CN100349683C - 一种使铜－铝接头结合强度高的扩散钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使铜-铝接头结合强度高的扩散钎焊方法，主要是在铜板与铝板叠合待焊面之间放置表面去除氧化膜的片状Al-Si-Mg钎料，用不锈钢工装板将工件夹紧后放入真空炉中，以工艺参数为：升温速度为10～20℃/min，当温度升至300～350℃和510～540℃时，各保温5min，然后继续升温至616～624℃，保温时间4～6min；进行真空扩散钎焊。本发明的方法实现了铜板与铝板的可靠连接，形成的铜-铝复合板界面结合稳定、密封性好、接头处平整美观，结合界面剪切强度大于60MPa，抗拉强度大于100MPa。能够进一步满足工程上对铜-铝连接接头的各种需要。本发明涉及的方法具有工艺简单、结合强度高、制造成本低、能实现批量生产和便于推广应用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜与铝间的焊接方法，尤其涉及一种使铜与铝结合强度高的真空扩散钎焊方法，属于焊接技术领域。
背景技术
铜、铝由于其导热性、导电性和成分等优势的互补，使得铜—铝接头在化工、电力、制冷等工业领域中有着广泛的应用前景。铝与铜形成连接件可以降低成本，减轻构件的重量以及发挥各自的优点。但由于铜与铝的熔点及物理化学性能差异较大，加之铝在焊接过程中表面氧化膜的存在，铜—铝接头实现焊接的难度很大。
铜—铝焊接难度主要表现在：①铜与铝之间的冶金不相容性，焊接时难以形成固溶体焊缝组织；②铜与铝负电性差异较大，在合金中极易形成脆硬的铜-铝金属间化合物，这些脆硬的金属间化合物是引起焊接缺陷的重要原因；③铜与铝熔点差别较大，当铝熔化时，铜仍处于固态；④铜与铝的线膨胀系数相差较大，铝的线膨胀系数比铜高50％，焊接冷却时产生较大的应力，易产生裂纹，严重时甚至使焊缝与母材剥离。因此，到目前为止铜—铝焊接较多采用非熔化焊方法，如摩擦焊、爆炸焊、超声波焊、压力焊等。但摩擦焊只能用于焊接铜—铝管接头，超声波焊及压力焊设备复杂，成本较高。而且，受工艺条件的影响，这些焊接方法在焊接铜—铝板材及应用方面受到一定的限制。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明要解决的问题是，提出一种使铜与铝结合强度高的真空扩散钎焊方法，利用本发明的方法可以实现铜板与铝板的可靠连接，形成界面结合稳定、密封性好的铜—铝板材对接接头，以满足工程上对铜-铝连接接头的需要。
本发明的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，由下述步骤组成：
(1)焊前去除铜和铝板表面的油污和氧化膜，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且干燥；
(2)在铜与铝板待焊面之间置入表面去除氧化膜的片状Al-Si-Mg钎料，用不锈钢板加紧后放入真空炉中，进行真空扩散钎焊；
(3)真空扩散钎焊工艺参数为：真空度抽至10-3Pa以上，启动加热装置，加热升温速度为10～20℃/min，当温度升至300～350℃和510～540℃时，各保温5min，然后继续升温至616～624℃，保温时间4～6min；
(4)待焊接完成并自然冷却至600℃以下时，关闭加热装置；
(5)待温度冷却至400℃～450℃时，填充氮气以加快冷却；
(6)待温度冷却至100℃以下，即可取出焊接工件。
其中，上述铜板表面油污的去除方法是，将铜板置于80～90℃的质量百分比的10％NaOH水溶液中，浸洗8～10min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干。
其中，上述铜板表面氧化膜的去除方法是，将铜板置于含有质量百分比为1％～3％的碳酸钠和体积百分比为12.5％的硫酸的水溶液中，在温度20～80℃下，浸洗5～7min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干。
其中，上述铝板或钎料表面油污和氧化膜的去除方法是，将铝板或钎料置于硝酸水溶液中，在温度20～37℃下，浸洗5～15min，然后取出用冷水、热水将其表面冲洗干净，烘干；
上述硝酸水溶液是由19升浓度为体积百分比58％～62％的硝酸与129升水配制而成。
在上述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法中，所述片状Al-Si-Mg钎料的组分含量是，以质量百分比计Si：6.8～13％；Mg：0.2～2.0％，其中Zn＜0.2％；余量为Al。
其中，上述片状Al-Si-Mg钎料的组分含量优选是，以质量百分比计Si：9.0～10.5％；Mg：0.2～1.2％，其中Zn＜0.2％；余量为Al。
