專利名稱：一種鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，屬于異種材料連接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁和銅是日常生活中非常常見的金屬，鋁在地殼中含量較高，密度小，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，銅的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能僅次于銀。鋁及鋁合金與銅的連接在電力、化工、制冷、交通運(yùn)輸和航空航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛。鋁及鋁合金與銅的連接目前存在很多問題。鋁銅熱物理性能(熔點(diǎn)、線脹系數(shù)、導(dǎo)熱率、熔化熱)差別大，直接焊接時(shí)在焊縫中存在較大的熱應(yīng)力，因此連接效果很差；鋁銅直接化合能生成多種脆性金屬間化合物，這些化合物嚴(yán)重影響了接頭的強(qiáng)度和抗腐蝕性能；此外母材溶蝕問題以及鋁表面的氧化膜都給鋁銅焊接帶來了極大的阻礙。目前鋁銅的有效連接方法有固相焊、釬焊、和熔化焊。2001年山東大學(xué)的李亞江等人研究了 Cu/Al真空擴(kuò)散焊。其工藝是讓銅板和鋁板直接接觸，然后在6. 7 X 10_5Pa的真空環(huán)境下對式樣施加11. 5MPa的壓力，在溫度為520°C 540°C條件下保溫60min。該方法采用固相擴(kuò)散焊的技術(shù)實(shí)施焊接，由于焊接過程中需要施加11. 5MPa壓力，此壓力較大，而且真空度也非常高，達(dá)到了 6.7X10_5Pa，因此該方法結(jié)構(gòu)適用性差，成本高。2002年孫德超等人研究了 Al-Cu接頭的釬焊工藝、接頭的力學(xué)性能以及抗腐蝕性能，試驗(yàn)采用Zn-Al基釬料配合氯化物氟化物釬劑進(jìn)行焊接。由于焊接過程中采用腐蝕性較強(qiáng)的釬劑去除氧化膜，因此焊接完成后存在釬劑殘?jiān)?，釬劑殘?jiān)鼘Νh(huán)境會造成污染和腐蝕。2003年薛松柏等人研究了 Al/Cu管的火焰釬焊技術(shù)。試驗(yàn)中采用含l%Si粉的改進(jìn)型CsF-AlF3無腐蝕性釬劑配合Ag-Al系以及Al-Si系釬料成功進(jìn)行焊接。雖然焊接過程中釬劑無腐蝕性，不需要清洗，但是由于是采用火焰釬焊的技術(shù)，工藝操作性要求高，并且無法實(shí)施大面積結(jié)合，因此其使用范圍較窄。2004年新加坡制造技術(shù)研究所的T. A. Mai和A. C. Spowage采用350WNd: YAG激光器實(shí)現(xiàn)了 Imm厚的純銅與A14047的焊接，對不同焊接速率下的組織形態(tài)以及顯微硬度進(jìn)行分析，測定Al/Cu熔合區(qū)的顯微硬度較高，結(jié)果表明有大量的脆性金屬間化合物生成，接頭強(qiáng)度很差。2007年山東大學(xué)的馬海軍等人研究了 Al/Cu異種金屬的真空釬焊工藝。試驗(yàn)中采用片狀A(yù)l-Si釬料在590°C 615°C保溫I 5min，成功進(jìn)行焊接。由于試驗(yàn)中焊接溫度較高，大大超過鋁銅共晶點(diǎn)548°C，因此很容易造成接頭溶蝕的現(xiàn)象。而且釬料為片狀，對于一些形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件也沒法進(jìn)行焊接。2010年伊朗的T. Saeid等人研究了 6061鋁合金與純銅的攪拌磨擦焊接(FSW)，并對其焊接組織和性能進(jìn)行了分析。由于攪拌摩擦焊接通常只能焊接板材，所以其應(yīng)用范圍較窄。
綜上所述，開發(fā)一種適用于鋁及鋁合金與銅的大面積接合以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接技術(shù)有著重要意義，并具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)一種適用于鋁及鋁合金與銅的大面積接合以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接工藝，其原理是利用Cu、Si原子在鋁/氧化膜界面擴(kuò)散形成液相，去除鋁表面的氧化膜，從而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用Al-Si-Cu三元合金粉(Si含量為5% 7%，Cu含量為28% 30%，余量Al，均是質(zhì)量百分?jǐn)?shù))作為連接層，調(diào)成漿料后涂敷在連接面上，在真空度高于6. 0X10_3Pa，壓力為O. I 5. OMPa，溫度為525°C 555°C的條件下，保溫10 60分鐘，冷卻后取出式樣。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是(I)本發(fā)明采用合金粉作為連接材料，且所需連接壓力低，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及鋁合金與銅的大面積接合以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接。(2)與現(xiàn)有真空釬焊工藝相比，本發(fā)明焊接溫度低(525°C 555°C)，有利于控制溶蝕現(xiàn)象。(3)與現(xiàn)有真空釬焊工藝相比，本發(fā)明所需的真空度要求低，壓力低(O. I 5. OMPa)，有利于降低工藝成本。
具體實(shí)施例方式下面以實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。實(shí)施例I將1060純鋁板和T2紫銅板用線切割切成尺寸為5mmX5mmX2mm和IOmmX IOmmX 2mm的薄板,然后將兩薄板分別在400#和800#砂紙上打磨至光滑,經(jīng)超聲波清洗后用酒精清洗干凈，然后將鋁板分別放在濃度為10%的NaOH溶液和10%的HNO3溶液中浸泡30s后用清水洗干凈。在兩板中間預(yù)置好成分為67Al-5Si-28Cu (wt%)的合金粉調(diào)成的均勻漿料，用不銹鋼夾具按照鋁板-合金粉-中間層的順序組裝好，控制好間隙，然后向下施加5. OMPa的壓力，放在真空爐內(nèi)，真空度為3. O X 10 ,在525°C保溫30分鐘，然后隨爐冷卻，待爐內(nèi)溫度低于100°C時(shí)，取出式樣，在MST810電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如表I。實(shí)施例2本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用5052鋁合金與T2紫銅，采用成分為65Al-7Si-28Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為6. O X 10_3Pa，壓力為3. OMPa,采用焊接溫度設(shè)定為525°C時(shí)，保溫45分鐘，其余工藝步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例3本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用6061鋁合金與T2紫銅，采用成分為65Al-5Si-30Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為5. OX 10_3Pa，壓力為I. OMPa，采用焊接溫度設(shè)定為525°C時(shí)，保溫60分鐘，其余工藝步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例4
