CN105618925A - 一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法

技术领域

本发明涉及异种共晶金属(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。

背景技术

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)：4-5.

5.281-287.赵鸿金，王达，秦镜，张迎晖.铜/铝层装复合材料结合机理与界面反应研究进展，材料热处理技术，2011，40(10)，84-87.

6.JiFeng,XueSongbai.GrowthbehaviorsofintermetalliccompoundlayersinCu/AljointsbrazedwithZn–22AlandZn–22Al–0.05Cefillermetals.MaterialsandDesign.51(2013):907–915.

7.ZhangGuifeng,SuWei,ZhangJianxun,andWeiZhongxin.FrictionStirBrazing:aNovelProcessforFabricatingAl/SteelLayeredCompositeandforDissimilarJoiningofAltoSteel.MetallurgicalandMaterialsTransactionsA.2011,42(9):2850-2861.

8.张满.铝/铜异种材料焊接研究现状，金属铸锻焊技术，2009,38(9)：116-122.

9.L.Y.Sheng,F.Yang,T.F.Xi,C.Lai,H.Q.Ye.InfluenceofheattreatmentoninterfaceofCu/Albimetalcompositefabricatedbycoldrolling.Composites,42(2011):1468-1473.

10.X.K.Peng,G.Heness,W.Y.Yeung.Effectofrollingtemperatureoninterfaceandbondstrengthdevelopmentofrollbondedcopper/aluminummetallaminates,JournalofMaterialsScience,34(1999):277-281.

11.林大超，史庆南.双金属轧制复合技术及其研究进展.云南冶金，1998，27(5)：32-36.

12.张建臣，周至刚，杨文彬.新型铜铝爆炸复合CPU散热器的研制，计算机工程与应用，2006(34).

13.王小华，候发臣.铝-铜爆炸焊块补焊实验研究,材料开发与应用，2006，21(6)：23-25.

14.G.F.Zhang,K.Zhang,L.J.ZhangandJ.X.Zhang.Approachtodisruptingthickintermetalliccompoundinterfaciallayerinfrictionstirbrazing(FSB)ofAl/Cuplates.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining2014,19(7):554-559.

15.张贵锋,苏伟,张军.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：中国，ZL20091021918.3.2012-7-4授权.

16.张贵锋，郝海,张建勋.厚铝板与坚硬异种材料的分布搅拌摩擦钎焊法：中国，ZL201110389355.0.2014-9-3授权.

发明内容

本发明的目的在于解决在铜表面摩擦进行铜/铝组合的搅拌摩擦钎焊时存在的一系列问题：(1)表面成形差(使用Sn钎料时焊道不光滑、有大小不等的溶蚀坑与表面裂纹)、(2)界面组织有裂纹(Zn钎料)、(3)断裂载荷低(使用Zn钎料制样时接头即自行开裂；使用Sn钎料断口光滑)、(4)钎料及其预清洁处理耗材又耗时等。为此，本发明提出一种用于异种金属搭接的免用钎料的搅拌摩擦共晶反应焊方法，其原则性思路与具体技术方案如下。

原则性思路：在多个共晶反应并存(两种母材之间有共晶反应、钎料与母材之间有二元或三元共晶反应、母材溶解剧烈)、且这些共晶液相凝固后会形成脆性金属间化合物(两种母材、任一与钎料会形成二元或三元脆性金属间化合物)的情况下，优选共晶温度较高的反应，这样在摩擦加热界面温度有限(或一定)的情况下，能减少界面生成液相的总量及液相自身的过熔度(指界面实际焊接温度高于共晶温度之间的差值)，从而一方面减轻对母材的溶解而改善表面成形，另一方面降低对挤出液相所需的挤压力的苛求，或在施加挤压力挤出液相时，使界面最终残留液相的量足够少，由此可大幅减小界面脆性IMC的总厚度。

特别当采用无专门加压系统的搅拌摩擦焊机时，本发明提出的“搅拌摩擦共晶反应焊”在解决上述问题方面更具明显优势。当搅拌摩擦焊机无专门加压的子系统时，挤压力主要依靠下压量约束下的弹性膨胀接触压力获得(这时工具不仅是热源而且是力源)。在下压量一定时(即工作台和搅拌工具的相对位置被固定)，当界面因钎料熔化或共晶反应出现液相而使母材发生溶解时，搅拌工具对界面的接触压力自动减小，而且接触压力减小的程度随着母材溶解量的增加而增大；另一方面受制于工作台和搅拌工具的相对位置固定，挤压力无法补充，故当母材溶解量较多时，界面上残留的液相多，凝固后界面上共晶层增厚。因此，在能达到共晶反应温度的条件下，要选择共晶温度高，共晶液相产生量少的共晶反应组合。这就是当必须把高熔点母材(铜)作为上板(摩擦板)、低熔点的母材(铝)作为下板工况下，搅拌摩擦共晶反应焊比采用低熔点钎料的搅拌摩擦钎焊在抑制共晶组织生成量及其残留量方面的优势。

