CN102990218B - 一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法 - Google Patents

一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法，本发明涉及一种铜合金与铝基复合材料的电子束焊接方法。本发明是要解决铝基复合材料传统熔化焊接技术时产生的金属烧损严重、界面反应等问题。一、对待焊接的两块母材进行预处理；二、将两块母材放入焊接夹具并施加压力挤压母材；三、抽真空处理；四、采用上散焦模式进行第一次焊接；五、进行第二次焊接；六、真空冷却即完成了一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法。属于加压辅助电子束扩散焊接领域。

Description

一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金与铝基复合材料的电子束焊接方法，属于加压辅助电子束扩散焊接领域。
背景技术
铜合金价格低廉，有高的强度、导电性和导热性，加工性能、钎焊性和耐蚀性优良，通过合金化能在很大范围内控制其性能，能够较好地满足电气、电子工业的性能要求，己成为此领域的一种重要材料，并已在半导体集成电路这个最新技术领域中的应用，开创了新局面。而铝基复合材料，特别是SiC增强铝基复合材料，由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点，在电气、电子领域具有非常重要的应用价值。适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。SiC增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配，而且导电、导热性能也非常好。在MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结构，使其工作时产生的热量迅速扩散，提高了元件的有效性。铝基复合材料可以制造惯性导航系统的精密零件、激光陀螺仪、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器。
因此，若能成功实现铝基复合材料与铜合金间的连接，在电气、电子等领域必将拥有广阔的应用前景。但是，由于铝基复合材料的增强相与基体之间的物化性能差异很大，熔焊时焊缝成形较差，且在高温下容易发生界面反应。因而，尽快解决铝基复合材料的焊接性问题是实现其应用价值的关键。目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。
发明内容
本发明是要解决铝基复合材料传统熔化焊接技术时产生的金属烧损严重、界面反应等问题，而提供的一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法。
一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的铜合金与铝基复合材料进行预处理；
二、将铜合金与铝基复合材料放入焊接夹具中，调整铜合金与铝基复合材料的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述铜合金与铝基复合材料的相对位置为铜合金与铝基复合材料的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的缝隙0～0.1mm；
三、将固定的铜合金与铝基复合材料放入真空室内，然后抽真空至真空度为5×1O-4Pa～5×1O-2Pa；
四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到铜合金与铝基复合材料的对接面处进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2500mA，焊接电子束流为5mA～15mA，焊接速度为3mm/s～8mm/s；
五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2500mA，电子束流为5mA～15mA，焊接速度为3mm/s～8mm/s；
六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了焊接铜合金与铝基复合材料的方法。
