CN106270868A - 一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法 - Google Patents

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轩庆庆
张雷
鲍丽
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张青科
沈元勋
高雅
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Abstract

一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法，包括对铜和钢的待焊部位进行机械抛光和清洗的步骤；在两个待焊部位之间放置两面均涂覆有单质硼粉的片状钎料，得到装配部件的步骤，以及对转配组件进行真空炉内钎焊的步骤。本发明通过在片状钎料两面涂覆单质硼粉，实现了在较低的真空度条件下对铜与钢之间的高效焊接。避免了常规铜‑钢焊接时对真空度的苛刻要求，整个钎焊过程无需昂贵的高真空设备投入，降低了成本。同时，本方法形成的铜‑钢焊接接头界面结合稳定、密封性好、连接可靠，能够满足工程上对铜‑钢连接接头的各种需要。

Description

一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法
技术领域
本发明涉及异种材料的连接技术领域，具体的说是一种铜与钢之间的活化扩散钎焊连接方法。
背景技术
扩散焊是在一定温度和压力下将两种待焊工件的焊接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液相而扩大待焊表面的物理接触，使之距离达(1~5)*10-8cm以内(这样原子间的引力起作用，才可能形成金属键)，再经较长时间的原子相互间的不断扩散，相互渗透，来实现冶金结合的一种焊接方法。
随着扩散焊工艺的发展，出现了瞬间液相扩散焊技术，它可降低待焊表面制备的质量要求，减少焊接时间，提高接头质量的稳定性。瞬间液相扩散焊（TLP）的机理为：在连接过程开始时中间层熔化形成液相，液态金属浸润母材表面并填充毛细间隙，形成致密的连接界面。随后，在保温过程中，借助固液相之间的相互扩散使液相合金的成分向高熔点侧发生变化，最终发生等温凝固并使固相成分均匀化，使结合区域的组织与母材接近，不会残留凝固铸态组织。所谓中间层就是添加了一些合金元素，在一定的工艺条件下熔化，把两种待焊材料连接在一起的一种特殊材料。TLP中间层成分的选择是一个非常重要的环节，根据所连接材料的不同，中间层的成分也不同，一般中间层的选择应做到降低熔点（低于母材）、增强接头强度，另外还可能有一些诸如防锈、耐腐蚀等特殊的要求。
铜-钢异质金属复合构件充分结合铜合金的优良导热导电性以及钢的高刚度和高强度，全面满足了服役性能要求，更好的实现了经济和性能上的优势互补。在目前工业应用中，真空扩散焊是铜-钢接头较为常用的方法，但高真空设备较为昂贵，且为达到焊接铜-钢接头的高真空度所需的时间较长，从而加大了焊接成本。另外，如果在真空扩散钎焊过程中使用钎剂，就可能产生大尺度的焊接缺陷，并腐蚀损坏设备。
因此，设计一种成本低、效率高、质量好的连接方法来实现铜-钢异质金属复合构件之间的钎焊连接是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法。该方法通过在片状钎料两面涂覆单质硼粉，可实现铜与钢的低真空高质量焊接。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法，包括以下步骤：
步骤一、分别对铜的待焊部位和钢的待焊部位进行机械抛光，之后，将铜与钢置于无水乙醇溶液中进行超声清洗5～20min，清洗完毕后对铜和钢进行表面冲刷，之后，风干，得到洁净的铜和钢，备用；
步骤二、在步骤一制得的铜的待焊部位与钢的待焊部位之间放置两面均涂覆有单质硼粉的片状钎料，得到装配部件，备用；
步骤三、将步骤二制得的装配部件放置于真空炉内，抽真空至炉内压强为0.1～0.5Pa，之后，控制真空炉内温度升高至700～920℃，然后，从铜和钢分别背离其待焊接部位的两端向装配部件设置有片状钎料的中部方向对装配部件施加1～10MPa的压力，并在该压力和温度下进行扩散钎焊10～60min，之后，对装配部件进行卸压，控制真空炉内温度自然冷却至室温，取出装配部件，即完成铜与钢之间的焊接。
在步骤二中，所用单质硼粉的粒度≤100目。
在步骤二中，片状钎料两面涂覆的单质硼粉的质量为片状钎料和单质硼粉总质量的2%~5%。
在步骤二中，所用片状钎料的厚度为30～200μm。
在步骤二中，所用的片状钎料为银铜类钎料。
在步骤三中，所述的升温速率为5-15℃/min。