其中，上述片状Al-Si-Mg钎料的熔化温度为559～607℃。
其中，上述片状Al-Si-Mg钎料的厚度优选为0.6～1.2mm。
在上述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法中，步骤(2)所述焊接工件的叠放次序是铝板-钎料-铜板；所述焊接工件可多层叠放，其外侧面同样用不锈钢板加紧。
在上述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊过程中，真空度条件不低于9.6×10-2Pa。
利用本发明的铜-铝扩散钎焊方法，在Al-Si-Mg钎料的润湿作用下，通过真空钎焊和界面扩散圆满实现了铜与铝板材的高强度焊接，并且形成的铜—铝板材对接接头界面结合稳定、密封性好、连接可靠，能够进一步满足工程上对铜-铝连接接头的各种需要。本发明涉及的铜-铝扩散钎焊方法具有工艺方法简单、制造成本低、生产周期短、能实现批量生产和便于推广应用等优点。采用本发明给出的Al-Si-Mg钎料，使加热温度控制在616～624℃，保温时间4～6min，可以制得界面结合强度较高的铜-铝扩散钎焊接头，经试验测试：界面剪切强度大于60MPa，抗拉强度大于100MPa。
具体实施方式
实施例1：厚度1mm的紫铜板(T2)与厚度6mm的纯铝板(L4)的真空扩散钎焊，工件尺寸均为：80mm×60mm。
具体工艺步骤如下：
焊前将L4纯铝板和Al-Si-Mg钎料浸入19升硝酸(58％～62％)与129升水的溶液中，25～30℃下浸洗8～12min(铝板浸洗12min，片状Al-Si-Mg钎料浸洗8min)，去除表面的油和氧化膜，然后经冷水、热水冲洗后，用热风吹干；将铜片置于80～90℃的10％NaOH水溶液中，浸洗10min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干后，再置于含有质量百分比为2％的碳酸钠和体积百分比为12.5％的硫酸的水溶液中，在30～57℃温度下，浸洗5min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干。将厚度1.0mm的片状Al-Si-Mg钎料(Si 9.0％～10.5％，Mg 0.2％～1.2％，Zn＜0.20，余量为Al)置于铜板和铝板之间，其外侧面用不锈钢板加紧(用螺母紧固)，装入真空炉中，进行真空扩散钎焊。
当真空炉的真空度抽至10-3Pa时启动加热。加热过程中，升温速度控制在15℃/min，升温至350℃和530℃时，各保温5min，然后继续升温至624℃，保温6min；上述焊接过程中，真空度条件不低于9.6×10-2Pa。然后冷却。温度冷却至600℃以下，关闭加热装置；待温度冷却至450℃时，填充氮气加快冷却速度；待冷温度却至100℃以下，即可取出焊接工件。经测试，得到的铜(T2)与纯铝(L4)扩散钎焊接头的剪切强度为61MPa，抗拉强度为102MPa。
实施例2：厚度2mm的紫铜板(T2)与厚度4mm的(LF21)防锈铝板的真空扩散钎焊，工件尺寸：铜板60mm×40mm，铝板100mm×40mm。
具体工艺步骤如下：
焊前将LF21防锈铝板和Al-Si-Mg钎料浸入19升硝酸(58％～62％)与129升水的溶液中，28～35℃下浸洗10～12min(铝板浸洗12min，片状Al-Si-Mg钎料浸洗10min)，去除表面的油和氧化膜，然后经冷水、热水冲洗后，烘干；将铜片置于85℃的10％NaOH水溶液中，浸洗8min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干后，再置于含有质量百分比为3％的碳酸钠和体积百分比为12.5％的硫酸的水溶液中，在40～65℃温度下，浸洗7min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干。将厚度0.8mm的片状Al-Si-Mg钎料(Si 9.5％～11.5％，Mg 0.5％～1.5％，Zn＜0.20，余量为Al)置于铜板和铝板之间，其外侧面用不锈钢板加紧(用螺母紧固)，装入真空炉中，进行真空扩散钎焊。
当真空炉的真空度抽至10-3Pa时启动加热。加热过程中，升温速度控制在14℃/min，升温至340℃和520℃时，各保温5min，然后继续升温至620℃，保温5min；上述焊接过程中，真空度条件不低于9.6×10-2Pa。然后冷却。温度冷却至600℃以下，关闭加热装置；待温度冷却至440℃时，填充氮气加快冷却速度；待冷温度却至100℃以下，即可取出焊接工件。经测试，得到的铜(T2)与防锈铝(LF21)扩散钎焊接头的剪切强度为63MPa，抗拉强度为106MPa。
Claims (10)
