一種銅與鋁合金的無中間層非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散連接工藝的制作方法

本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銅與鋁合金的無中間層非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散連接工藝。

背景技術(shù)：

銅與鋁合金都具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，兩者連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能上的特殊要求，還可減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本、充分發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)的特性。但鋁合金表面極易生成的氧化膜嚴(yán)重影響兩者之間的連接，采用機(jī)械連接難以滿足優(yōu)異導(dǎo)電性的功能要求，且接頭處接觸不穩(wěn)定。另外銅與鋁合金在物理化學(xué)性能方面差異較大(熔點(diǎn)相差242℃、線脹系數(shù)相差約40％、導(dǎo)電率相差70％)，采用熔焊方法連接時(shí)，接頭易生成硬脆的銅-鋁金屬間化合物，導(dǎo)致接頭裂紋萌生及斷裂。到目前為止，銅與鋁合金的連接多采用非熔化焊方法，如摩擦焊、爆炸焊、超聲波焊、壓力焊、釬焊等。但摩擦焊只用于焊接銅-鋁管接頭，超聲波焊及壓力焊設(shè)備復(fù)雜，成本高，釬焊接頭強(qiáng)度較低。

中國發(fā)明專利(2005100446278和201210398254.4)提出了采用添加中間合金(分別為Al-Si-Mg和Al-Si-Cu)進(jìn)行鋁合金與銅擴(kuò)散釬焊的方法，但中間合金容易造成接頭擴(kuò)散層增寬，降低接頭的導(dǎo)電性能。

中國發(fā)明專利(2009 1 0231168.2)提出的銅與鋁異種金屬的低溫釬焊方法，需要將試板浸入混合液態(tài)釬料中，會造成釬料的浪費(fèi)以及造成殘余釬料對試板的整體腐蝕。

中國發(fā)明專利(02 1 59026.5)提出了一種鋁與銅雙金屬片的低溫低壓反應(yīng)擴(kuò)散焊方法，由于焊接過程中需要形成Al-Mg-Cu三元共晶液相，此方法應(yīng)用范圍有限，只適用于Al-Mg系鋁合金與純銅之間的真空連接。

中國發(fā)明專利(2011 1 0256606.8)提出了一種非真空條件下進(jìn)行鋁與異種金屬壓接擴(kuò)散焊的工藝，但在焊前需要對試件待焊部位進(jìn)行30％以上的鐓粗變形，難以保證焊接結(jié)構(gòu)的尺寸，并且需要專用夾具和工裝，連接工藝較為繁瑣。

中國發(fā)明專利(2015 1 0780168.3)在進(jìn)行鋁與銅的真空擴(kuò)散焊之前，需要采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置對鋁和銅材表面進(jìn)行氫化處理，這對于消除氧化膜具有顯著效果，但該項(xiàng)工藝操作較復(fù)雜，需要昂貴的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置和設(shè)備。

因此，亟需尋求新的銅與鋁合金的連接工藝，以改善接頭性能，并推動銅與鋁異種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的提供一種銅與鋁合金的無中間層非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散連接工藝。本發(fā)明在不添加中間層的條件下，利用非連續(xù)加壓的方式，促使銅-鋁擴(kuò)散界面高溫形成的金屬間化合物破碎溶解，從而改善接頭的組織性能，實(shí)現(xiàn)銅與鋁異種金屬的擴(kuò)散結(jié)合。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種銅與鋁合金的無中間層非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散連接工藝，包括如下步驟：

將待連接的銅和鋁或鋁合金試板放入真空擴(kuò)散焊裝置的真空室中，控制真空室的真空度為10^-4～10^-5Pa，開啟加熱程序，升溫速度為5～15℃/min，升溫過程中在330～350℃和520～530℃分別設(shè)置保溫平臺，保溫時(shí)間為5～10min；然后開啟加壓程序，進(jìn)行非連續(xù)加壓，并繼續(xù)升溫至570～595℃，保溫40～60min；完成擴(kuò)散連接。

