一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法技术

本发明专利技术公开了一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，焊接过程为采用无针或有针工具，在界面上无需预置钎料，焊前无需退火或预热，利用工具轴肩与一种母材表面间的摩擦热，在界面上利用高的界面温度及其引发的共晶反应获得共晶液相，并利用轴肩挤出共晶液相，以破除氧化膜和排出低熔点脆性共晶组织，最终形成扩散组织。本发明专利技术适用于具有共晶反应的母材组合，如铝/铜、铝/锌组合，尤为适用于大面积搭接的工况，包括复合板的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及异种共晶金属(如Cu/Al组合，Cu/Ti组合，Al/Zn组合，Al/Mg组合)搭接焊接及其复合板制备方法。
技术介绍
铜/铝大面积搭接接头(薄铜在上，厚铝在下)在散热器行业(如CPU行业)、电力行业(输电母线)、冶金行业(供电母线)等行业应用极为广泛。改善散热器的散热效果对提高大型计算机CPU运算速度具有重要的意义，通常采用在铝合金散热翅片反面钎焊一层5～6mm厚的紫铜板，或者改用铜热管外包铝合金翅片结构，以提高散热效果，铜铝接头采用板-板或管-板搭接形式(参考文献1)。在电力行业中为降低成本常用铝代替铜，变压器和放电器等重要设备中引线端是铜母线，而一般电器线路中的导线多为铝母线。铝铜的连接通常有机械连接和焊接，与机械连接方式相比，焊接具有结合强度高、界面电阻小、简化施工及安装、方便维修等优点(参考文献2)。Al/Cu复合困难在于：(1)易形成脆性金属间化合物(IMC)；(2)铝表面氧化膜难以去除。常见的熔焊方法无法用于大面积搭接，而且因脆性金属间化合物导致接头脆化，难以获得可靠的接头。闪光焊只适于对接接头，耗电大；烧化末期端部熔化深度有一定的随机性使残留金属间化合物的量难以控制，加之对顶锻速度要求极高(冲击式顶锻)，引起接头性能不稳定，重复性差、接头合格率低。采用铝基钎料钎焊铜/铝接头时，尽管铝侧形成联生结晶，但在铜侧及钎缝内因出现CuAl2而导致裂纹产生。铜基钎料因熔点高而无法使用。锌基(Zn-2Al，Zn-15Al，Zn-22Al)或锡基软钎料虽然钎焊温度低，有利于降低金属间化合物的形成，但对铝的润湿性很差，常要求使用钎剂，如无腐蚀性钎剂KAlF4-CsAlF4(参考文献3、4)。目前铝-铜大面积搭接复合方法主要有轧制复合法(较多)和爆炸复合法(较少)(参考文献5)，此外还有申请者于2011年在国内外刊物公开的搅拌摩擦钎焊(FSB:frictionstirbrazing)方法(参考文献6)。轧制复合分为冷轧和热轧。冷轧是指在室温下进行的轧制，由于轧制过程中要发生大的变形量，因此为防止过量变形导致的开裂，冷轧前常要对基体金属进行退火处理(铝300℃，保温30min，炉冷；铜450℃，保温30min，炉冷)，且为增大界面的冶金结合率，降低变形残余应力，轧制后也要进行扩散退火(150～350℃，保温30min，炉冷)，耗费能源和工时(参考文献7、8)；热轧是指轧制温度高于室温100～300℃的轧制，热轧在轧前要加热母材，导致浪费能源，并使母材表面氧化，甚至恶化界面焊合质量(参考文献9、10)，对于两种趋向于形成脆性化合物的金属，复合过程的实施是致命的(参考文献11)。赵鸿金，王达等人指出因铜在高于室温的环境中易生成延展性好、轧制时难以破除的氧化铜层，氧化膜的存在阻碍金属间的冶金结合，因此铜铝不适合热轧(参考文献5)。爆炸焊对覆板金属的厚度和基、覆板的结构形状有较高的要求，金属铝做覆板厚度小于2mm时，基板与覆板间隙因覆板金属挠度较大存在较大不均匀性、难以控制，最终的结果是边缘处难接触，而中心部位被爆破。铝-铜CPU散热器，铝型鳍片是通过挤压成型的，爆炸复合容易导致散热器鳍片变形(参考文献12)。此外爆炸焊接铜(15mm)/铝(12mm)组合时，由于铜基层较软会产生一些直径约为10mm，深度约为3.5～4.0mm的凹坑，需焊后补焊修复，且为避免铝-铜界面温度过度升高，铝-铜复合区域的铜母材不能补焊修复，补焊修复只能对铝-铜复合区以外且距复合区域边界30mm的铜面进行修复(参考文献13)。搅拌摩擦焊是一种短时加热的固相焊接方法，能有效抑制异种金属熔焊时出现的过量脆性金属间化合物，在铝与异种金属的焊接方面有很大的应用潜力，且具有无电弧、全数控的特点。但搅拌摩擦搭接焊比搅拌摩擦对接焊更加困难，主要表现在：界面氧化膜分散与竖向混合不良(工具的旋转方向和焊接界面是平行的)；针的磨损与断裂；两种母材因屈服强度、软化温度与流动应力不同导致的界面微孔与“钩子”(Hook)；单道焊接面积受限于针的直径(一般约5mm左右)而很小(参考文献14)。