CN101494322A - 一种钨铜连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钨铜连接方法，包括下述步骤：钨金属表面加工出波形沟槽并表面处理：铜金属表面加工和清洗：然后将铜金属1150～1200℃真空熔覆在钨波形表面上；将熔覆表面、铜合金加工、清洗：叠放装配成焊件，于真空室中850～900℃压力扩散焊连接。本发明方法不采用钎料或着中间层，工艺操作简便、成本低、连接效果好，为钨与铜异种金属连接开辟了新的途径，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及异种金属间的连接方法，特别涉及到钨和铜合金异种金属之间的连接方法。
背景技术
钨(W)因熔点高(3410℃)、抗腐蚀性能好等优点，而常选作为耐高温材料；作为耐热材料，钨在航空航天、能源和电子等领域有特殊的应用，如燃料喷管的衬里、真空电子器件阳极等；Cu及其合金因高热导率(400W/mK)的特点，而往往选为散热材料。与钨连接可达到加强散热作用。为此，钨与铜及其合金的连接件是面向等离子体元件的首选复合结构件。由于钨与铜在力学和物理性能方面的差异，特别是热膨胀系数差别(αCu＝4αw)，将会直接导致接头中产生极大的残余应力，造成接头在降温过程中的断裂。另一方面钨与铜熔点差异很大，不能直接形成冶金结合，因而也很难直接采用扩散的方法连接。
由于钨铜连接过程会产生的高残余应力，影响接头的质量，因此，为了有效缓解残余应力，提高接头使用性能，钨铜连接时往往需要有中间层，目前，W与Cu合金连接方法主要是用塑性好，屈服强度较低的软金属Ni、Ti或者铜锰合金作为中间层进行扩散焊或活性钎焊。其机理是通过中间层的塑性变形和蠕变来缓解应力。但是，由于冶金反应过程中可能产生硬而脆的金属间化合物，引起界面应力集中，残余应力无法有效释放，从而引起断裂。其次中间层采用钨铜FGM材料(功能梯度材料)，即采用粉体混合与分层叠加的方法，使中间层的线膨胀系数由一侧过渡到另一侧，从而匹配被连接材料。然而，钨铜FGM材料制备工艺相对复杂，应用仍十分有限。
发明内容
针对现有技术中真空钎焊和扩散焊技术连接钨铜异种金属的不足，本发明要解决的问题是，提出一种在不采用钎料和中间层的情况下连接钨铜异种金属的工艺，以获得良好的钨铜扩散连接接头。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种钨铜连接方法，包括下述步骤：
(1)在钨的连接表面加工出波形沟槽；并将该波形沟槽连接面打磨，然后清洗；
(2)将纯铜的一面加工成与钨连接面大小相同的平面，并将该平面打磨，然后清洗；
(3)熔覆：将纯铜平面置于钨的波形沟槽连接面上，共同放入石墨模具内，置于真空扩散炉中，升温至1150～1200℃，保温10～40分钟，使纯铜在钨的波形沟槽连接面上形成一均匀的熔覆层，然后缓慢冷却；
(4)将钨的熔覆层磨平，之后用丙酮超声清洗，吹干后备用；
(5)将铜合金的连接面磨平，之后用丙酮超声清洗，吹干后备用；
(6)叠放装配：将步骤(4)、(5)处理后的钨、铜合金的连接面相对叠合为焊件，置于扩散炉真空室中，并用上、下压头压紧；
(7)真空扩散焊：将焊件加热至850～900℃，保温45～90分钟，连接压力3～12MPa，真空度为3×10-3Pa，保温时间结束后，焊件随炉冷却，待真空室温度冷却至100℃以下时，即可开炉取出连接好的焊件。
上述方法中，步骤(1)所述在钨的连接表面加工出波形沟槽是采用线切割加工工艺加工的。步骤(1)、(2)所述清洗是分别用酒精、丙酮进行清洗。步骤(3)所述升温至1150～1200℃的升温速率是150～200℃/h。所述的熔覆层厚度为1.0～2.0mm。步骤(4)、(5)所述的磨平，其磨面粗糙度相当于1500#金相砂纸的粒度。
本发明技术方案的原理是，熔覆前在钨金属表面加工出波形沟槽，熔覆后的连接界面，从高温冷却至室温过程中，铜将产生比钨更明显的收缩，从而造成连接区域内，铜一侧齿内将产生垂直于连接界面的拉应力，而在钨一侧齿内将产生垂直于连接界面的压应力。由已有的研究结果可知，W-Cu连接接头容易产生断裂，主要是由于钨一侧垂直与连接界面产生的残余拉应力所造成的。因此，当将残余拉应力转移到具有较好强韧性铜一侧，而使钨一侧形成压应力时，显然会避免裂纹的产生。
熔覆工艺的加热温度和保温时间影响接头组织的性能，熔覆温度过低，铜达不到熔融温度，不会产生流动性，从而无法熔覆于钨表面；试验表明：熔覆温度在1150～1200℃对熔覆工艺是适宜的。保温时间过短，铜金属没有充分流动，无法在钨金属表面形成均匀的熔覆层；相对优选的加热温度为1160～1180℃，保温时间为20～30分钟。
