CN105252137B - 一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法 - Google Patents

一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，本发明涉及铝铜的扩散焊方法。本发明要解决采用真空扩散焊时，由于铝的化学性质活泼极易在其表面形成致密的高熔点氧化膜，在铝表面存在一层氧化膜，阻碍母材的润湿和界面的结合，进而降低了接头的综合性能的问题。方法：首先清洗，然后将清洗后的铝或铝合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，进行沉积，得到表面氢化处理的铝或铝合金，再将表面氢化处理的铝或铝合金与清洗后的铜按待焊部位相对形式贴合，并置于真空钎焊炉中，进行真空扩散。本发明用于一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接。

Description

一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法
技术领域
本发明涉及铝铜的扩散焊方法。
背景技术
近年来，由于当代宇航、电力电子、原子能等工业的快速发展，铜铝复合件由于其优良的机械性能和导电性能等，其应用也越来越广泛。如铝铜复合片广泛地应用在一些航空仪表中；将铝管和铜管连接成密封接头，其常用于制造冷冻设备，如铜、铝接头常用在家用冰箱的冷凝器与冷冻系统的焊缝处，供暖设备和其它水循环装置。
铜铝连接属于异种金属之间的连接，常见的异种金属材料焊接方法有钎焊、压焊、真空扩散焊。但由于钎焊时为了去除铝表面氧化物通常会配合钎剂使用，使用钎剂的焊后剩余的钎剂残渣极易吸潮构成电解液，相当于强烈的腐蚀剂，对焊好的接头进行腐烛。相比较而言真空扩散焊对外部力量和材料本身的依赖性较弱，具有连接界面平整、空洞缺陷密闭性好、连接层强度高等优点。
采用真空扩散焊时，由于铝的化学性质活泼极易在其表面形成致密的高熔点氧化膜，在铝表面存在一层氧化膜，阻碍母材的润湿和界面的结合，进而降低了接头的综合性能。故而亟需寻找有效的方法在进行焊接时可以将氧化膜同时去除，使得金属原子之间直接接触，实现高品质的铜铝焊接。
发明内容
本发明要解决采用真空扩散焊时，由于铝的化学性质活泼极易在其表面形成致密的高熔点氧化膜，在铝表面存在一层氧化膜，阻碍母材的润湿和界面的结合，进而降低了接头的综合性能的问题，而提供一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法。
一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将铝或铝合金的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗10min～30min，得到清洗后的铝或铝合金；将铜的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗10min～30min，得到清洗后的铜；
二、将清洗后的铝或铝合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为20sccm～60sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氢气气氛下将温度升温至为100℃～400℃；
三、升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～400Pa，然后在沉积系统射频功率为100W～200W、压强为200Pa～400Pa和温度为100℃～400℃条件下进行沉积，沉积时间为2min～30min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，即得到表面氢化处理的铝或铝合金；
四、将表面氢化处理的铝或铝合金与清洗后的铜按待焊部位相对形式贴合，得到贴合后的材料，将贴合后的材料置于真空钎焊炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为10-3Pa～10-4Pa，开启加热系统，将真空钎焊炉温度升温至400℃～600℃，然后对贴合后的材料施加1MPa～10MPa的压力，然后在温度为400℃～600℃下及压力为1MPa～10MPa的条件下，保温10min～60min，保温后卸载压力，关闭加热系统，在压强为10-3Pa～10-4Pa的条件下，进行随炉冷却至室温，即完成铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法。
本发明的有益效果是：本发明一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法的原理是：采用等离子体增强化学气相沉积设备，通过氢离子轰击铝材表面，一旦表面被电离的氢原子削弱，在Wulff重建的驱动力下，表面通过铝原子的扩散与金属侧面形成孔洞，铝的亚结构以及晶体学位向严重影响孔洞的形貌及生长速率，一旦孔洞长到晶体尺寸，内部的气压就足以使氧化膜层破碎。对铜和表面无氧化膜的铝进行真空扩散焊，可使得铜铝金属原子直接接触，有利扩散，形成高质量的接头。
综上本发明采用氢气去膜的铝铜扩散焊方法具有以下优点：
1、本发明采用等离子体增强化学气相沉积方法对铝材进行氢气处理，通过氢离子轰击铝材表面，使得铝材表面储存一定量的氢，在真空扩散焊时，聚集的氢产生的压力使得氧化膜发生塑性变形，直至破裂。
2、由于减少了铝材表面氧化膜的影响，大大提高了铜铝之间的接触润湿和相互扩散，有利于形成高质量的接头。
3、本发明采用的方法简单，高效，低成本，便于工业化生产。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将铝或铝合金的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗 10min～30min，得到清洗后的铝或铝合金；将铜的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗10min～30min，得到清洗后的铜；
二、将清洗后的铝或铝合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为20sccm～60sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氢气气氛下将温度升温至为100℃～400℃；
三、升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～400Pa，然后在沉积系统射频功率为100W～200W、压强为200Pa～400Pa和温度为100℃～400℃条件下进行沉积，沉积时间为2min～30min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，即得到表面氢化处理的铝或铝合金；
四、将表面氢化处理的铝或铝合金与清洗后的铜按待焊部位相对形式贴合，得到贴合后的材料，将贴合后的材料置于真空钎焊炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为10-3Pa～10-4Pa，开启加热系统，将真空钎焊炉温度升温至400℃～600℃，然后对贴合后的材料施加1MPa～10MPa的压力，然后在温度为400℃～600℃下及压力为1MPa～10MPa的条件下，保温10min～60min，保温后卸载压力，关闭加热系统，在压强为10-3Pa～10-4Pa的条件下，进行随炉冷却至室温，即完成铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法。
本实施方式的有益效果是：本实施方式一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法的原理是：采用等离子体增强化学气相沉积设备，通过氢离子轰击铝材表面，一旦表面被电离的氢原子削弱，在Wulff重建的驱动力下，表面通过铝原子的扩散与金属侧面形成孔洞，铝的亚结构以及晶体学位向严重影响孔洞的形貌及生长速率，一旦孔洞长到晶体尺寸，内部的气压就足以使氧化膜层破碎。对铜和表面无氧化膜的铝进行真空扩散焊，可使得铜铝金属原子直接接触，有利扩散，形成高质量的接头。