1.一种使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，由下述步骤组成：
(1)焊前去除铜和铝板表面的油污和氧化膜，使其洁净并干燥；
(2)在铜与铝板待焊面之间置入表面去除氧化膜的片状Al-Si-Mg钎料，用不锈钢板加紧后放入真空炉中，进行真空扩散钎焊；
(3)真空扩散钎焊工艺参数为：真空度抽至10-3Pa以上，启动加热装置，加热升温速度为10～20℃/min，当温度升至300～350℃和510～540℃时，各保温5min，然后继续升温至616～624℃，保温时间4～6min；
(4)待焊接完成并自然冷却至600℃以下时，关闭加热装置；
(5)待温度冷却至400℃～450℃时，填充氮气以加快冷却；
(6)待温度冷却至100℃以下，即可取出焊接工件。
2.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述铜板表面油污的去除方法是，将铜板置于80～90℃的质量百分比为10％的NaOH水溶液中，浸洗8～10min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干。
3.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述铜板表面氧化膜的去除方法是，将铜板置于含有质量百分比为1％～3％的碳酸钠和体积百分比为12.5％的硫酸的水溶液中，在温度20～80℃下，浸洗5～7min，然后取出用清水将其表面冲洗干净，烘干。
4.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述铝板或钎料表面油污和氧化膜的去除方法是，将铝板或钎料置于硝酸水溶液中，在温度20～37℃下，浸洗5～15min，然后取出用冷水、热水将其表面冲洗干净，烘干；
其中，所述硝酸水溶液是由19升浓度为体积百分比58％～62％的硝酸与129升水配制而成。
5.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述片状Al-Si-Mg钎料的组分含量是，以质量百分比计Si：6.8～13％；Mg：0.2～2.0％，其中Zn＜0.2％；余量为Al。
6.如权利要求5所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述片状Al-Si-Mg钎料的组分含量是，以质量百分比计Si：9.0～10.5％；Mg：0.2～1.2％，其中Zn＜0.2％；余量为Al。
7.如权利要求5或6所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述片状Al-Si-Mg钎料的熔化温度为559～607℃。
8.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述片状Al-Si-Mg钎料的厚度为0.6～1.2mm。
9.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，步骤(2)所述焊接工件的叠放次序是铝板-钎料-铜板；所述焊接工件可多层叠放，其外侧面同样用不锈钢板加紧。
10.如权利要求1所述的使铜-铝结合强度高的扩散钎焊方法，其特征是，所述焊接过程中，真空度不低于9.6×10-2Pa。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING CHINATEX PRECISION MECHANICAL AND ELECTRI Free format text: FORMER OWNER: SHANDONG UNIV. Effective date: 20081010 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20081010 Address after: No. 3, Jing Jing Li street, Chaoyang District, Beijing Patentee after: Beijing Zhongfang Jingye Electronichanical Device Co.,Ltd. Address before: No. 27, Da Nan Road, Lixia District, Shandong, Ji'nan Patentee before: Shandong University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20071121 Termination date: 20140906 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |