CN106475679B - 一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺 - Google Patents

一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺，包括如下步骤：将待焊的铜和铝或铝合金试板放入真空扩散焊装置的真空室中，控制真空室的真空度为10‑4～10‑5Pa，开启加热程序，升温速度为5～15℃/min，升温过程中在330～350℃和520～530℃分别设置保温平台，保温时间为5～10min；然后开启加压程序，进行非连续加压，并继续升温至570～595℃，保温40～60min；完成扩散连接。本发明在不添加中间层的条件下，利用非连续加压的方式，促使铜与铝扩散界面高温形成的金属间化合物破碎溶解，从而改善接头的组织性能，实现铜与铝异种金属的扩散结合。

Description

一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺。
背景技术
铜与铝合金都具有良好的导热、导电性能，两者连接形成复合结构不仅可实现结构和功能上的特殊要求，还可减轻结构重量、降低成本、充分发挥优势互补的特性。但铝合金表面极易生成的氧化膜严重影响两者之间的连接，采用机械连接难以满足优异导电性的功能要求，且接头处接触不稳定。另外铜与铝合金在物理化学性能方面差异较大(熔点相差242℃、线胀系数相差约40％、导电率相差70％)，采用熔焊方法连接时，接头易生成硬脆的铜-铝金属间化合物，导致接头裂纹萌生及断裂。到目前为止，铜与铝合金的连接多采用非熔化焊方法，如摩擦焊、爆炸焊、超声波焊、压力焊、钎焊等。但摩擦焊只用于焊接铜-铝管接头，超声波焊及压力焊设备复杂，成本高，钎焊接头强度较低。
中国发明专利(2005100446278和201210398254.4)提出了采用添加中间合金(分别为Al-Si-Mg和Al-Si-Cu)进行铝合金与铜扩散钎焊的方法，但中间合金容易造成接头扩散层增宽，降低接头的导电性能。
中国发明专利(2009 1 0231168.2)提出的铜与铝异种金属的低温钎焊方法，需要将试板浸入混合液态钎料中，会造成钎料的浪费以及造成残余钎料对试板的整体腐蚀。
中国发明专利(02 1 59026.5)提出了一种铝与铜双金属片的低温低压反应扩散焊方法，由于焊接过程中需要形成Al-Mg-Cu三元共晶液相，此方法应用范围有限，只适用于Al-Mg系铝合金与纯铜之间的真空连接。
中国发明专利(2011 1 0256606.8)提出了一种非真空条件下进行铝与异种金属压接扩散焊的工艺，但在焊前需要对试件待焊部位进行30％以上的镦粗变形，难以保证焊接结构的尺寸，并且需要专用夹具和工装，连接工艺较为繁琐。
中国发明专利(2015 1 0780168.3)在进行铝与铜的真空扩散焊之前，需要采用等离子体增强化学气相沉积真空装置对铝和铜材表面进行氢化处理，这对于消除氧化膜具有显著效果，但该项工艺操作较复杂，需要昂贵的等离子体增强化学气相沉积真空装置和设备。
因此，亟需寻求新的铜与铝合金的连接工艺，以改善接头性能，并推动铜与铝异种结构的应用。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的提供一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺。本发明在不添加中间层的条件下，利用非连续加压的方式，促使铜-铝扩散界面高温形成的金属间化合物破碎溶解，从而改善接头的组织性能，实现铜与铝异种金属的扩散结合。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺，包括如下步骤：
将待连接的铜和铝或铝合金试板放入真空扩散焊装置的真空室中，控制真空室的真空度为10-4～10-5Pa，开启加热程序，升温速度为5～15℃/min，升温过程中在330～350℃和520～530℃分别设置保温平台，保温时间为5～10min；然后开启加压程序，进行非连续加压，并继续升温至570～595℃，保温40～60min；完成扩散连接。
