径为4-10μm的钨粉在450-600℃还原性气氛保护下还原1h，得到的具有表面活性的钨粉；

s1-2混合：将步骤s11中得到的钨粉加入粘合剂并在温度65-75℃的真空条件下充分搅拌混合，混合时间为8-16h，所述粘合剂的成分为油基粘合剂和石蜡基粘合剂，二者质量比为100:55，粘合剂与钨粉的质量比为1-5:100。

进一步地，所述步骤s2成型中压制为200吨液压油压机单向压制，压制更为均匀。

进一步地，所述步骤s3烧制骨架中首先将温度升至550-600℃预热脱蜡，去除钨坯表面的蜡，随后升温至1480-1520℃烧制钨骨架。

进一步地，所述步骤s4烧结中烧结熔渗纯铜及铜铬合金得到熔合后的触头端合金具体步骤为：

s4-1：将烧制好的钨骨架置于石墨坩埚底部一侧，在所述钨骨架一侧放置与其等高的镍合金片，所述镍合金片厚度为0.2-0.5mm，镍合金片上设有若干小孔，将预制含铬0.3-0.7wt％的铜铬合金放置在镍合金片一侧；

s4-2：在钨骨架上方一侧放置镍合金片，在所述镍合金片上方放置所述铜铬合金，所述镍合金片与所述铜铬合金等宽；

s4-3：在钨骨架一侧的铜铬合金上方放置镍合金片，将补缩t1纯铜放置在所述镍合金片上方，镍合金片与钨骨架之间形成预留空间，用于铜铬合金和补缩t1纯铜熔渗以及使所述镍合金片下落，随后将石墨坩埚放入连续推舟炉中抽真空烧结；

s4-4：将温度升至1090-1100℃进行一次烧结，高于铜的熔点1083.4℃，使两块铜铬合金熔化沿小孔和预留空间渗入钨骨架内，补缩t1纯铜熔化沿小孔渗入钨骨架内，持续3h，得到熔合后的铜钨触头，最上方的镍合金片下落至钨骨架上方；

s4-5：随后将温度升至1320-1380℃进行二次烧结，高于镍合金片的熔点1312.8℃，低于钨骨架的熔点1460-1520℃不会使钨骨架熔化，镍合金片熔化作为焊料焊接铜钨触头与未渗入的熔融铜合金的缝隙，使铜铬合金中析出的铬元素渗入到焊缝内，持续3h，得到触头端合金，铜钨合金与铜的结合部位强度明显增加，硬度足以满足使用要求；

s4-6：降温冷却出炉。

更进一步地，所述步骤s4-3中补缩t1纯铜的铜含量大于99.95wt％，所述镍合金片的成分为ni：81-88％，p：3-8％，ag：2-5％，cu：0.8-3％，zn：0.3-2％，sn：0.3-2％，nb：0.05-0.4％，硬度、电导率均满足使用要求。

进一步地，所述步骤s5配铣的具体步骤为：

s5-1：把烧结好的触头端合金安装于铣床上，采用石墨材料的铣刀，铣刀直径转速180-260r/min，进给速度300-320mm/min，调整好铣削深度2-3mm；

s5-2：将电源的正负极分别与所述铣刀和烧结好的触头端合金连接，烧结好的触头端合金能够沿平行于铣床表面移动，调整好放电间隙，打开脉冲电源进行放电洗削加工，所述脉冲电源的脉冲周期为660-890us，电流为900-1000a。

更进一步地，所述s5-2中当加工至触头端合金的铜钨触头直角边所对应的两侧面时，预先对石墨铣刀表面涂覆导电流体，并对所述导电流体进行固化，形成熔点高于铜钨触头的导电流体固化层，打开脉冲电源使所述导电流体固化层对所述铜钨触头两侧面进行放电铣削加工，调整好铣削深度1.5-2mm，加工时不断补充导电流体以补偿被电火花侵蚀的导电流体固化层，实现自我修复，同时控制铣削深度避免铣削过深导致触头端损失性能变差。

进一步地，所述步骤s6电子束焊接在真空环境下进行，当真空度达到4.6×10^-2pa时即可下束调整参数，将电子束焊缝的束斑设置成圆形，调整表面聚焦值，设置熔覆电压60kv，束流60-70ma，扫描散焦值0-12j，速度300-350mm/min，束斑能量106-108w/cm²，单班焊接量在110件以上，成品加工效率提升明显，原材料利用率高。