发明效果：
本发明所述的焊接方法就是对两侧相接触的铝基复合材料与铜合金两种母材进行电子束焊接。本发明的焊接方法通过对母材接触面施加一定压力，同时利用散焦电子束对焊缝进行圆形扫描，往复扫描多次并控制焊接速度，进而实现增加焊接温度和保温时间的效果，即以散焦电子束作为热源，实现母材的扩散焊连接。利用此电子束辅助热挤压扩散连接的方法减弱铝基体的烧损，进而改善焊缝成形；同时减少或消除者界面反应的不利影响，获得优质高强的连接接头。一方面可以使铝基复合材料焊缝形成良好的扩散冶金结合，接头没有铝基体烧损产生的凹槽，焊缝成形好；另一方面能够减弱或消除界面反应，获得连续分布的焊缝组织，避免了脆性相的生成和初生硅长大，从而可将接头抗拉强度提高。
附图说明
图1是试验1中的焊接夹具的结构示意图；
图2是试验1中的焊接夹具外壳示意图；
图3是试验1中的焊接夹具中的垂直固定杆示意图；
图4是试验1中的焊接夹具中底部垫板示意图；
图5是试验1中的焊接夹具中滑动前挡板示意图；
图6是试验1中的焊接夹具中滑动后挡板示意图；
图7是试验1中焊接夹具使用示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的铜合金与铝基复合材料进行预处理；
二、将铜合金与铝基复合材料放入焊接夹具中，调整铜合金与铝基复合材料的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述铜合金与铝基复合材料的相对位置为铜合金与铝基复合材料的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的缝隙0～0.1mm；
三、将固定的铜合金与铝基复合材料放入真空室内，然后抽真空至真空度为5×10-4Pa～5×10-2Pa；
四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到铜合金与铝基复合材料的对接面处进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2500mA，焊接电子束流为5mA～15mA，焊接速度为3mm/s～8mm/s；
五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2500mA，电子束流为5mA～15mA，焊接速度为3mm/s～8mm/s；
六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了焊接铜合金与铝基复合材料的方法。
本实施方式中的第二次焊接的方向与第一次焊接方向相反，但轨迹与第一次焊接的轨迹相重合；
本实施方式中以步骤四第一次焊接和步骤五第二次焊接作为一个周期，可重复0～4个周期，每完成一个周期，电子束流就相对于上一周期有所降低，每周期焊接电流大小分别为10mA、9mA、8mA、7mA，这是为了减弱热累积作用的影响，避免热输入过大，其他工艺参数均保持不变；
本实施方式中工艺参数与焊接电流根据焊接的母材尺寸变化而改变。
本实施方式效果：
本实施方式所述的焊接方法就是对两侧相接触的铝基复合材料与铜合金两种母材进行电子束焊接。本实施方式的焊接方法通过对母材接触面施加一定压力，同时利用散焦电子束对焊缝进行圆形扫描，往复扫描多次并控制焊接速度，进而实现增加焊接温度和保温时间的效果，即以散焦电子束作为热源，实现母材的扩散焊连接。利用此电子束辅助热挤压扩散连接的方法减弱铝基体的烧损，进而改善焊缝成形；同时减少或消除者界面反应的不利影响，获得优质高强的连接接头。一方面可以使铝基复合材料焊缝形成良好的扩散冶金结合，接头没有铝基体烧损产生的凹槽，焊缝成形好；另一方面能够减弱或消除界面反应，获得连续分布的焊缝组织，避免了脆性相的生成和初生硅长大，从而可将接头抗拉强度提高。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中预处理方法为对待焊接的铜合金与铝基复合材料对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述铝基复合材料为颗粒增强铝基复合材料由2A12铝基体和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中，其中2A12铝基体的成分按重量分数为Cu：4.4％、Mg：1.5％、Mn：0.6％、杂质≤0.15％、余量为Al。