CN106583914B - 一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铝连接件面‑面渗溶接工艺，解决了现有技术对铜铝结合面无法生成连续的牢固结合面，或基材晶粒变得粗大，影响基材及结合面的物理特性、机械性能以及电学化学指标等问题，其特征是铜铝连接件结合面主要微观组织结构为物理制备过程连接生成的固溶物组织，由基材预热后低温摩擦和超高压提供能量，使固相态铝材与固相态铜材原子或分子偏离平衡位置作长距离迁移，从而形成物理联接性质的固相态连接面；结合面中固溶物总量＞95%或牢固结合面中化合物+氧化物+混合物总量≤5%。使原基材的机械特性基本保留且有高于自身母材材质物理性能的特点，致密度高于母材，机械强度也比母材更高。

Description

一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺

技术领域

本发明涉及铜铝连接技术领域，尤其是一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺。

背景技术

铜铝焊接即是把铜质材料和铝质材料通过焊接工艺接成一体。因为铜和铝都属易氧化金属，所以铜与铝的焊接一直是一个国际性的焊接难题。现有的焊接方法有传统上常用挂锡和熔锡的方法焊接铜铝，这种方法成型并不理想，没有较高的强度，由于锡的熔点低又不能焊接在高温工作下的工件，所以此种工艺只适合低温条件下的小工件上使用。有采用熔化焊、摩擦焊、冷压焊、爆炸焊、电子束焊、超声波焊等焊接方法焊接铜铝，这些焊接出来的接头脆性大,易产生裂纹且焊缝易产生气孔，焊接起来的工件难免出现断裂，出现断裂后就可能使导电体断路、使管道泄露，也达不到实际生产中要求的效果。也有采用较好的钎焊，通常用火焰钎焊、炉中钎焊和高频钎焊等，把铜和铝焊接在一起，通过钎焊工艺把钎料作为中间介质把铜和铝焊接在一起。

也有如专利公告号为CN100445625C公开的方案来制作薄壁铜铝管焊接接头的，即一种无共晶组织的薄壁铜铝管焊接接头的制备方法及用该方法生产的焊接接头，该接头的特征是铝管刻有凸形字，该接头的焊接方法特征是在铜管焊接部位的收口端内部预设一个金属芯棒，在固定电极组的相应位置上安装有镶嵌块，焊接时顶推气缸将带有铜管的移动电极组推向铝管，同时通电对铜铝结合区进行电阻加热，铜管在顶推气缸的作用下不断向铝管内部移动，移动过程中，铜管的焊接压力和焊接电流每隔1-2mm调整一次参数，以控制铜铝焊接的温度，断电冷却后，将金属芯棒抽出。这种产品的结果是在铜材与铝材结合面的微观组织结构，以化学键为主要结合结构组成部分，实际使用时，化合物为主体的结合面在机械性能指标上并达不到理想状态，在连接面会发生脆化和分层，焊接连接件在使用过程中容易受外力影响而剥落。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的以下问题：对铜铝结合面无法生成连续的牢固结合面，或因加工原理局限，为形成液相态熔融非晶态组织，对基材进行高温处理，导致基材晶粒变得粗大，严重影响基材及结合面的物理特性、机械性能以及电学化学指标等，从而提供一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征是铜铝连接件结合面主要微观组织结构为物理制备过程连接生成的固溶物组织，在基材预热后由低温摩 擦和超高压提供能量，使固相态铝材与固相态铜材原子或分子偏离平衡位置作长距离迁移，从而形成物理联接性质的固相态连接面；所述的结合面中固溶物总量＞95%或牢固结合面中化合物+氧化物+混合物总量≤5%。

本技术方案所设计的工艺是一个固相态低温加工工艺过程，在基材间分子或原子的相互扩散而形成的固相态固溶物组织结构，对铜铝基材的原物理形态除了因高压导致更加致密之外，不形成粗大的晶体组织及共晶体或化合物。本方案所形成的结合面强度远超过现有焊接原理形成的焊接方法，并且利于工业制备，在实际生产应用中得以实现。通过摩擦和高压提供动能，固相态铝材与固相态铜材原子或分子相互作长距离（相对原子结构而言）迁移，其过程为物理变化，而固溶物形成和稳定的温度是由跃迁温度经空气常温冷却到室温即可。本案在形成此结合面过程中，基本没有改变基材的物理性质，没有过多的晶粒粗大现象产生，同时在结合面基本排除了晶态化合物、铜铝混和物、氧化物的存在；原基材的机械特性基本保留，两者结合面溶接抗拉强度、抗撕裂性能等性能指标大于焊接基材中铝材机械性能指标，尤其是铝材侧应高压产生的效应，致密度高于母材，机械强度也高于母材。