上述真空扩散连接工艺中，所述待连接的铜和铝或铝合金试板在焊前还包括表面清理的步骤，目的是去除试板表面的油污和氧化皮，确保试板表面洁净干燥。
所述表面清理包括：对铜和铝或铝合金试板进行打磨、清洗，以及对铝或铝合金试板进行碱洗和酸洗，对铜试板进行酸洗；其具体操作为：
(1)采用不同型号的砂纸对铜和铝或铝合金试板进行打磨，以确保试板的光洁度；
(2)采用丙酮对铜和铝或铝合金试板表面进行清洗，以去除油污；
(3)采用质量分数为15％～20％的NaOH溶液在40～60℃的水浴加热中对铝或铝合金试板进行碱洗，保持3～5min，然后采用质量分数为20％～30％的HNO3对铝或铝合金试板进行酸洗，再用酒精冲洗，吹干后待用。碱洗和酸洗的目的去除铝或铝合金表面的三氧化二铝氧化膜，促进铜与铝界面扩散结合。
(4)采用质量分数为3％～10％的HCl对铜试板进行酸洗，保持3～5min，然后用酒精冲洗，吹干后待用。对铜试板酸洗的目的是去除铜表面的氧化亚铜氧化膜，促进铜与铝界面扩散结合。
上述真空扩散连接工艺中，所述非连续加压的操作为：压力为1～7MPa，每保持5～8min压力，间歇时间为1～2min，整个加压时间控制在40～60min。
上述真空扩散连接工艺中，采用钛合金试板对待焊的铜和铝或铝合金试板进行上下压紧，以确保受力均匀。另外，由于钛合金的强度高、耐蚀性好、耐热性高，因此钛合金试板不会对铜和铝或铝合金试板的真空扩散连接产生影响。
上述真空扩散连接工艺中，扩散连接完成后，还包括冷却、以及冷却后将连接试样取出的操作。具体为：扩散连接完成后，撤除压力并采用循环水进行冷却，待真空室温度降至80℃以下时，将连接试样取出。
本发明的铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺的工作原理在于：在一定的真空度条件下，将铜和铝或铝合金的平整光洁的接触表面加热到一定的温度，再施加一定的压力，保持一定的时间，在“真空-温度-非连续施压-保温”同时作用下，铜与铝界面发生微观塑性流变后相互紧密接触，利用连接接触表面的原子互相扩散转移，并且形成金属键或共价键，经一段时间的保温，使连接界面附近的成分、组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。更为关键的是，本发明采用非连续加压的方式，促使铜与铝扩散界面高温形成的Cu-Al金属间化合物被破碎溶解，从而进一步改善了扩散接头的组织性能。
加热温度是真空扩散连接的重要工艺参数，加热温度的微小变化都会使扩散速度产生较大的变化，在一定的温度范围内，温度越高，扩散系数越大；但当温度高于一定值后，温度再提高时，界面附近组织粗化，真空扩散连接的接头质量提高不多，有时反而有所下降。保温时间是指被焊工件在焊接温度下的保持时间，保温时间太短，则扩散焊接接头达不到稳定的与母材相当的强度；若保温时间过长，则对扩散接头起不到进一步的提高作用，反而会使母材的晶粒长大。本发明采用在真空扩散连接工艺的升温过程中设置多个保温平台，主要是确保待连接试板的受热均匀，更好的促进连接接触表面的元素扩散转移。本发明对保温平台的设置个数和设置温度进行了优化，结果发现，本发明通过设置2个保温平台，温度分别为330～350℃和520～530℃，可以保证铜与铝待连接试板的受热更为均匀，更好的促进了连接接触表面的元素之间的扩散转移。
本发明还对非连续加压的操作工艺条件进行了优化，分别对加压的压力、每次加压的保持时间、间歇时间和整个加压操作的控制时间进行了试验，结果发现，相对于其他的非连续加压操作，采用本发明的非连续加压操作，即：压力为1～7MPa，每保持5～8min撤除压力，间歇时间为1～2min，整个加压时间控制在40～60min，其对铜与铝扩散连接接头的组织性能的改善效果更为显著。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用真空扩散焊设备可实现一次多件的焊接，大大提高焊接效率。