本发明的有益效果是：

(1)本发明改变了传统的生产方式，采用电子束焊接方式连接触头端和基体端，并且只在触头端烧结焊接所需铜层，减小铜钨合金端尺寸规格，提高装炉量，焊接毛坯外形规整，强度高于整体烧结件。

(2)本发明根据触片产品结构设计焊接工艺，基体端为1％铬含量的铬铜，硬度足以满足使用要求，触头端有0.3-0.7％铬含量的铬铜，焊接后硬度、电导均符合产品要求。

(3)本发明将电子束焊缝设计在产品卡槽内，焊缝尖角位置缺陷后期全部加工掉，且焊接余量不需额外增加，原材料投入少，利用率高，同时焊接毛坯较规整，后期成品加工效率大幅提升。

附图说明

图1是本发明的步骤s4烧结结构示意图；

图2是本发明的步骤s4烧结主视图；

图3是本发明的步骤s4烧结俯视图；

图4是本发明的步骤s5配铣后的触头端合金与基体端合金结构示意图；

图5是本发明的步骤s6电子束焊接结构示意图；

图6是本发明的步骤s6电子束焊接实物图；

图7是利用本发明的方法制造的标准件实物图；

图8是利用本发明的方法制造的标准件切片后得到的铜钨触片实物图；

图9是本发明实施例1中的铜钨触片强度测试示意图。

其中，1-钨骨架，2-石墨坩埚，3-铜铬合金，4-补缩t1纯铜，5-镍合金片，51-小孔，6-铜钨触头，7-触头端合金，8-基体端合金，9-电子束焊缝。

具体实施方式

实施例1

一种利用钨粉制造电子束焊接铜钨触片的方法，包括以下步骤：

s1混粉：取适量钨粉进行预处理，将预处理后的钨粉加入粘合剂进行混合，得到钨骨架粉；具体步骤包括：

s1-1预处理：取粒径为8.5μm的钨粉在550℃还原性气氛保护下还原1h，得到的具有表面活性的钨粉；

s1-2混合：将步骤s11中得到的钨粉加入粘合剂并在温度66℃的真空条件下充分搅拌混合，混合时间为12h，粘合剂的成分为油基粘合剂和石蜡基粘合剂，二者质量比为100:55，粘合剂与钨粉的质量比为3.5:100；

s2成型：将混合好的钨骨架粉在200吨液压油压机上单向压制成密度为10.5g/cm³的钨坯；

s3烧制骨架：首先将得到的钨坯在高温烧结炉中烧结到590℃预热脱蜡，去除钨坯表面的蜡，随后升温至1505℃烧制钨骨架1，保温3h，随炉冷却，得到钨骨架1；

s4烧结：如图1所示，在钨骨架1上烧结熔渗纯铜及铜铬合金得到熔合后的触头端合金7，如图4所示，同时制备基体端含铬1％的基体端合金8，具体步骤包括：

s4-1：如图2、3所示，将烧制好的钨骨架1置于石墨坩埚2底部一侧，在钨骨架1一侧放置预制含铬0.5wt％的铜铬合金3；

s4-2：在钨骨架1上方靠近石墨坩埚一侧放置铜铬合金3；

s4-3：在钨骨架1一侧的铜铬合金3上方放置补缩t1纯铜4，补缩t1纯铜4的铜含量为99.96wt％，补缩t1纯铜4与钨骨架1之间形成预留空间，用于铜铬合金3和补缩t1纯铜4熔渗，随后将石墨坩埚2放入连续推舟炉中抽真空烧结，连续推舟炉为市售美国进口高温btu自动连续推舟炉；

s4-4：将温度升至1300℃进行烧结，高于铜的熔点1083.4℃，低于钨骨架的熔点不会使钨骨架熔化，使两块铜铬合金3熔化沿预留空间渗入钨骨架1内，补缩t1纯铜4熔化渗入钨骨架1内，持续3h，得到熔合后的铜钨触头6；

s4-5：降温冷却出炉；

s5配铣：将烧结好的触头端合金7放入铣床中配铣，基体端合金8为标准件，模具成型不需要配铣；

s6电子束焊接：如图5、6所示，将配铣好的触头端合金7及基体端合金8在专用工装上一字排开，放入电子束设备中，将触头端合金7与基体端合金8进行电子束焊接，步骤s6电子束焊接在真空环境下进行，当真空度达到4.6×10^-2pa时即可下束调整参数，将电子束焊缝9的束斑设置成圆形，调整表面聚焦值，设置熔覆电压60kv，束流65ma，扫描散焦值12j，速度330mm/min，束斑能量107w/cm²，单班焊接量在120件，如图7、8所示，将焊接好的铜钨合金切片得到铜钨合金触片。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤s2成型：将混合好的钨骨架粉在200吨液压油压机上单向压制成密度为10.2g/cm³的钨坯；