本发明提出的利用单质硼活化低真空扩散钎焊连接方法在铜与钢异种材料的连接方面是一个重要的突破。单质硼粉在真空炉中的作用机理如下：
一、低真空条件下进行施焊，在700～920℃的加热过程中，单质硼粉与环境中的氧发生反应，消耗真空炉内空气中的氧气，使焊缝周围的氧分压降至10﹣2 Pa。
二、在加热条件下，单质硼粉与氧气反应生成三氧化二硼，反应方程式如（1）所示。
4B+3O2=2 B2O3 (1)
B2O3在580℃以上时呈熔融态，会与焊缝中的氧化物发生反应，还原待连接金属表面的氧化物，降低焊缝表面自由能。以钎焊铜为例，铜表面有一层Cu2O，其具有低的结晶度和高的致密度，硼酐可以与氧化铜发生反应，形成易熔的硼酸盐，以渣的形式浮在钎缝表面上，既能达到去膜效果，又能起机械保护作用。具体反应式如（2）所示。
CuO+B2O3=Cu(BO2)2 (2)
三、硼的原子半径较小，易固溶到其他金属里面。部分未发生反应的单质硼粉通过扩散进入焊缝界面，增强了钎缝强度。
有益效果：
本发明的一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法，采用在片状钎料上下两面涂覆单质硼粉，通过真空钎焊和界面扩散作用，实现了在较低的真空度条件下对铜与钢之间的高效焊接。避免了常规铜-钢焊接时对真空度的苛刻要求，整个钎焊过程无需昂贵的高真空设备投入，降低了成本。同时，本方法形成的铜-钢焊接接头界面结合稳定、密封性好、连接可靠，能够满足工程上对铜-钢连接接头的各种需要。方法本身工艺简单、生产周期短、制造成本低、能实现批量生产，实用效果好，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的实施例中装配部件的结构示意图；
附图标记：1、上压头，2、铜，3、钢，4、下压头，5、阻焊层，6、单质硼粉层，7、片状钎料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。
一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将纯铜的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗5min～20min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干；将钢的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗5min～20min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干，备用；
二、在步骤一制得的钢上铺上两面涂覆过单质硼粉的片状钎料，然后放上步骤一制得的铜，得到装配部件，此时的装配部件包括铜2、钢3、片状钎料7以及片状钎料7两面的单质硼粉层6；
三、将步骤二制成的装配部件置于真空室中，使装配部件置于真空扩散焊炉内的上压头1与下压头4之间，在上压头1与铜2之间还放置有阻焊层5，在下压头4与钢3之间也放置有阻焊层5，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为1×10-1～5×10-1Pa，开启真空室内的加热系统，将真空钎焊炉温度升温至700～920℃，然后对装配部件贴合后的材料施加1～10MPa的压力，然后在温度为700～920℃下及压力为1～10MPa的条件下，保温10～60min，保温后卸载压力，关闭加热系统，在压强为1×10-1～5×10-1Pa的条件下，进行随炉冷却至室温，即完成纯铜与钢的真空扩散连接。
利用本发明的铜-钢扩散钎焊方法，在片状钎料上下两边涂覆单质硼粉，通过真空钎焊和界面扩散实现了铜与钢的焊接，可在较低真空度下实现扩散连接，使用单质硼粉降低真空炉的氧分压，并进一步还原被焊工件表面的氧化层，能获得耐高温性能好的接头，具有成本低，效率高，质量好等优点。形成的铜—钢焊接接头界面结合稳定、密封性好、连接可靠，能够满足工程上对铜-钢连接接头的各种需要。本发明涉及的铜-钢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。
实施例1：
T2纯铜与45号钢的扩散钎焊
一、将T2纯铜的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗10min，清洗完毕后冲刷洁净、风干；将45号钢的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗10min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干。
二、在45号钢上铺上两面涂覆单质硼粉的BAg45CuZn片状钎料，BAg45CuZn片状钎料的厚度为30μm，然后再放上T2纯铜。