综上本实施方式采用氢气去膜的铝铜扩散焊方法具有以下优点：
1、本实施方式采用等离子体增强化学气相沉积方法对铝材进行氢气处理，通过氢离子轰击铝材表面，使得铝材表面储存一定量的氢，在真空扩散焊时，聚集的氢产生的压力使得氧化膜发生塑性变形，直至破裂。
2、由于减少了铝材表面氧化膜的影响，大大提高了铜铝之间的接触润湿和相互扩散，有利于形成高质量的接头。
3、本发明采用的方法简单，高效，低成本，便于工业化生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中将清洗后的铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为30sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为200℃。其它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之一不同的是：步骤二中将清洗后的铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为50sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为300℃。其它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：步骤三中升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为125W、压强为300Pa和温度为300℃条件下进行沉积，沉积时间为15min。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为175W、压强为300Pa和温度为200℃条件下进行沉积，沉积时间为15min。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中然后在温度为450℃下及压力为5MPa的条件下，保温50min。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中然后在温度为550℃下及压力为5MPa的条件下，保温20min。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四然后在温度为550℃下及压力为2.5MPa的条件下，保温35min。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四然后在温度为450℃下及压力为7.5MPa的条件下，保温35min。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四然后在温度为520℃下及压力为3MPa的条件下，保温40min。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将纯铝的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗20min，得到清洗后的纯铝；将纯铜的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗20min，得到清洗后的纯铜；
二、将清洗后的纯铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为40sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为250℃；
三、升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为150W、压强为300Pa和温度为250℃条件下进行沉积，沉积时间为15min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，即得到表面氢化处理的纯铝；
四、将表面氢化处理的纯铝与清洗后的纯铜按待焊部位相对形式贴合，得到贴合后的材料，将贴合后的材料置于真空钎焊炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为10-3Pa～10-4Pa，开启加热系统，将真空钎焊炉温度升温至500℃，然后对贴合后的材料施加5MPa的压力，然后在温度为500℃下及压力为5MPa的条件下，保温35min，保温后卸载压力，关闭加热系统，在压强为10-3Pa～10-4Pa的条件下，进行随炉冷却至室温，得到焊接后的铝与铜，即完成铝与铜的真空扩散焊接方法。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中将清洗后的纯铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为30sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为200℃。其它与实施例一相同。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中将清洗后的纯铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为50sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并 在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为300℃。其它与实施例一相同。
实施例四：本实施例与实施例一不同的是：步骤三中升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为125W、压强为300Pa和温度为300℃条件下进行沉积，沉积时间为15min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，即得到表面氢化处理的纯铝。其它与实施例一相同。
实施例五：本实施例与实施例一不同的是：步骤三中升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为175W、压强为300Pa和温度为200℃条件下进行沉积，沉积时间为15min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，即得到表面氢化处理的纯铝。其它与实施例一相同。
实施例六：本实施例与实施例一不同的是：步骤四中然后在温度为450℃下及压力为5MPa的条件下，保温50min。其它与实施例一相同。
实施例七：本实施例与实施例一不同的是：步骤四中然后在温度为550℃下及压力为5MPa的条件下，保温20min。其它与实施例一相同。
实施例八：本实施例与实施例一不同的是：步骤四然后在温度为550℃下及压力为2.5MPa的条件下，保温35min。其它与实施例一相同。
实施例九：本实施例与实施例一不同的是：将清洗后的纯铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为10sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为250℃；步骤四然后在温度为450℃下及压力为7.5MPa的条件下，保温35min。其它与实施例一相同。
实施例十：本实施例与实施例一不同的是：步骤四然后在温度为520℃下及压力为3MPa的条件下，保温40min。其它与实施例一相同。
在INSTRON MODEL 1186型电子万能试验机，对实施例一至十焊接后的铝与铜检测接头的剪切强度，测试如表1所示。
由表1可知，通过实施例一至十焊接后的铝与铜形成高质量的接头，其强度可达到51.0MPa～61.6MPa。
表1 接头剪切强度测试结果
。