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤s2成型：将混合好的钨骨架粉在200吨液压油压机上单向压制成密度为10.9g/cm³的钨坯；

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤s41中使用的铬铜合金3为含铬0.3wt％的铬铜合金；

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

步骤s41中使用的铬铜合金3为含铬0.7wt％的铬铜合金；

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

s4烧结：如图1所示，在钨骨架1上烧结熔渗纯铜及铜铬合金得到熔合后的触头端合金7，如图4所示，同时制备基体端含铬1％的基体端合金8，具体步骤包括：

s4-1：如图2、3所示，将烧制好的钨骨架1置于石墨坩埚2底部一侧，在钨骨架1一侧放置与其等高的镍合金片5，镍合金片5厚度为0.3mm，镍合金片5的成分为ni：83％，p：7％，ag：4.5％，cu：2.2％，zn：1.7％，sn：1.4％，nb：0.2％，镍合金片5上设有若干小孔51，将预制含铬0.5％的铜铬合金3放置在镍合金片5一侧；

s4-2：在钨骨架1上方一侧放置镍合金片5，在镍合金片5上方放置铜铬合金3，镍合金片5与铜铬合金3等宽；

s4-3：在钨骨架1一侧的铜铬合金3上方放置镍合金片5，将补缩t1纯铜4放置在镍合金片5上方，补缩t1纯铜4的铜含量为99.97％，镍合金片5与钨骨架1之间形成预留空间，用于铜铬合金3和补缩t1纯铜4熔渗以及使镍合金片5下落，随后将石墨坩埚2放入连续推舟炉中抽真空烧结，连续推舟炉为市售美国进口高温btu自动连续推舟炉；

s4-4：将温度升至1090℃进行一次烧结，高于铜的熔点1083.4℃，使两块铜铬合金3熔化沿小孔51和预留空间渗入钨骨架1内，补缩t1纯铜4熔化沿小孔51渗入钨骨架1内，持续3h，得到熔合后的铜钨触头6，最上方的镍合金片5下落至钨骨架1上方；

s4-5：随后将温度升至1380℃进行二次烧结，高于镍合金片的熔点1312.8℃，低于钨骨架的熔点不会使钨骨架熔化，镍合金片5熔化作为焊料焊接铜钨触头6与未渗入的熔融铜合金的缝隙，使铜铬合金3中析出的铬元素渗入到焊缝内，持续3h，得到触头端合金7；

s4-6：降温冷却出炉。

实施例7

本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于：

步骤s41中使用的镍合金片5厚度为0.5mm，镍合金片5的成分为ni：88％，p：5％，ag：4％，cu：1％，zn：0.8％，sn：0.8％，nb：0.4％；

实施例8

本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于：

s5配铣：将烧结好的触头端合金7和基体端合金8放入铣床中配铣；

s5-1：把烧结好的触头端合金7安装于铣床上，采用熔点远高于铜钨合金的石墨材料的铣刀，铣刀直径转速240r/min，进给速度300mm/min，调整好铣削深度2.5mm；

s5-2：将电源的正负极分别与铣刀和烧结好的触头端合金7连接，烧结好的触头端合金7能够沿平行于铣床表面移动，调整好放电间隙，打开脉冲电源进行放电洗削加工，脉冲电源的脉冲周期为800us，电流为950a；

当加工至触头端合金7的铜钨触头6直角边所对应的两侧面时，预先对石墨铣刀表面涂覆导电流体，并对导电流体进行固化，形成熔点高于铜钨触头6的导电流体固化层，打开脉冲电源使导电流体固化层对铜钨触头6两侧面进行放电铣削加工，调整好铣削深度1.5mm，加工时不断补充导电流体以补偿被电火花侵蚀的导电流体固化层，实现自我修复，导电流体为市售导电油墨。