扩散连接加热前，先启动机械泵将真空室抽真空至3×10-1Pa，然后启动扩散泵使真空室的真空度达3×10-3Pa后再开始加热，待真空室温度加热到480℃时，可逐渐对工件施加压力，加热温度达到850～900℃时，连接压力为3～12MPa为宜。相对优选的连接压力为5～10MPa。
本发明突出的特点体现在不采用钎料或其它中间层的情况下，先在钨金属表面加工出波形沟槽，然后再熔覆一层铜，形成钨与铜的有效连接，并通过熔覆铜层与铜合金的扩散焊实现钨铜异种金属的扩散连接。这种方法工艺操作简便、成本低、连接效果好，剪切强度可以达到钨母材的50-80％，为钨与铜异种金属连接开辟了新的途径，便于推广应用。
附图说明
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明方法的熔覆工序示意图。图中1.石墨模具，2.发热体，3.待熔覆的铜，4.加工有波形沟槽的钨。
图2为钨表面波形沟槽加工形状和尺寸。
具体实施方式
实施例1
工业纯钨与CuCrZr合金连接，试样尺寸分别为30mm×30mm×5mm和30mm×30mm×30mm。连接工艺要点如下：
1、钨金属表面加工：利用线切割在钨表面加工出波形沟槽，沟槽形状和尺寸如附图2所示：
2、钨金属、铜金属表面处理：钨波形表面用金相砂纸打磨，然后分别用酒精、丙酮清洗；将待熔覆的纯铜用金相砂纸打磨，然后分别用酒精、丙酮进行清洗；
3、熔覆：将待熔覆的纯铜放在钨波形表面上，放入石墨模具内，置于真空扩散炉中，升温速度180℃/h，保温温度1160℃，保温时间30分钟，然后缓慢冷却。熔覆后，表面熔覆层厚度为1.1～1.5mm；
4、熔覆表面加工和清洗：将表面熔覆层磨平至1.0mm，并用砂纸磨至1500#，之后用丙酮超声清洗15分钟，吹干、备用；铜合金表面处理：将铜合金表面用砂纸磨至1500#，之后用丙酮超声清洗15分钟，吹干、备用；
5、将上述处理后待用的连接工件置于真空室中，叠合装配并用上、下压头压紧。真空扩散焊：以工艺参数为：加热温度880℃，保温时间50分钟，连接压力3MPa，真空度3×10-3Pa的条件进行扩散连接，保温时间结束后，工件随炉缓慢冷却，待真空室温度冷却至100℃以下时，即可开炉取出连接件。
实施例2
熔覆步骤中，升温速度150℃/h，保温温度1150℃，保温时间40分钟。
真空扩散焊步骤中，加热温度900℃，保温时间45分钟，连接压力8MPa。
其余工序及工艺参数同实施例1。
实施例3
采用工业纯钨与CuZn合金(黄铜)连接。
熔覆步骤中，升温速度200℃/h，保温温度1200℃，保温时间10分钟。
真空扩散焊步骤中，加热温度850℃，保温时间90分钟，连接压力12MPa。
其余工序及工艺参数同实施例1。
Claims (6)
1、一种钨铜连接方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在钨的连接表面加工出波形沟槽；并将该波形沟槽连接面打磨，然后清洗；
(2)将纯铜的一面加工成与钨连接面大小相同的平面，并将该平面打磨，然后清洗；
(3)熔覆：将纯铜平面置于钨的波形沟槽连接面上，共同放入石墨模具内，置于真空扩散炉中，升温至1150～1200℃，保温10～40分钟，使纯铜在钨的波形沟槽连接面上形成一均匀的熔覆层，然后缓慢冷却；
(4)将钨的熔覆层磨平，之后用丙酮超声清洗，吹干后备用；
(5)将铜合金的连接面磨平，之后用丙酮超声清洗，吹干后备用；
(6)叠放装配：将步骤(4)、(5)处理后的钨、铜合金的连接面相对叠合为焊件，置于扩散炉真空室中，并用上、下压头压紧；
(7)真空扩散焊：将焊件加热至850～900℃，保温45～90分钟，连接压力3～12MPa，真空度为3×10-3Pa，保温时间结束后，焊件随炉冷却，待真空室温度冷却至100℃以下时，即可开炉取出连接好的焊件。
2、如权利要求1所述的钨铜连接方法，其特征在于，步骤(1)所述在钨的连接表面加工出波形沟槽是采用线切割加工工艺加工的。
3、如权利要求1所述的钨铜连接方法，其特征在于，步骤(1)、(2)所述清洗是分别用酒精、丙酮进行清洗。
4、如权利要求1所述的钨铜连接方法，其特征在于，步骤(3)所述升温至1150～1200℃的升温速率是150～200℃/h。
5、如权利要求1所述的钨铜连接方法，其特征在于，步骤(3)所述的熔覆层厚度为1.0～2.0mm。
6、如权利要求1所述的钨铜连接方法，其特征在于，步骤(4)、(5)所述的磨平，其磨面粗糙度相当于1500#金相砂纸的粒度。
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