具体技术方案：

(1)本发明中所选取的待复合板材A和板材B之间要能发生共晶反应。

(2)对具有共晶反应的母材搭接组合，为获得较高的弹性接触压力与界面温度(要求在最低共晶反应温度之上)，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。高屈服强度者母材(对应熔点也较高)与工具端部之间的弹性接触压力较大(上板强度高不易屈服)，可提高摩擦热，使界面温度至共晶温度之上，即使对于有多个共晶反应的合金系也能优先诱发共晶温度较高的共晶反应，确保两种母材都能发生适度熔化。在能够获得高于共晶温度的前提下，亦可将屈服强度低者置于上层，以减轻对工具的磨损，降低界面实际加热温度、减轻界面母材的过度溶解。

(3)焊接过程采用无针或有针工具，在界面上无需预置钎料(节材)，焊前无需退火或预热(节能)，利用工具轴肩与上板母材表面间的摩擦热加热母材界面，在界面上利用共晶反应获得共晶液相，并利用轴肩挤出共晶液相，防止界面残留过多低熔点脆性共晶组织，并使氧化膜随液相挤出，最终在界面上获得洁净的扩散组织或较薄的共晶组织。母材间共晶反应所形成的液相的出现不仅有利于破除母材表面氧化膜，有利于大幅增加单道焊合面积(单道宽度可与轴肩直径等同)，而且允许采用无针工具，消除了匙孔、界面钩子(hook)、界面去膜与混合不充分等搅拌摩擦搭接焊(FSLW：frictionstirlapwelding)的三大类固有缺陷。

(4)在大气中施焊，无需保护气体与钎剂。

(5)合理调整焊接规范，以合理控制界面温度、界面液相的产生和挤出之间的配合：界面温度在能使整个界面上发生共晶反应的前提下应尽量保持在较低的水平，防止界面产生太多的共晶液相，母材溶解量太多，削弱搅拌工具对界面的顶锻压力(界面液相一旦形成就说明母材表面的氧化膜在搅拌工具的机械扭转作用下被打破，此时工具的机械扭转的作用不再是主要因素)，保证界面上的共晶液相能被彻底的挤出焊缝，只在界面上有极薄的金属间化合物形成。

本发明与申请者课题组前期研发的搅拌摩擦钎焊专利技术相比的特点与优点：

1)取消了钎料，简化工艺、节约钎料与预处理时间，降低成本。

2)高的界面温度：将屈服强度高的母材(铜材)置于上部作为摩擦面，以显著提高焊接界面所达焊接温度(铝材置于上部作为摩擦面，虽可减轻工具磨损，但伴随铝的屈服，弹性接触压力降低，界面温度难以上升)；高的界面焊接温度可利用共晶反应实现去膜与界面致密润湿，从而允许免用钎料。

3)适于较厚的覆板：上板厚度对工具在界面产生的扭转效应的衰减作用较大，但对竖向锻压效应的衰减作用小。因此，搅拌摩擦共晶反应焊去膜效果对工具的扭转效应的依赖程度低，有利于该工艺拓宽至厚板。

该方法以具有共晶反应的异种金属为母材，主要利用高的界面温度引发的母材共晶反应及工具的挤压作用使氧化膜随共晶液相被挤出，降低了搅拌摩擦钎焊中界面去膜对工具扭转搅拌作用的苛求，这对于改善厚覆板(因工具的扭转作用在板厚方向梯度衰减以至于焊接界面处工具扭转作用的破膜效果变差)、高热输入(焊接界面温度高易于导致后焊界面严重氧化，对工具的扭转破膜要求随之要求变高)工况下界面的破膜效果尤为有价值。