上述真空擴(kuò)散連接工藝中，所述待連接的銅和鋁或鋁合金試板在焊前還包括表面清理的步驟，目的是去除試板表面的油污和氧化皮，確保試板表面潔凈干燥。

所述表面清理包括：對銅和鋁或鋁合金試板進(jìn)行打磨、清洗，以及對鋁或鋁合金試板進(jìn)行堿洗和酸洗，對銅試板進(jìn)行酸洗；其具體操作為：

(1)采用不同型號的砂紙對銅和鋁或鋁合金試板進(jìn)行打磨，以確保試板的光潔度；

(2)采用丙酮對銅和鋁或鋁合金試板表面進(jìn)行清洗，以去除油污；

(3)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％～20％的NaOH溶液在40～60℃的水浴加熱中對鋁或鋁合金試板進(jìn)行堿洗，保持3～5min，然后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％～30％的HNO₃對鋁或鋁合金試板進(jìn)行酸洗，再用酒精沖洗，吹干后待用。堿洗和酸洗的目的去除鋁或鋁合金表面的三氧化二鋁氧化膜，促進(jìn)銅與鋁界面擴(kuò)散結(jié)合。

(4)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％～10％的HCl對銅試板進(jìn)行酸洗，保持3～5min，然后用酒精沖洗，吹干后待用。對銅試板酸洗的目的是去除銅表面的氧化亞銅氧化膜，促進(jìn)銅與鋁界面擴(kuò)散結(jié)合。

上述真空擴(kuò)散連接工藝中，所述非連續(xù)加壓的操作為：壓力為1～7MPa，每保持5～8min壓力，間歇時(shí)間為1～2min，整個(gè)加壓時(shí)間控制在40～60min。

上述真空擴(kuò)散連接工藝中，采用鈦合金試板對待焊的銅和鋁或鋁合金試板進(jìn)行上下壓緊，以確保受力均勻。另外，由于鈦合金的強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高，因此鈦合金試板不會對銅和鋁或鋁合金試板的真空擴(kuò)散連接產(chǎn)生影響。

上述真空擴(kuò)散連接工藝中，擴(kuò)散連接完成后，還包括冷卻、以及冷卻后將連接試樣取出的操作。具體為：擴(kuò)散連接完成后，撤除壓力并采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，待真空室溫度降至80℃以下時(shí)，將連接試樣取出。

本發(fā)明的銅與鋁合金的無中間層非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散連接工藝的工作原理在于：在一定的真空度條件下，將銅和鋁或鋁合金的平整光潔的接觸表面加熱到一定的溫度，再施加一定的壓力，保持一定的時(shí)間，在“真空-溫度-非連續(xù)施壓-保溫”同時(shí)作用下，銅與鋁界面發(fā)生微觀塑性流變后相互緊密接觸，利用連接接觸表面的原子互相擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，并且形成金屬鍵或共價(jià)鍵，經(jīng)一段時(shí)間的保溫，使連接界面附近的成分、組織均勻化，達(dá)到完全的冶金連接過程。更為關(guān)鍵的是，本發(fā)明采用非連續(xù)加壓的方式，促使銅與鋁擴(kuò)散界面高溫形成的Cu-Al金屬間化合物被破碎溶解，從而進(jìn)一步改善了擴(kuò)散接頭的組織性能。

加熱溫度是真空擴(kuò)散連接的重要工藝參數(shù)，加熱溫度的微小變化都會使擴(kuò)散速度產(chǎn)生較大的變化，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大；但當(dāng)溫度高于一定值后，溫度再提高時(shí)，界面附近組織粗化，真空擴(kuò)散連接的接頭質(zhì)量提高不多，有時(shí)反而有所下降。保溫時(shí)間是指被焊工件在焊接溫度下的保持時(shí)間，保溫時(shí)間太短，則擴(kuò)散焊接接頭達(dá)不到穩(wěn)定的與母材相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度；若保溫時(shí)間過長，則對擴(kuò)散接頭起不到進(jìn)一步的提高作用，反而會使母材的晶粒長大。本發(fā)明采用在真空擴(kuò)散連接工藝的升溫過程中設(shè)置多個(gè)保溫平臺，主要是確保待連接試板的受熱均勻，更好的促進(jìn)連接接觸表面的元素?cái)U(kuò)散轉(zhuǎn)移。本發(fā)明對保溫平臺的設(shè)置個(gè)數(shù)和設(shè)置溫度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明通過設(shè)置2個(gè)保溫平臺，溫度分別為330～350℃和520～530℃，可以保證銅與鋁待連接試板的受熱更為均勻，更好的促進(jìn)了連接接觸表面的元素之間的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移。