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中的焊接夹具由由由夹具外壳1、夹具底座2、垂直固定装置和水平固定装置构成，其中所述夹具外壳1固定连接在夹具底座2上，夹具外壳1的两个相对的侧壁上设置有滑动导槽1-1，夹具外壳1的后壁上设置有限位孔1-2，所述垂直固定装置设在夹具外壳1内部前端，垂直固定装置由垂直固定杆3和底部垫板4构成，所述垂直固定杆3两端通过紧固螺丝3-1卡合在夹具外壳1两侧壁上，底部垫板4设在垂直固定杆3正下方，其中，底部垫板4上设有两个凸起的固定条4-1并与垂直固定杆3相对，所述水平固定装置设在夹具外壳1内部后端，水平固定装置由限位螺丝5、滑动前挡板6、滑动后挡板7和弹簧8构成，其中，滑动前挡板6的两端设置有前挡板凸起6-1，滑动前挡板6侧面设有第一弹簧限位销6-2，滑动后挡板7的两端设置有后挡板凸起7-1，滑动后挡板7侧面设有第二弹簧限位销7-2，滑动前挡板6两端的前挡板凸起6-1与滑动后挡板7的后挡板凸起7-1都嵌入滑动导槽1-1中，弹簧8通过第一弹簧限位销6-2与第二弹簧限位销7-2固定在滑动前挡板6与滑动后挡板7之间，限位螺丝5穿过限位孔1-2顶靠在滑动后挡板7上。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
通过以下试验验证本发明有益效果：
试验1一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的两块母材进行预处理：
将待焊接的铜合金与铝基复合材料的对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗；
二、将铜合金与铝基复合材料放入焊接夹具中，使用焊接夹具固定挤压铜合金与铝基复合材料，使用方法如下：
A、将铜合金与铝基复合材料分别放置在垂直固定装置垂直固定杆3与底部垫板4之间，调整铜合金与铝基复合材料的相对位置，使得铜合金与铝基复合材料的对接面的错边小于0.2mm，并且对接面之间的缝隙小于0.1mm，通过垂直固定装置垂直固定杆3与底部垫板4保持铜合金与铝基复合材料在垂直方向上的相对位置不变，然后通过调节紧固螺丝3-1将垂直固定杆两端锁紧在夹具外壳1两侧；
B、通过水平固定装置限位螺丝5、滑动前挡板6、滑动后挡板7和弹簧8施加压力进行水平挤压；首先，通过滑动导槽1-1调整滑动前挡板6与滑动后挡板7相对距离来压缩滑动前挡板6与滑动后挡板7之间的弹簧8，然后通过限位螺丝5固定位置，当弹簧8压缩达到固定收缩量时，便可得此时弹簧对母材接触面施加的压力，利用此压力以及已知的接触面面积，便可知接触面上产生的压强大小，将焊接电子束流采用上散焦模式打到将铜合金与铝基复合材料的对接面处进行焊接，同时添加圆形扫描，调整好各工艺参数，在设定的压力值下进行焊接试验；
其中，所述弹簧自然长度L＝66mm，最大收缩量ΔL＝36mm，弹性系数K＝12.7N/mm，可提供的最大弹力F＝457.2N，本夹具采用两根相同规格的弹簧，故最大可提供Fmax＝2F＝914.4N的压力，即可以对焊接件施加的最大压强为其中L、W、H分别为焊接件的长、宽、高，尺寸范围分别为：长度L为0～280mm，宽度W为10mm～50mm，厚度H为0～20mm；针对尺寸为2mm×20mm×70mm的焊接件，此夹具可提供的最大接触面压强为最大压强
调整铜合金与铝基复合材料的相对位置，使得铜合金与铝基复合材料的对接面的错边小于0.2mm，并且对接面之间的缝隙小于0.1mm，然后通过焊接夹具固定铜合金与铝基复合材料，同时在铜合金与铝基复合材料接触面上施加固定的接触压力3MPa；
三、在焊接夹具的弹簧处的上方加盖一块不锈钢挡板，借此消除因弹簧的铁磁性对电子束流的偏移影响，将固定的两块将铜合金与铝基复合材料放入真空室内开始抽真空，使该真空室内的真空度在5×10-4Pa；
四、将焊接电子束流采用上散焦模式打到铜合金与铝基复合材料的对接面处进行焊接，同时添加圆形扫描，加速电压为55kV，聚焦电流为2400mA，电子束流为10mA，焊接速度为4mm/s，此为第一次焊接过程；
五、紧接着进行第二次焊接，第二次焊接的方向与上一步骤相反，但轨迹与步骤五焊接的轨迹相重合，焊接时加速电压为55kV，聚焦电流为2400mA，电子束流为10mA，焊接速度为4mm/s；