针对搅拌摩擦搭接焊的问题，申请人前期研发了搅拌摩擦钎焊(FSB:Frictionstirbrazing或FSS:Frictionstirsoldering)新技术(参考文献15、16)，它采用无针或短针工具消除坚硬母材对工具的恶化磨损；同时综合利用钎料的冶金作用(膜下溶解与潜流)、工具的力学作用(锻压效应与界面扭转效应)实现去膜、挤出钎料，可靠地获得了厚度适中的扩散层，从而降低了在实现界面混合方面对搅拌及塑性变形的苛求，即使在无针的情况下也能获得可靠的界面连接，也可用于制备双金属复合板。然而，对于像散热器类需要将铜置于外侧，进行铜/铝大面积搭接组合(铜在上作为摩擦面，铝在下作为基板)的搅拌摩擦钎焊时，发现不仅表面成型差，而且断裂载荷低。申请者前期实验结果表明，当采用锡做钎料的时候表面成形很差(焊道不光滑，焊道宽窄不均匀；大部分焊道表面呈白色，表明上板铜母材被溶穿，伴有大小不等的溶蚀坑；黏附搅拌头；断口虽有螺旋状的搅拌痕迹，但断口极为光滑)；当采用锌做钎料的时候，断裂载荷很低(对2mm厚的铜母材，3mm厚的铝母材，采用搅拌工具直径D＝20mm，倾角3°，焊速150～375mm/min，拉剪试样搭接尺寸为20×20mm，断裂载荷为0～1.69KN，其中235mm/min焊速所得部分接头在制样中即自行开裂，断裂载荷为0)。另外，尽管申请者前期研发的搅拌摩擦钎焊工艺在铝/钢、铝/不锈钢、铝/铜等不同组合中都能获得断裂于铝板母材内而非焊接界面的良好搭接接头，但需预置钎料，增加了材料成本，而且钎料预置前需打磨清理，降低了生产效率。参考文献：1.夏天东，魏守征，俞伟元等.几种典型铜铝接头的应用和分离技术探讨.材料导报，2011，25(15)：110-113.2.陈延辉，汪宁，王生希.电器开关行业中铝铜焊接研究的可行性分析.电气制造，2008(8)：48-49.3.JiFeng,XueSongbai,LouJiyuan,LouYinbin,WangShuiqing.MicrostructureandpropertiesofCu/AljointsbrazedwithZnAlfillermetals.Trans.NonferrousMet.Soc.China22(2012):281-287.4.亓永新，杨瑞鹏.铝铜焊接进展.焊接技术，2000，29(5)：4-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其特征在于：选取能发生共晶反应的板材A以及板材B两种异种母材并按照搭接方式进行装配，利用搅拌工具轴肩与其中一种母材表面间的摩擦热，在母材界面上引发共晶反应，获得共晶液相，并利用所述轴肩挤出共晶液相，以破除母材表面氧化膜和排出低熔点脆性共晶组织，最终在母材界面形成扩散组织，实现异种母材接头或复合板的制备。

【技术特征摘要】
1.一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其特征在于：选取能发生
共晶反应的板材A以及板材B两种异种母材并按照搭接方式进行装配，利用搅拌工具
轴肩与其中一种母材表面间的摩擦热，在母材界面上引发共晶反应，获得共晶液相，并
利用所述轴肩挤出共晶液相，以破除母材表面氧化膜和排出低熔点脆性共晶组织，最终
在母材界面形成扩散组织，实现异种母材接头或复合板的制备。
2.根据权利要求1所述一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其特
征在于：对具有共晶反应的母材搭接组合，装配时根据板材A以及板材B的屈服强度
差异，将屈服强度较高的板材作为与搅拌工具轴肩相接触的上板。
3.根据权利要求1所述一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其特
征在于：对具有共晶反应的母材搭接组合，装配时在能够获得高于共晶温度的界面温度
前提下，将屈服强度较低的板材作为与搅拌工具轴肩相接触的上板。
4.根据权利要求1所述一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其特
征在于：焊接过程采用无针或有针搅拌工具，在母材界面上无需预置钎料，焊前无需对
母材退火或预热。
5.根据权利要求1所述一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其特
征在于：利用多道搅拌摩擦共晶反应焊可制备由共晶系母材组成的双金属复合板；利用
单道搅拌摩擦共晶反应焊可制得异种金属的搭接接头。
6.根据权利要求5所述一种用于异种金属搭接的搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，倪显清，张林杰，牛靖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61