三、将焊件装配好置于真空室中，并放置于真空扩散焊炉内上压头与下压头之间，在上压头与T2纯铜、下压头与45号钢之间放置阻焊层。对被焊工件施加0.5MPa预压力，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为1×10-1Pa，开启加热系统，加热速率为10℃/min，将真空钎焊炉温度升温至760℃，然后对贴合后的工件施加6MPa的压力，然后在温度为760℃下及压力为6MPa的条件下，保温30min，保温后卸载压力，关闭加热系统，进行随炉冷却至室温，即完成纯铜与45号钢的真空扩散焊接方法。
经测试：通过实施例一焊接后的T2纯铜与45号钢形成高质量的接头，接头的剪切强度为198MPa，而单纯用BAg45CuZn钎料炉焊T2纯铜和45号钢的剪切强度175 MPa。
实施例2：
T2纯铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散钎焊
一、将T2纯铜的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗10min，清洗完毕后冲刷洁净、风干；将1Cr18Ni9Ti不锈钢的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗10min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干。
二、在1Cr18Ni9Ti不锈钢上铺上两面涂覆单质硼粉的BAg50CuZn片状钎料，BAg50CuZn片状钎料的厚度为50μm，然后放上T2纯铜。
三、将焊件装配好置于真空室中，并放置于真空扩散焊炉内上压头与下压头之间，在上压头与T2纯铜、下压头与1Cr18Ni9Ti不锈钢之间放置阻焊层。对被焊工件施加0.5MPa预压力，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为2×10-1Pa，开启加热系统，加热速率为10℃/min，将真空钎焊炉温度升温至790℃，然后对贴合后的工件施加8MPa的压力，然后在温度为790℃下及压力为8MPa的条件下，保温40min，保温后卸载压力，关闭加热系统，进行随炉冷却至室温，即完成纯铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢的真空扩散焊接方法。
经测试：通过实施例二焊接后的T2纯铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢形成高质量的接头，接头的剪切强度为220MPa，而单纯用BAg50CuZn钎料炉焊T2纯铜和1Cr18Ni9Ti不锈钢得到的焊接接头的剪切强度193MPa。
实施例3：
H62黄铜与304不锈钢的扩散钎焊
一、将H62黄铜的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗10min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干；将304不锈钢的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗10min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干。
二、在304不锈钢上铺上两面涂覆单质硼粉的BAg34CuZnSn片状钎料，BAg34CuZnSn片状钎料的厚度为100μm，然后放上H62黄铜。
三、将焊件装配好置于真空室中，并放置于真空扩散焊炉内上压头与下压头之间，在上压头与H62黄铜、下压头与304不锈钢之间放置阻焊层。对被焊工件施加0.5MPa预压力，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为3×10-1Pa，开启加热系统，加热速率为10℃/min，将真空钎焊炉温度升温至730℃，然后对贴合后的工件施加5MPa的压力，然后在温度为730℃下及压力为5MPa的条件下，保温50min，保温后卸载压力，关闭加热系统，进行随炉冷却至室温，即完成H62黄铜与304不锈钢的真空扩散焊接方法。
经测试：通过实施例三焊接后的H62黄铜与304不锈钢形成高质量的接头，接头的剪切强度为173MPa，而单纯用BAg34CuZnSn钎料炉焊H62黄铜和304不锈钢得到的焊接接头的剪切强度161MPa。
实施例4：
H62黄铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢的扩散钎焊