本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用3003鋁合金與T2紫銅，采用成分為66Al-6Si-28Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為3. OX 10_3Pa，壓力為5. OMPa,采用焊接溫度設(shè)定為540°C時(shí)，保溫20分鐘，其余工藝步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例5本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用1060純鋁與T2紫銅，采用成分為65Al-6Si-29Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為5. OX 10_3Pa，壓力為3. OMPa,采用焊接溫度設(shè)定為540°C時(shí)，保溫30分鐘，其余工藝步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例6本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用6061鋁合金與T2紫銅，采用成分為63Al-7Si-30Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為5. OX 10_3Pa，壓力為l.OMPa，采用焊接溫度設(shè)定為540°C時(shí)，保溫40分鐘，其余工藝步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例7本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用5050鋁合金與T2紫銅，采用成分為66Al-5Si-29Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為3. O X 10_3Pa，壓力為4. OMPa,采用焊接溫度設(shè)定為555°C時(shí)，保溫10分鐘，其余工藝步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例8本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用1060純鋁與T2紫銅，采用成分為64Al-7Si-29Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為4. OX 10_3Pa，壓力為O. 5MPa，焊接溫度設(shè)定為555°C，保溫20分鐘，其余工藝條件及步驟均與實(shí)施例I相同。實(shí)施例9本實(shí)施例中，與實(shí)施例I不同的是母材采用6005鋁合金與T2紫銅，采用成分為64Al-6Si-30Cu (wt%)合金粉末作為中間層，真空度為5. OX 10_3Pa，壓力為O. IMPa，焊接溫度設(shè)定為555°C，保溫30分鐘，其余工藝條件及步驟均與實(shí)施例I相同。表I接頭剪切強(qiáng)度測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，其特征在于采用Al-Si-Cu三元合金粉作為連接層，在一定真空度和適當(dāng)壓力下，保溫釬焊，保溫溫度為525°C 555°C，保溫時(shí)間為10 60分鐘；A1-Si-Cu三元合金粉的成分質(zhì)量百分比為Si 5% 7%，Cu 28% 30%，余量Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，其特征在于真空度高于6. OXlO-3Pa0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，其特征在于壓力為O. I 5. OMPa0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，其特征在于保溫溫度為525 °C 535 °C，保溫時(shí)間為30 60分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，其特征在于保溫溫度為535 °C 545 °C，保溫時(shí)間為20 40分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，其特征在于保溫溫度為,545 °C 555 °C，保溫時(shí)間為10 30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁及鋁合金與銅的擴(kuò)散釬焊工藝，屬于異種材料連接領(lǐng)域。該工藝選用Al-Si-Cu三元合金粉(Si含量為5%～7%，Cu含量為28%～30%，余量Al，均是質(zhì)量百分?jǐn)?shù))作為連接材料，在一定真空度和一定壓力下，在525℃～555℃保溫10～60分鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁及鋁合金與銅的連接。該方法利用Cu、Si原子在鋁/氧化膜界面擴(kuò)散形成液相，去除鋁表面的氧化膜，從而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，接頭致密，可靠性高，適用于純鋁及其合金與銅的大面積接合以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接。
文檔編號B23K1/19GK102873422SQ20121039825
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者黃繼華, 南水平, 陳樹海, 趙興科, 張華 , 田景玉 申請人:北京科技大學(xué)