作为优选，所述的超高压压力≥2000Kg。

作为优选，所述的在铜铝连接件结合面是以金属键为主的非晶态固熔体为主要成分，其中铜含量低于13%。

作为优选，所述的低温摩 擦中的温度是铜铝连接件两种基材中保持原子跃迁温度的较低一种。在两者配合时，保证了两种基材全部达到原子或分子跃迁目的。

作为优选，所述的铜铝连接件基材间分子或原子的相互扩散形成的固相态固溶物组织结构，对基材的原物理形态因高压导致更加致密；不形成粗大的晶体组织及共晶体或化合物。

一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，具有以下内容：

（1）在铜铝待接表面首先加温到原子活跃温度，使铝件待接表面产生糯化即软化。

（2）对两种连接件结合面施加高压，使铜铝连接件之间产生相对运动。

（3）利用运动产生的摩 擦力和铝材糯化产生的粘合力粉碎结合面上的氧化层，并通过相对移动产生的挤压力和推力清除待接面表面的氧化物。

（4）运动产生的摩 擦力在清除氧化物后，在保持原子活跃的温度下与高压的作用下粉碎铜铝结合面表面不平整的组织结构，使铜材和铝材待接表面分子或原子距离达到扩散要求。

（5）在保持原子活跃温度下和高压的作用下，使两基材结合面中产生原子扩散，高压施作时间≤800毫秒，并通过持续加温来促进原子扩散速度，在设定温度及压力条件下，所述的原子扩散速度满足工业化产品要求。

（6）在扩散完成后迅速撤去高压并同时停止对结合面的加温。

（7）通过空气静置常温冷却。本方法不对结合面进行高速冷却。

作为优选，所述的持续加温来促进原子扩散速度，其温度是原子活跃温度，即金属原子或分子或离子的跃迁温度。

作为优选，所述的在设定温度及压力条件下，所述的压力≥110MPa/cm2。

作为优选，所述的撤去高压并同时停止对结合面的加温条件是，保持对连接面具有压力时间≥50毫秒，使两种基材结合面固溶物结构稳定。

作为优选，所述的通过持续加温来促进原子扩散速度，其加热部分厚度是针对铜铝结合面表面到表面以下0.1mm之间。本方案不仅适合一般性铜铝产品两者之间的结合，更适合铜铝薄壁管之间的连接。

本发明的有益效果是：在形成铜铝结合面过程中，不会改变基材的物理性质，无过多的晶粒粗大现象产生，同时在结合面中避免了晶态化合物、铜铝混和物以及氧化物的存在，使原基材的机械特性基本保留且有高于自身母材材质物理性能的特点，致密度高于母材，机械强度也比母材更高。

附图说明

图1是本发明的一种渗溶接前结构示意图。

图2是本发明的一种渗溶接中结构示意图。

图3是本发明的一种渗溶接后结构示意图。

图中：1. 铜基材，11. 铜渗溶接面，2. 铝基材，21. 铝渗溶接面，3. 溢出质。

—高压+通电，P—高压。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本实施例一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，在铅铝连接件结合面，其主要微观组织结构是一种物理制备过程连接生成的固溶物组织，采用低温摩 擦和超高压提供能量，使固相态铝材与固相态铜材原子或分子偏离平衡位置作长距离迁移，从而形成物理联接性质的固相态连接面。其结果是结合面中固溶物总量＞95%或牢固结合面中化合物+氧化物+混合物总量≤5%。

对铜铝连接件结合面在渗溶接过程中所施加的超高压压力≥2000Kg。铜铝连接件结合面是以金属键为主的非晶态固熔体为主要成分，其中铜含量＜13%。

由于铜铝两种金属原子跃迁温度有所不同，本实施例低温摩 擦中的温度要求是铜铝连接件中，选择两种基材保持原子跃迁温度较低的一种作为基准。本工艺中有持续加温要求，所述的温度铜侧为450～550℃，铝侧为350～400℃，可根据待接基材的厚度进行温度选定。但最高使用温度不能超过铝质基材熔化温度，最低温度应该达到材料表面原子跃迁温度。同时，需要考虑材质因素，因大规模生产过程中使用基材材质的多变性原因其温度选择也存在差异，如工业用纯铝和铝合金之间的跃迁温度差异较大，同样，铜材的Cu或其它元素的含量不同跃迁温度差异也较大。

本实施例铜铝连接件基材间分子或原子的相互扩散形成的固相态固溶物组织结构，除了对基材的原物理形态因高压导致更加致密之外，不形成粗大的晶体组织及共晶体或化合物。

下面对铜铝连接件面-面渗溶接工艺进行具体陈述，其过程具有以下内容：

一、首先选择一种基材为固定件，另一种基材为移动件，如图1所示，本实施例选择铝基材2为固定件，其包括铝渗溶接面21，选择铜基材1为移动件，包括与铝配合的铜渗溶接面11。在铜基材1待接表面的垂直方向进行高压+通电作业到原子活跃温度，同时在铝待接表面也加温到原子活跃温度，并使铝件待接表面产生糯化，即软化。