一、将H62黄铜的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗5min，清洗完毕后冲刷洁净、风干；将1Cr18Ni9Ti不锈钢的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗5min，清洗完毕后并冲刷洁净、风干。
二、在1Cr18Ni9Ti不锈钢上铺上两面涂覆单质硼粉的BAg56CuNi片状钎料，BAg56CuNi片状钎料的厚度为150μm，然后放上H62黄铜。
三、将焊件装配好置于真空室中，并放置于真空扩散焊炉内上压头与下压头之间，在上压头与H62黄铜、下压头与1Cr18Ni9Ti不锈钢之间放置阻焊层。对被焊工件施加0.5MPa预压力，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为4×10-1Pa，开启加热系统，加热速率为5℃/min，将真空钎焊炉温度升温至920℃，然后对贴合后的工件施加10MPa的压力，然后在温度为920℃下及压力为10MPa的条件下，保温10min，保温后卸载压力，关闭加热系统，进行随炉冷却至室温，即完成H62黄铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢的真空扩散焊接方法。
经测试：通过实施例四焊接后的H62黄铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢形成高质量的接头，接头的剪切强度为210MPa，而单纯用BAg56CuNi钎料炉焊H62黄铜和1Cr18Ni9Ti不锈钢得到的焊接接头的剪切强度185MPa。
实施例5：
T2纯铜与304不锈钢的扩散钎焊
一、将T2纯铜的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗20min，清洗完毕后冲刷洁净、风干；将304不锈钢的待焊部位机械抛光，然后置于无水乙醇溶液中超声清洗15min，清洗完毕后并冲刷洁净、晾干。
二、在304不锈钢上铺上两面涂覆单质硼粉的BAg55CuZnSn片状钎料，BAg55CuZnSn片状钎料的厚度为200μm然后再放上T2纯铜。
三、将焊件装配好置于真空室中，并放置于真空扩散焊炉内上压头与下压头之间，在上压头与T2纯铜、下压头与304不锈钢之间放置阻焊层。对被焊工件施加0.5MPa预压力，关闭真空室，打开抽真空系统，抽真空至压强为5×10-1Pa，开启加热系统，加热速率为15℃/min，将真空钎焊炉温度升温至700℃，然后对贴合后的工件施加1MPa的压力，然后在温度为700℃下及压力为1MPa的条件下，保温60min，保温后卸载压力，关闭加热系统，进行随炉冷却至室温，即完成纯铜与304不锈钢的真空扩散焊接方法。
经测试：通过实施例五焊接后的T2纯铜与304不锈钢形成高质量的接头，接头的剪切强度为216MPa，接头的剪切强度为210MPa，而单纯用BAg55CuZnSn钎料炉焊T2纯铜与304不锈钢得到的焊接接头的剪切强度201MPa。

Claims (6)

1.一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、分别对铜的待焊部位和钢的待焊部位进行机械抛光，之后，将铜与钢置于无水乙醇溶液中进行超声清洗5～20min，清洗完毕后对铜和钢进行表面冲刷，之后，风干，得到洁净的铜和钢，备用；
步骤二、在步骤一制得的铜的待焊部位与钢的待焊部位之间放置两面均涂覆有单质硼粉的片状钎料，得到装配部件，备用；
步骤三、将步骤二制得的装配部件放置于真空炉内，抽真空至真空炉内压强为0.1～0.5Pa，之后，控制真空炉内温度以一定的升温速率升高至700～920℃，然后，从铜和钢分别背离其待焊接部位的两端向装配部件设置有片状钎料的中部方向对装配部件施加1～10MPa的压力，并在该压力和温度下进行扩散钎焊10～60min，之后，对装配部件进行卸压，控制真空炉内温度自然冷却至室温，取出装配部件，即完成铜与钢之间的焊接。
2.根据权利要求1所述的一种单质硼活化扩散钎焊连接铜与钢的方法，其特征在于：在步骤二中，所用单质硼粉的粒度≤100目。
3.根据权利要求1所述的一种单质硼活化扩散连接钎焊铜与钢的方法，其特征在于：在步骤二中，片状钎料两面涂覆的单质硼粉的质量为片状钎料和单质硼粉总质量的2%~5%。
4.根据权利要求1所述的一种单质硼还原法无钎剂扩散钎焊铜和钢的连接方法，其特征在于：在步骤二中，所用片状钎料的厚度为30～200μm。
5.根据权利要求1所述的一种单质硼还原法无钎剂扩散钎焊铜和钢的连接方法，其特征在于：在步骤二中，所用的片状钎料为银铜类钎料。
6.根据权利要求1所述的一种单质硼还原法无钎剂扩散钎焊铜和钢的连接方法，其特征在于：在步骤三中，所述的升温速率为5-15℃/min。
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