对此优点简要分析如下。旋转工具对焊接界面有三种作用：加热作用、挤压作用、扭转作用。其中“扭转作用”当覆板较厚时，衰减程度明显。而挤压力总是通过上板、界面、下板，由工作台来平衡，故“挤压效应”随上板厚度增加的衰减程度小于“扭转效应”。对于较厚的上板(覆板)，若采用以前的搅拌摩擦钎焊，旋转工具在界面上的机械扭转作用减弱，对扭转去膜效果有不利影响。由于本发明“搅拌摩擦共晶反应焊”主要依赖“热因素”(温度引起界面共晶反应)与“挤压效应”(“在线挤出”母材共晶反应所得液相以实现去膜并优化钎缝组织)，故本发明在厚上板复合或焊接时，相对于以前的搅拌摩擦钎焊在去膜方面具有优势，能降低界面去膜对工具“扭转作用”的苛求。

4)小下压量：本发明借助了搅拌工具和屈服强度较高的上板相接触、摩擦，因此可以在小的下压量条件下就能产生母材界面共晶反应所需要的温度，覆板变形小、材料损失少、表面成型好、后续加工简单。以Cu/Al组合为例，在Cu板上摩擦下压量0.2mm即可获得Al-Cu共晶液相。而在Al板上摩擦的搅拌摩擦钎焊(用Zn箔作钎料)需要的下压量为0.5mm(即使0.5mm的下压量也未能产生共晶液相)，无钎料时因界面温度低而得不到共晶液相。

5)重复多道搅拌摩擦共晶反应焊，即可在免用钎料的情况下，制得由共晶母材组成的大面积复合板或结构件。

6)进行单道焊接时，将板材A及板材B的待焊面打磨后以搭接接头形式进行装配，将上板的后退侧(RS)固定，上板前进侧(AS)处于自由状态。由于界面液相主要流动方向和界面扭转力方向一致，界面扭转作用主要依靠搅拌工具肩后部分提供，界面扭转力的方向和搅拌工具肩后运动方向一致，所以上板前进侧处于自由状态有利于界面液相向前进侧肩外流动，减少界面共晶液相残留量，同时减小对上板塑性变形的约束，拓宽焊道，改善界面扭转的去膜效果。

7)本发明可用于制备Cu/Al散热器，尤其是Al翅片与Cu板组合的散热器。

附图说明

图1为单道搅拌摩擦共晶反应焊制备搭接接头的装配示意图(铜/铝搭接装夹，要求Cu在上，Al在下)，1为搅拌工具，2为上板，3为下板，4为压块，5为垫板，6为底座。

图2为多道搅拌摩擦共晶反应焊制备双金属复合板(散热器)的搭接装配和流程图(要求Cu板在上，Al板(铝翅片)在下，每两道焊缝重叠2～4mm)：(a)为第一道，(b)为第二道，(c)为第三道，(d)最后一道。

图3为铜/铝、铝/锌搅拌摩擦共晶反应焊搭接接头、复合板和铜/铝翅片散热器外观图：(a)为单道铜/铝搅拌摩擦共晶反应焊搭接接头及被挤出的共晶液相(工艺参数1180-150-3°-0.2-20)；(b)为多道铜/铝搅拌摩擦共晶反应焊复合板(工艺参数1180-150-3°-0.2-20)；(c)为铝/锌搅拌摩擦共晶反应焊搭接接头(工艺参数1500-150-3°-0.25-20)；(d)为铜/铝翅片搅拌摩擦共晶反应焊散热器(工艺参数1180-150-3°-0.2-20)。

图4为铜/铝搅拌摩擦共晶反应焊搭接接头界面处被挤出的共晶液相及致密界面的背散射照片，大部分区域IMC厚度在10μm以下(工艺参数1180-150-3°-0.2-20)：(b)、(c)、(d)、(e)和(f)依次为(a)中A、B、C、D和E区域的进一步放大图。

图5为铜/铝(中间钎料为市购纯锡，厚度0.03mm)搅拌摩擦钎焊搭接接头外观图(溶蚀坑、表面裂纹)和断口(螺旋状的搅拌痕迹、光滑断口)，工艺参数1500-375-3°-0.2-20，(a)为接头外观图(溶蚀坑、表面裂纹)，(b)为(a)中虚线框区域放大，(c)为接头断口(断口光滑，并有螺旋状的搅拌痕迹)。

图6为铜/铝(中间钎料为市购纯锌，厚度0.03mm)搅拌摩擦钎焊搭接接头界面宏观图(焊后焊缝自行开裂)，工艺参数1500-300-3°-0.2-20：(b)为(a)中虚线框区域放大，(c)为(b)中虚线框区域放大。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