(2)本发明利用非连续加压的方式，促使铜与铝扩散界面高温形成的Cu-Al金属间化合物破碎溶解，从而改善接头的组织性能。
(3)本发明的真空扩散连接工艺无中间层的添加，可满足铜与铝异质复合结构接头处对导电性能的要求，在电力设备领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1：实施例1扩散连接后的铜与铝试样及界面结合形貌；其中，a为扩散连接后的铜与铝试样，b为界面结合形貌；
图2：实施例2扩散连接后的铜与铝合金试样。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述实施例说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1：
将厚度为4mm的T2紫铜与厚度为2mm的1060工业纯铝进行无中间层的非连续加压真空扩散焊连接，工件尺寸均为40mm×80mm。
具体工艺步骤如下：
(1)焊前表面清理
采用不同型号的金相砂纸对工件待连接表面进行打磨，确保试板的光洁度。采用丙酮对工件表面进行清洗，去除油污。采用15％(质量分数)的NaOH溶液在60℃的水浴加热中对1060工业纯铝试板进行碱洗，保持5min，然后采用20％(质量分数)的HNO3对1060工业纯铝进行酸洗，再用酒精冲洗，吹干后待用。采用3％(质量分数)的HCl对T2紫铜进行酸洗，保持3min，然后用酒精冲洗，吹干后待用。
(2)真空扩散连接
为确保受力均匀，用钛合金试板对待连接的铜与铝试板进行上下压紧后，一同放入真空扩散焊设备的真空室中，进行抽真空10min，真空度达到10-4Pa，开启加热程序，升温速度为5℃/min。为确保受热均匀，升温过程中在350℃和530℃分别设置保温平台，保温时间控制在10min。然后开启加压程序并继续升温至570℃，压力为7MPa，施压方式为非连续加压，每保持8min撤除压力，间歇时间为1min，整个加压时间和保温时间控制在40min。扩散连接完成之后，撤除压力并采用循环水进行冷却，待真空室温度降至60℃时，将连接试样取出。
扩散连接后的铜与铝试样及界面结合形貌如图1中a和b所示。由图1可以看出：采用本发明的工艺可以实现铜和铝的有效连接，接头界面无扩散孔隙存在。
实施例2：
将厚度为2mm的T2紫铜与厚度为4mm的5A06防锈铝进行无中间层的非连续加压真空扩散焊连接，工件尺寸均为60mm×60mm。
具体工艺步骤如下：
(1)焊前表面清理
采用不同型号的金相砂纸对工件待连接表面进行打磨，确保试板的光洁度。采用丙酮对工件表面进行清洗，去除油污。采用20％的NaOH溶液在40℃的水浴加热中对5A06铝合金试板进行碱洗，保持3min，然后采用30％的HNO3对5A06防锈铝进行酸洗，再用酒精冲洗，吹干后待用。采用10％的HCl对T2紫铜进行酸洗，保持5min，然后用酒精冲洗，吹干后待用。
(2)真空扩散连接
为确保受力均匀，用钛合金试板对待连接的铜与铝试板进行上下压紧后，一同放入真空扩散焊设备的真空室中，进行抽真空15min，真空度达到10-5Pa，开启加热程序，升温速度为15℃/min，为确保受热均匀，升温过程中在330℃和520℃分别设置保温平台，保温时间控制在5min。然后开启加压程序并继续升温至595℃，压力为2MPa，施压方式为非连续加压，每保持5min撤除压力，间歇时间为2min，整个加压时间和保温时间控制在60min。扩散连接完成之后，撤除压力并采用循环水进行冷却，待真空室温度降至80℃时，将被连接试样取出。
扩散连接后的铜与铝试样如图2所示，由图2可以看出：采用本发明的工艺可以实现铜与铝合金的有效连接，接头界面无扩散孔隙存在。
对比例1：
将厚度为4mm的T2紫铜与厚度为2mm的1060工业纯铝进行无中间层的非连续加压真空扩散焊连接，工件尺寸均为40mm×80mm。
焊前的表面清理同实施例1。区别在于：真空扩散连接的操作中，将升温速度调整为20℃/min，升温过程中不设置保温平台，直接升温至530℃。其余操作同实施例1。