本發(fā)明還對非連續(xù)加壓的操作工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，分別對加壓的壓力、每次加壓的保持時(shí)間、間歇時(shí)間和整個(gè)加壓操作的控制時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于其他的非連續(xù)加壓操作，采用本發(fā)明的非連續(xù)加壓操作，即：壓力為1～7MPa，每保持5～8min撤除壓力，間歇時(shí)間為1～2min，整個(gè)加壓時(shí)間控制在40～60min，其對銅與鋁擴(kuò)散連接接頭的組織性能的改善效果更為顯著。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明利用真空擴(kuò)散焊設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一次多件的焊接，大大提高焊接效率。

(2)本發(fā)明利用非連續(xù)加壓的方式，促使銅與鋁擴(kuò)散界面高溫形成的Cu-Al金屬間化合物破碎溶解，從而改善接頭的組織性能。

(3)本發(fā)明的真空擴(kuò)散連接工藝無中間層的添加，可滿足銅與鋁異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)接頭處對導(dǎo)電性能的要求，在電力設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1：實(shí)施例1擴(kuò)散連接后的銅與鋁試樣及界面結(jié)合形貌；其中，a為擴(kuò)散連接后的銅與鋁試樣，b為界面結(jié)合形貌；

圖2：實(shí)施例2擴(kuò)散連接后的銅與鋁合金試樣。

具體實(shí)施方式

結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，應(yīng)該說明的是，下述實(shí)施例說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進(jìn)行限定。

實(shí)施例1：

將厚度為4mm的T2紫銅與厚度為2mm的1060工業(yè)純鋁進(jìn)行無中間層的非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散焊連接，工件尺寸均為40mm×80mm。

具體工藝步驟如下：

(1)焊前表面清理

采用不同型號的金相砂紙對工件待連接表面進(jìn)行打磨，確保試板的光潔度。采用丙酮對工件表面進(jìn)行清洗，去除油污。采用15％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH溶液在60℃的水浴加熱中對1060工業(yè)純鋁試板進(jìn)行堿洗，保持5min，然后采用20％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的HNO₃對1060工業(yè)純鋁進(jìn)行酸洗，再用酒精沖洗，吹干后待用。采用3％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的HCl對T2紫銅進(jìn)行酸洗，保持3min，然后用酒精沖洗，吹干后待用。

(2)真空擴(kuò)散連接

為確保受力均勻，用鈦合金試板對待連接的銅與鋁試板進(jìn)行上下壓緊后，一同放入真空擴(kuò)散焊設(shè)備的真空室中，進(jìn)行抽真空10min，真空度達(dá)到10^-4Pa，開啟加熱程序，升溫速度為5℃/min。為確保受熱均勻，升溫過程中在350℃和530℃分別設(shè)置保溫平臺，保溫時(shí)間控制在10min。然后開啟加壓程序并繼續(xù)升溫至570℃，壓力為7MPa，施壓方式為非連續(xù)加壓，每保持8min撤除壓力，間歇時(shí)間為1min，整個(gè)加壓時(shí)間和保溫時(shí)間控制在40min。擴(kuò)散連接完成之后，撤除壓力并采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，待真空室溫度降至60℃時(shí)，將連接試樣取出。

擴(kuò)散連接后的銅與鋁試樣及界面結(jié)合形貌如圖1中a和b所示。由圖1可以看出：采用本發(fā)明的工藝可以實(shí)現(xiàn)銅和鋁的有效連接，接頭界面無擴(kuò)散孔隙存在。