六、以步骤四和步骤五作为一个周期，后面周期重复步骤四和步骤五，每下一个周期，电子束流可以比上一周期有所降低，这样可以减弱热累积作用的影响，避免热输入过大；其他工艺参数均保持不变；
七、真空室冷却，冷却10min，焊接完成。
本试验铜合金与铝基复合材料尺寸为70mm*20mm*2mm和70mm*20mm*3mm，也可为其他尺寸，只要在所给尺寸范围内均可。
图1是试验1中的焊接夹具的结构示意图；
图2是试验1中的焊接夹具外壳示意图；
图3是试验1中的焊接夹具中的垂直固定杆示意图；
图4是试验1中的焊接夹具中底部垫板示意图；
图5是试验1中的焊接夹具中滑动前挡板示意图；
图6是试验1中的焊接夹具中滑动后挡板示意图；
图7是试验1中焊接夹具使用示意图，其中，9为铜合金与铝基复合材料。

Claims (3)

1.一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法，其特征在于一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法按以下步骤实现：
一、对待焊接的铜合金与铝基复合材料进行预处理；
二、将铜合金与铝基复合材料放入焊接夹具中，调整铜合金与铝基复合材料的相对位置，在接触面上施加1～5MPa接触压力；其中，所述铜合金与铝基复合材料的相对位置为铜合金与铝基复合材料的对接面的错边为0～0.2mm，并且对接面之间的缝隙0～0.1mm；
三、将固定的铜合金与铝基复合材料放入真空室内，然后抽真空至真空度为5×10-4Pa～5×10-2Pa；
四、然后将焊接电子束流采用上散焦模式打到铜合金与铝基复合材料的对接面处进行加圆形扫描焊接，此为第一次焊接；其中，所述焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2500mA，焊接电子束流为5mA～15mA，焊接速度为3mm/s～8mm/s；
五、完成第一次焊接后，电子束调转方向，进行第二次焊接；其中，所述第二次焊接时焊接电子束流加速电压为50～60kV，聚焦电流为2000～2500mA，电子束流为5mA～15mA，焊接速度为3mm/s～8mm/s；
六、焊接后真空室冷却8min～12min，即完成了焊接铜合金与铝基复合材料的方法；
其中，所述步骤二中的焊接夹具由夹具外壳(1)、夹具底座(2)、垂直固定装置和水平固定装置构成，其中所述夹具外壳(1)固定连接在夹具底座(2)上，夹具外壳(1)的两个相对的侧壁上设置有滑动导槽(1-1)，夹具外壳(1)的后壁上设置有限位孔(1-2)，所述垂直固定装置设在夹具外壳(1)内部前端，垂直固定装置由垂直固定杆(3)和底部垫板(4)构成，所述垂直固定杆(3)两端通过紧固螺丝(3-1)卡合在夹具外壳(1)两侧壁上，底部垫板(4)设在垂直固定杆(3)正下方，其中，底部垫板(4)上设有两个凸起的固定条(4-1)并与垂直固定杆(3)相对，所述水平固定装置设在夹具外壳(1)内部后端，水平固定装置由限位螺丝(5)、滑动前挡板(6)、滑动后挡板(7)和弹簧(8)构成，其中，滑动前挡板(6)的两端设置有前挡板凸起(6-1)，滑动前挡板(6)侧面设有第一弹簧限位销(6-2)，滑动后挡板(7)的两端设置有后挡板凸起(7-1)，滑动后挡板(7)侧面设有第二弹簧限位销(7-2)，滑动前挡板(6)两端的前挡板凸起(6-1)与滑动后挡板(7)的后挡板凸起(7-1)都嵌入滑动导槽(1-1)中，弹簧(8)通过第一弹簧限位销(6-2)与第二弹簧限位销(7-2)设在滑动前挡板(6)与滑动后挡板(7)之间，限位螺丝(5)穿过限位孔(1-2)顶靠在滑动后挡板(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中预处理方法为对待焊接的铜合金与铝基复合材料对接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
3.根据权利要求1所述的一种焊接铜合金与铝基复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述铝基复合材料为颗粒增强铝基复合材料，由2A12铝基体和SiC陶瓷颗粒增强相两部分组成，其中，2A12铝基体的成分按重量分数为Cu：4.4％、Mg：1.5％、Mn：0.6％、杂质≤0.15％、余量为Al。
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