二、对铜铝两种连接件结合面施加高压，图中Q所示方向，再沿铜铝两种连接件结合面同一方向的铜基材1上施加高压P，使铜铝连接件之间产生相对运动，如图2所示。

三、利用运动产生的摩 擦力和铝管糯化产生的粘合力粉碎结合面上的氧化层，并通过相对移动产生的挤压力和推力清除待接面表面的氧化物，即溢出质3。

四、运动产生的摩 擦力在清除氧化物后，在保持原子活跃的温度下与高压的作用下粉碎铜铝结合面表面不平整的组织结构，使铜材和铝材待接表面分子或原子距离达到扩散要求。

五、在保持原子活跃温度下和高压的作用下，使两基材结合面中产生原子扩散，高压施作时间≤800毫秒，并通过持续加温来促进原子扩散速度，持续加温其温度也是原子活跃温度，即金属原子或分子或离子的跃迁温度，本过程中其加热部分厚度控制在铜铝结合面表面到表面以下0.1mm之间；然后在设定温度（铜侧为450～550℃，铝侧为350～400℃）及压力（压力≥110MPa/cm2）条件下，使原子扩散速度满足工业化产品的要求。

六、在扩散完成后迅速撤去高压并同时停止对结合面的加温，注意要保持对连接面具有压力时间≥50毫秒，以保证铜铝两种基材结合面固溶物结构的稳定。

七、通过空气静置常温冷却。本实施例焊接过程中对铜铝结合面和基材不进行强制冷却，焊接结束后同样不对铜铝结合面和工装进行强制冷却。

本实施例所获得的产品，铜铝结合面基本无共晶组织存在，也无铜铝混和物存在，且基本无铜铝化合物存在，进一步，铜铝结合面的抗拉、抗撕裂强度均高于基材中的铝材，渗溶接合面周围可分离结合面部分相交位置无片层状的溢出质存在。

经实验和检测，铜铝牢固结合面部位扫描电镜图：中间形成固相态连接面。表一、表二分别是两个点位（和）固相态连接面铝侧的铜铝重量百分比和原子数百分比数值。

表一：1µm取样固相态连接面铝侧的铜铝重量百分比和原子数百分比数

表二：2µm取样固相态连接面铝侧的铜铝重量百分比和原子数百分比数

本工艺的铜铝连接面包含铜铝管路制件、直条制件、窄带制件等此工艺所涉及的产品范围；加温方法可以有超声波、高频、电阻加热等多种方式。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明的简单变换后的结构、方法等均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征是铜铝连接件结合面主要微观组织结构为物理制备过程连接生成的固溶物组织，在基材预热后由低温摩 擦和超高压提供能量，使固相态铝材与固相态铜材原子或分子偏离平衡位置作长距离迁移，从而形成物理联接性质的固相态连接面；所述的结合面中固溶物总量＞95%或牢固结合面中化合物+氧化物+混合物总量≤5%，具体工艺步骤如下：

（1）在铜铝待接表面首先加温到原子活跃温度，使铝件待接表面产生糯化即软化；

（2）对两种连接件结合面施加高压，使铜铝连接件之间产生相对运动；

（3）利用运动产生的摩 擦力和铝材糯化产生的粘合力粉碎结合面上的氧化层，并通过相对移动产生的挤压力和推力清除待接面表面的氧化物；

（4）运动产生的摩 擦力在清除氧化物后，在保持原子活跃的温度下与高压的作用下粉碎铜铝结合面表面不平整的组织结构，使铜材和铝材待接表面分子或原子距离达到扩散要求；

（5）在保持原子活跃温度下和高压的作用下，使两基材结合面中产生原子扩散，高压施作时间≤800毫秒，并通过持续加温来促进原子扩散速度，在设定温度及压力条件下，所述的原子扩散速度满足工业化产品要求；

（6）在扩散完成后迅速撤去高压并同时停止对结合面的加温；

（7）通过空气静置常温冷却。

2.根据权利要求1所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征在于所述的超高压压力≥2000Kg。

3.根据权利要求1所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征是在铜铝连接件结合面是以金属键为主的非晶态固熔体为主要成分，其中铜含量低于13%。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征在于所述的低温摩 擦中的温度是铜铝连接件两种基材中保持原子跃迁温度的较低一种。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征在于铜铝连接件基材间分子或原子的相互扩散形成的固相态固溶物组织结构，对基材的原物理形态因高压导致更加致密；不形成粗大的晶体组织及共晶体或化合物。

6.根据权利要求1所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征是所述的持续加温来促进原子扩散速度，其温度是原子活跃温度，即金属原子或分子或离子的跃迁温度。

7.根据权利要求1或6所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征是在设定温度及压力条件下，所述的压力≥110MPa/cm²。

8.根据权利要求1或6所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征是所述的撤去高压并同时停止对结合面的加温条件是，保持对连接面具有压力时间≥50毫秒，使两种基材结合面固溶物结构稳定。

9.根据权利要求1或6所述的一种铜铝连接件面-面渗溶接工艺，其特征在于通过持续加温来促进原子扩散速度，其加热部分厚度是针对铜铝结合面表面到表面以下0.1mm之间。