针对铜/铝组合搅拌摩擦钎焊存在的表面成形、断裂载荷与焊接成本问题，本发明提出一种“免用钎料”的名为“搅拌摩擦共晶反应焊”的新方法，适用于具有共晶反应的母材组合，尤为适用于大面积搭接的工况，包括复合板的制备。焊接过程为采用无针或有针工具，在界面上无需预置钎料(节材)，焊前无需退火或预热(节能)，利用工具轴肩与一种母材表面间的摩擦热，在界面上利用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，最终在界面上获得扩散组织。

实施例1：单道搅拌摩擦共晶反应焊制备Cu/Al搭接接头

选用厚度为2mm(实测1.96mm)的市售纯铜板T2和纯铝1060为待焊件，规格均为100×60×2mm。采取搭接接头的装配方式，搭接区域的面积为100×30mm，上板为铜板，下板为铝板，如图1所示。搅拌头材质为1Cr13马氏体不锈钢、直径D＝20mm、无针。接头质量以表面成型质量、剪切强度、界面致密性评价。焊接工艺参数见表1。

表1.Cu/Al搅拌摩擦共晶反应焊制备接头工艺参数

表面成形质量：焊接工艺参数(1180-150-3°-0.2-20)条件下接头外观成形参见图3(a)：外观表面光滑，无明显飞边和毛刺；尤其是焊缝前进侧外部出现共晶液相凝固后的金属球，说明焊接过程中界面温度达到了铝铜共晶反应温度(548℃)，界面发生了共晶反应,且产生的共晶液相在搅拌工具力学作用下被挤出焊缝。

界面微观组织：焊接工艺参数(1180-150-3°-0.2-20)条件下所得接头界面宏观SEM照片参见图4(a)，前进侧肩外有明显的过渡层，其他位置看不到明显的过渡层，整个焊缝中上下界面均润湿良好，致密，无裂纹和孔洞。

从图4(b)、(c)、(d)、(e)和(f)进一步可以看出：焊缝前进侧外部出现的明显的过渡层为Cu/Al共晶组织，焊缝内无共晶组织残留，焊缝仅由铜界面上平直过渡层和靠近铝母材的混合相组成，混合相厚度由前进侧向后退侧方向逐渐变薄，到达C区域时界面表现为两个平直的过渡层，一直延伸到D区域。焊缝后退侧约有1/5的未焊合区，其余部分的界面致密。经能谱分析，结合Cu-Al二元相图可判断，铜界面上平直过渡层和混合相中灰色相分别为Al₄Cu₉相和Al₂Cu相。

致密的界面和连续的金属间化合物层均说明搅拌摩擦共晶反应焊过程中无需添加钎剂而通过搅拌工具的机械扭转实现铝母材表面氧化膜的破除，产生的新鲜母材在搅拌工具的顶锻压力下能相互接触。焊缝前进侧外部出现共晶组织，而且焊缝内无共晶组织残留，说明焊接过程中界面温度达到铜、铝共晶反应温度(548℃)后发生共晶反应，而且产生的共晶液相在搅拌工具的顶锻作用下被挤出焊缝，最终在界面上获得扩散组织。

力学性能评价：本专利采用剪切实验评价搅拌摩擦共晶反应焊搭接接头的性能，每种参数下制备三个剪切实验(剪切强度分别为22.3、29.1和31.9MPa，剪切强度平均值为27.8MPa)。

实施例2：多道搅拌摩擦共晶反应焊制备Cu/Al复合板

图3(b)为搅拌摩擦共晶反应焊技术制备的未作任何处理的Cu/Al复合板。选用厚度为2mm(实测1.96mm)的市售纯铜板T2和纯铝1060为待焊件，规格均为100×60×2mm。搅拌头为直径D＝20mm无针搅拌头，材质为1Cr13马氏体不锈钢。焊接时的装配方式和焊接过程参见图2(a)、(b)、(c)和(d)，采取铜板完全覆盖铝板的搭接方式，搭接区域的面积为100×60mm，焊接时使已焊区处于后退侧，未焊区处于前进侧，从距压块～5mm处开始第一道焊缝(参见图2(a))，依次向前进侧方向施行第2道焊接(参见图2(b))，至前进侧边缘时卸下前进侧方向上的压块(参见图2(c))，前进侧边缘焊接后重新装上此压块，卸下另一块压块，保持已焊区域处在后退侧(参见图2(d))方向进行最后一道焊接，相邻两道焊缝间重叠2～4mm，工艺参数见表2。