对焊后的接头进行检测，结果发现扩散连接界面出现局部未扩散结合的缺陷。
对比例2：
将厚度为4mm的T2紫铜与厚度为2mm的1060工业纯铝进行无中间层的非连续加压真空扩散焊连接，工件尺寸均为40mm×80mm。
焊前的表面清理同实施例1。区别在于：真空扩散连接的操作中，将施压方式调整为连续施压，压力为7MPa，施压时间为60min。其余操作同实施例1。
对焊后的扩散接头进行检测，结果发现扩散连接的接头组织存在大量Cu-Al金属间化合物，接头的组织均匀性欠佳；而且出现局部残余变形的缺陷。
对比例3：
将厚度为2mm的T2紫铜与厚度为4mm的5A06防锈铝进行无中间层的非连续加压真空扩散焊连接，工件尺寸均为60mm×60mm。
焊前的表面清理同实施例2。区别在于：真空扩散连接的操作中，将非连续加压的操作调整为：压力为0.5MPa，每保持10min撤除压力，间歇时间为3min，整个加压时间和保温时间控制在50min。
对焊后的接头进行检测，结果发现扩散连接的接头组织仍存在Cu-Al金属间化合物，接头的组织均匀性欠佳。

Claims (8)

1.一种铜与铝合金的无中间层非连续加压真空扩散连接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将待焊的铜和铝或铝合金试板放入真空扩散焊装置的真空室中，控制真空室的真空度为10-4~10-5Pa，开启加热程序，升温速度为5~15℃/min，升温过程中在330~350℃和520~530℃分别设置保温平台，保温时间为5~10min；然后开启加压程序，进行非连续加压，并继续升温至570~595℃，保温40~60min；完成扩散连接；
所述非连续加压的具体工艺为：压力为 1~7MPa，每保持 5~8min 撤除压力，间歇时间为 1~2min，整个加压时间控制在 40~60min。
2.如权利要求1所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，所述待焊的铜和铝或铝合金试板在焊前还包括表面清理的步骤。
3.如权利要求2所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，所述表面清理包括：对铜和铝或铝合金试板进行打磨、清洗，以及对铝或铝合金试板进行碱洗和酸洗，对铜试板进行酸洗。
4.如权利要求2或3所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，所述表面清理的具体操作为：
（1）采用不同型号的金相砂纸对铜和铝或铝合金试板进行打磨；
（2）采用丙酮对铜和铝或铝合金试板表面进行清洗；
（3）采用质量分数为15%~20%的NaOH溶液在40~60℃的水浴加热中对铝或铝合金试板进行碱洗，保持3~5min，然后采用质量分数为20%~30%的HNO3对铝或铝合金试板进行酸洗，再用酒精冲洗，吹干后待用；
（4）采用质量分数为3%~10%的HCl对铜试板进行酸洗，保持3~5min，然后用酒精冲洗，吹干后待用。
5.如权利要求1所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，所述非连续加压的操作为：压力为1~7MPa，每保持5~8min撤除压力，间歇时间为1~2min，整个加压时间控制在40~60min。
6.如权利要求1所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，在真空扩散连接过程中，采用钛合金试板对待焊的铜和铝或铝合金试板进行上下压紧。
7.如权利要求1所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，扩散连接完成后，还包括冷却、以及冷却后将焊接试样取出的操作。
8.如权利要求7所述的真空扩散连接工艺，其特征在于，扩散连接完成后，撤除压力并采用循环水进行冷却，待温度降至80℃以下时，将焊接试样取出。
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