Claims (8)

1.一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将铝或铝合金的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗10min～30min，得到清洗后的铝或铝合金；将铜的待焊部位机械清理，然后置于丙酮溶液中超声清洗10min～30min，得到清洗后的铜；
二、将清洗后的铝或铝合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为20sccm～60sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa和氢气气氛下将温度升温至为100℃～400℃；
三、升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为200Pa～400Pa，然后在沉积系统射频功率为100W～200W、压强为200Pa～400Pa和温度为100℃～400℃条件下进行沉积，沉积时间为2min～30min，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，即得到表面氢化处理的铝或铝合金；
四、将表面氢化处理的铝或铝合金与清洗后的铜按待焊部位相对形式贴合，得到贴合后的材料，将贴合后的材料置于真空钎焊炉中，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为10-3Pa～10-4Pa，开启加热系统，将真空钎焊炉温度升温至500℃～600℃，然后对贴合后的材料施加1MPa～10MPa的压力，然后在温度为500℃～600℃下及压力为1MPa～10MPa的条件下，保温10min～60min，保温后卸载压力，关闭加热系统，在压强为10-3Pa～10-4Pa的条件下，进行随炉冷却至室温，即完成铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法。
2.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤二中将清洗后的铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为30sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为200℃。
3.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤二中将清洗后的铝置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为10-3Pa以下，以气体流量为50sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为250Pa，并在压强为250Pa和氢气气氛下将温度升温至为300℃。
4.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤三中升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为125W、压强为300Pa和温度为300℃条件下进行沉积，沉积时间为15min。
5.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤三中升温后，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为300Pa，然后在沉积系统射频功率为175W、压强为300Pa和温度为200℃条件下进行沉积，沉积时间为15min。
6.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤四中然后在温度为550℃下及压力为5MPa的条件下，保温20min。
7.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤四然后在温度为550℃下及压力为2.5MPa的条件下，保温35min。
8.根据权利要求1所述的一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法，其特征在于步骤四然后在温度为520℃下及压力为3MPa的条件下，保温40min。
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