表2.Cu/Al搅拌摩擦共晶反应焊制备复合板工艺参数

实施例3：搅拌摩擦共晶反应焊制备Al/Zn接头

选用市售厚度为2mm(实测1.96mm)的纯铝1060和厚度3mm的纯锌为待焊件，规格分别为100×60×2mm和100×60×3mm。搅拌头材质为1Cr13马氏体不锈钢、直径D＝20mm、无针。采取搭接接头的装配方式，搭接区域的面积为100×25mm，上端为铝板，下端为锌板，如图1所示。焊接工艺参数见表3。

表3.搅拌摩擦共晶反应焊制备Al/Zn接头工艺参数

焊接工艺参数(1500-150-3°-0.25-20)条件下Al/Zn接头外观成形参见图3(c)：接头成型光滑，无明显飞边和毛刺，在搭接区域边缘有被挤出的共晶液相凝固后的金属球，说明焊接过程中界面温度已经达到铝锌共晶反应温度，界面发生了共晶反应，且产生的共晶液相在搅拌工具的力学作用下被挤出界面。

结合铝锌二元平衡相图可以知，任何成分比例的铝锌合金都不会形成金属间化合物，因此铝锌搅拌摩擦共晶反应焊的界面上不存在对接头性能有害的脆性金属件化合物，只要接头界面上能发生共晶反应，界面致密，接头的力学性能便可以得到保证。

实施例4：搅拌摩擦共晶反应焊制Cu/Al散热器

搅拌摩擦共晶反应焊技术制备后经铣削加工的Cu/Al散热器参见图3(d)。覆板材料为市售2mm(实测1.96mm)厚纯铜板T2，覆板为纯铝1060散热翅片。搅拌头材质为1Cr13马氏体不锈钢、直径D＝20mm、无针。焊接时的装配方式和焊接过程参见图2(a)、(b)、(c)和(d)，采取铜板完全覆盖铝散热翅片搭接的方式，搭接区域的面积为60×60mm，焊接时使已焊区处于后退侧，未焊区处于前进侧，从距压块～5mm处开始第一道焊缝(参见图2(a))，依次向前进侧方向施行第2道焊接(参见图2(b))，至前进侧边缘时卸下前进侧方向上的压块(参见图2(c))，前进侧边缘焊接后重新装上此压块，卸下另一块压块，保持已焊区域处在后退侧(参见图2(d))方向进行最后一道焊接，相邻两道焊缝间重叠2～4mm，工艺参数见表4。

表4.搅拌摩擦共晶反应焊制备Cu/Al散热器工艺参数

铜为上板并使用钎料情况下搅拌摩擦钎焊对比试验结果(图5用Sn作钎料；图6用Zn作钎料)，实证了铜/铝搅拌摩擦钎焊在表面成形、断口形貌、界面组织方面的明显缺陷(虽然Zn在铜/铝大间隙火焰钎焊中获得了成功，但并不能用于搅拌摩擦钎焊)。这些对比试验结果反证了在铜须置于上侧的工况下，新提出的“搅拌摩擦共晶反应焊”比原来的“搅拌摩擦钎焊”在表面成形与界面组织方面的明显优点。

Claims (9)

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摩擦共晶反应焊方法，其特征在于：进行单道焊接时，将板材A及板材B的待焊面打磨后以搭接接头形式进行装配，将上板的后退侧固定，上板前进侧处于自由状态。

7.根据权利要求5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：进行多道焊接时，使已焊区处于后退侧，未焊区处于前进侧，将前进侧以及后退侧的边缘均用压块固定后，从后退侧开始依次向前进侧施行若干道焊接，至前进侧边缘时卸下前进侧方向上的压块，使前进侧边缘处于自由状态，前进侧边缘焊接后重新装上此压块，卸下另一压块，使后退侧边缘处于自由状态，保持已焊区域处在后退侧方向进行最后一道焊接，相邻两道焊缝间重叠2～4mm。

8.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：所述搅拌摩擦共晶反应焊方法在大气中施焊，无需保护气体与钎剂。

9.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：Cu/Al焊接的工艺参数如下：搅拌工具的旋转速度为1180～1500rpm、焊接速度为60～190mm/min、倾斜角度为1～3度、压入深度为0.15～0.3mm以及直径为15～30mm；

Al/Zn焊接的工艺参数如下：搅拌工具的旋转速度为950～1500rpm、焊接速度为60～190mm/min、倾斜角度为1～3度、压入深度为0.15～0.3mm以及直径为15～30mm。