实施例9

本实施例包括以下步骤：

s1混粉：取适量钨粉进行预处理，将处理后的钨粉加入粘合剂进行混合；具体步骤包括：

s1-1预处理：取粒径为8.5μm的钨粉在550℃还原性气氛保护下还原1h，得到的具有表面活性的钨粉；

s1-2混合：将步骤s11中得到的钨粉加入粘合剂在温度66℃的真空条件下充分搅拌混合，混合时间为12h，粘合剂的成分为油基粘合剂和石蜡基粘合剂，二者质量比为100:55，粘合剂与钨粉的质量比为3:100。

s2成型：将混合好的钨骨架粉在200吨液压油压机上单向压制成密度为10.5g/cm³的钨坯；

s3烧制骨架：首先将得到的钨坯在高温烧结炉中烧结到590℃预热脱蜡，去除钨坯表面的蜡，随后升温至1505℃烧制钨骨架1，保温3h，随炉冷却，得到钨骨架1；

s4烧结：在钨骨架1上整体烧结熔渗铜及铜铬合金得到熔合后的铜钨合金触头。

实验例1：研究不同密度的钨骨架1对成品性能的影响

取实施例1-3制备的铜钨触片进行性能测试，测试方法如下所示：

1、如图9所示，根据gb/t21143-2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》，将铜钨触片放置在cmt5205电子万能试验机上进行测试，拉伸速率为5mm/mnin，测出铜钨合金的抗拉强度。

2、根据gb/t230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》标准测试铜钨触片的硬度，采用50公斤载荷将磨平的试样放于工作台上调焦距打压痕读出对角线长度得到硬度值。

3、根据gb/t11007-2008《电导率仪试验方法》用fqr7501涡流电导仪测试铜钨触片的电导率。

测试结果如表1所示：

表1实施例1-3制备的铜钨触片的性能测试结果

结论：由表1对比实施例1-3可知在工艺步骤相同钨骨架密度不同的条件下，钨骨架密度越大，抗拉强度越强，但硬度和电导率越低，因此在满足一定抗拉强度条件下，应制备较低钨骨架密度的钨坯，当工件抗拉强度需求为≥300mpa时，实施例2制备的铜钨触片性能最优。

实验例2：研究不同铬含量的铜铬合金3对成品性能的影响

取实施例1、4、5制备的铜钨触片进行性能测试，测试方法同实验例1，测试结果如表2所示：

表2实施例1、4、5制备的铜钨触片的性能测试结果

结论：由表2对比实施例1、4、5可知在工艺步骤相同所加入的铜铬合金3中铬含量不同的条件下，铜钨合金中铬含量越高，硬度明显增加，电导率变化不明显，由于烧结过程中铬元素的析出会对烧结结合面(即铜钨合金与铜铬合金的结合部位)的抗拉强度产生影响抗拉强度，铬含量增加抗拉强度有所降低，但由于加入的镍合金片5作为焊料起到连接作用从而减小了铬元素的析出会对烧结结合面的影响，因此抗拉强度减小较小，实施例5制备的铜钨触片性能最优。

实验例3：研究不同镍含量的镍合金片5对成品性能的影响

取实施例1、6、7制备的铜钨触片进行性能测试，测试方法同实验例1，测试结果如表3所示：

表3实施例1、6、7制备的铜钨触片的性能测试结果

结论：由表3对比实施例1、6、7可知在改变工艺步骤s4烧结时，加入了镍片后的铜钨触片各项性能均有所提高，所加入的镍合金片中镍含量不同，随镍含量的增加，抗拉强度和硬度均有一定程度的增加，但电导率降低，因此镍合金片中镍含量不宜过高，选用实施例6制备的铜钨触片性能最优。

实验例4：研究不同配铣方式对成品性能的影响

取实施例6、8制备的铜钨触片进行性能测试，测试方法同实验例1，测试结果如表4所示：

表4实施例6、8制备的铜钨触片的性能测试结果

结论：由表4对比实施例6、8可知实施例8中配铣后的抗拉强度和硬度的损失与实施例6相比有所降低，所以当采用脉冲流化配铣的方式对加工后的工件进行配铣能够控制铣削深度避免铣削过深导致触头端损失性能变差。

实验例5：研究电子束焊接与整体烧结得到的铜钨触片材料利用率差别

取实施例1、9制备的铜钨触片所需材料如表5所示：

表5实施例1、9制备的铜钨触片原材料使用情况

结论：由表5对比，按整体烧结原材料投入及产成品重量计算，原材料利用率为19.81％；而使用电子束焊接工艺时，不仅占用空间小整体装炉量翻倍，焊接后的铜钨触片为标准件模具成型，综合材料利用率提升至34.5％。