實(shí)施例2：

將厚度為2mm的T2紫銅與厚度為4mm的5A06防銹鋁進(jìn)行無中間層的非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散焊連接，工件尺寸均為60mm×60mm。

具體工藝步驟如下：

(1)焊前表面清理

采用不同型號的金相砂紙對工件待連接表面進(jìn)行打磨，確保試板的光潔度。采用丙酮對工件表面進(jìn)行清洗，去除油污。采用20％的NaOH溶液在40℃的水浴加熱中對5A06鋁合金試板進(jìn)行堿洗，保持3min，然后采用30％的HNO₃對5A06防銹鋁進(jìn)行酸洗，再用酒精沖洗，吹干后待用。采用10％的HCl對T2紫銅進(jìn)行酸洗，保持5min，然后用酒精沖洗，吹干后待用。

(2)真空擴(kuò)散連接

為確保受力均勻，用鈦合金試板對待連接的銅與鋁試板進(jìn)行上下壓緊后，一同放入真空擴(kuò)散焊設(shè)備的真空室中，進(jìn)行抽真空15min，真空度達(dá)到10^-5Pa，開啟加熱程序，升溫速度為15℃/min，為確保受熱均勻，升溫過程中在330℃和520℃分別設(shè)置保溫平臺，保溫時(shí)間控制在5min。然后開啟加壓程序并繼續(xù)升溫至595℃，壓力為2MPa，施壓方式為非連續(xù)加壓，每保持5min撤除壓力，間歇時(shí)間為2min，整個(gè)加壓時(shí)間和保溫時(shí)間控制在60min。擴(kuò)散連接完成之后，撤除壓力并采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，待真空室溫度降至80℃時(shí)，將被連接試樣取出。

擴(kuò)散連接后的銅與鋁試樣如圖2所示，由圖2可以看出：采用本發(fā)明的工藝可以實(shí)現(xiàn)銅與鋁合金的有效連接，接頭界面無擴(kuò)散孔隙存在。

對比例1：

將厚度為4mm的T2紫銅與厚度為2mm的1060工業(yè)純鋁進(jìn)行無中間層的非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散焊連接，工件尺寸均為40mm×80mm。

焊前的表面清理同實(shí)施例1。區(qū)別在于：真空擴(kuò)散連接的操作中，將升溫速度調(diào)整為20℃/min，升溫過程中不設(shè)置保溫平臺，直接升溫至530℃。其余操作同實(shí)施例1。

對焊后的接頭進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散連接界面出現(xiàn)局部未擴(kuò)散結(jié)合的缺陷。

對比例2：

將厚度為4mm的T2紫銅與厚度為2mm的1060工業(yè)純鋁進(jìn)行無中間層的非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散焊連接，工件尺寸均為40mm×80mm。

焊前的表面清理同實(shí)施例1。區(qū)別在于：真空擴(kuò)散連接的操作中，將施壓方式調(diào)整為連續(xù)施壓，壓力為7MPa，施壓時(shí)間為60min。其余操作同實(shí)施例1。

對焊后的擴(kuò)散接頭進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散連接的接頭組織存在大量Cu-Al金屬間化合物，接頭的組織均勻性欠佳；而且出現(xiàn)局部殘余變形的缺陷。

對比例3：

將厚度為2mm的T2紫銅與厚度為4mm的5A06防銹鋁進(jìn)行無中間層的非連續(xù)加壓真空擴(kuò)散焊連接，工件尺寸均為60mm×60mm。

焊前的表面清理同實(shí)施例2。區(qū)別在于：真空擴(kuò)散連接的操作中，將非連續(xù)加壓的操作調(diào)整為：壓力為0.5MPa，每保持10min撤除壓力，間歇時(shí)間為3min，整個(gè)加壓時(shí)間和保溫時(shí)間控制在50min。

對焊后的接頭進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散連接的接頭組織仍存在Cu-Al金屬間化合物，接頭的組織均勻性欠佳。