CN109396638A - 一种铝合金扩散焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铝合金的扩散焊接方法，涉及扩散焊接技术领域，所述铝合金的扩散焊接方法包括：在所述待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；在所述待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；将锡‑铅合金放置于两块所述待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；将所述待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接，得到焊接连接件。本发明提供的铝合金扩散焊接方法，通过磁控溅射的方法在铝合金母材的表层引入铜层，通过铜与中间层锡‑铅合金箔片在低温下进行扩散焊接，实现了铝合金低温低形变的连接。
Description
技术领域
本发明涉及扩散焊接技术领域，具体涉及一种铝合金扩散焊接方法。
背景技术
铝元素在地球中的储量丰富，且由于其密度低、导热性能好，在添加合金元素后还具有一定的耐蚀性能和高比强度，铝合金材料在航空航天、电子领域、化工石油等工业领域具有极其广泛的应用。应用如此广泛的材料在工业中不可避免的涉及到材料连接，随着工业的发展，对材料连接的精密度要求越来越高。目前关于铝合金的低形变连接主要通过钎焊的方式进行，但钎料在凝固过程中产生的孔洞严重影响接头的致密性。
扩散焊接是一种致密的连接手段，它通过对待焊件施加一定的压力，在高温下保温一段时间，使原子在界面处发生相互扩散，从而实现待焊件的连接。但由于铝合金的扩散连接往往需要在400℃-600℃之间进行，而铝合金熔点低，在此温度下弹性模量降低严重，同时铝合金材料发生软化，因此铝合金材料往往会产生比较大的形变量，这使得铝合金的扩散焊接在航空航天、电子工业等对精密度要求严格的部门和领域的应用受到了限制。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种铝合金的扩散焊接方法，包括：
在所述待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；
在所述待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；
将锡-铅合金放置于两块所述待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；
将所述待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接，得到焊接连接件。
可选地，所述进行扩散焊接的温度范围为150℃-165℃。
可选地，在所述待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬之前还包括：除去铝合金母材表面的氧化膜，并在所述铝合金母材的待焊面涂抹有机物，得到所述待焊铝合金母材A。
可选地，所述除去铝合金母材表面的氧化膜包括：
依次用丙酮、氢氧化钠溶液、无水乙醇、硝酸溶液清洗所述铝合金母材，去除反应生成物并出光；
再次以无水乙醇清洗所述铝合金母材。
可选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为5wt.％-10wt.％，所述硝酸溶液的浓度为12vol.％-20vol.％。
可选地，所述在所述待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬的工艺条件为：溅射电流0.5A-0.8A，溅射电压400V-600V，极间距90mm-105mm，工作气压0.55Pa-0.65Pa，基体偏压-350V～-500V，脉冲偏压频率27kHz-32kHz，占空比为25％-35％，溅射时间为40分钟-60分钟。
可选地，所述在所述待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜的工艺条件为：溅射电流0.6A-0.8A，溅射电压400V，靶和基片间距90mm-105mm，工作气压0.7Pa-0.9Pa，基体偏压-150V～-300V，脉冲偏压频率为30kHz-50kHz，占空比为25％-35％，溅射时间80分钟-140分钟。
可选地，所述锡-铅合金为Sn63-Pd37合金。
可选地，所述将所述待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接包括：
设置所述真空炉内焊接压力为3MPa；
以阶梯升温的方式升温至焊接温度，保温；
以阶梯降温的方式降温至室温。
可选地，所述以阶梯升温的方式升温至焊接温度，保温包括：
以5℃/min的速度升温至150℃-165℃，保温2小时；
所述以阶梯降温的方式降温至室温包括：
以5℃/min的速度降温至室温。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供的铝合金扩散焊接方法，利用铜与锡-铅合金箔片之间具有良好的相容性，在较低的温度下即可实现扩散焊接的性质，通过磁控溅射的方法在铝合金母材的表层引入铜层，通过铜与中间层锡-铅合金箔片在低温下进行扩散焊接，一方面提高了接头的致密性，另一方面避免了在高温下对两块铝合金母材直接进行扩散焊接导致铝合金母材产生较大形变，影响铝合金焊接件的性能，实现了铝合金低温低形变的扩散焊接。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的铝合金的扩散焊接方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
为解决铝合金材料在扩散焊接过程中易发生形变的问题，本发明提供一种铝合金的扩散焊接方法，参见图1所示，该方法包括：
在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；
在待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；
将锡-铅合金箔片放置于两块待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；
将待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接，得到焊接连接件。
由于铝合金材料在空气中极易生成氧化膜，氧化膜的存在不利于铝合金母材原子的相互扩散，为便于扩散焊接的进行，本发明提供的铝合金扩散焊接方法，在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬之前，还包括：除去铝合金母材表面的氧化膜，并在该铝合金母材的待焊面涂抹有机物，得到待焊铝合金母材A。
首先将铝合金母材表面的氧化膜去除，然后在铝合金母材的待焊面上涂抹有机物，得到待焊铝合金母材A，避免铝合金母材的待焊面与空气接触，从而避免铝合金母材的待焊面上生成氧化膜。
在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬，利用铬与铝之间良好的结合力，在待焊铝合金母材A的表层形成一层显微硬度高，耐磨性和耐蚀性好的合金化层，用于阻隔待焊铝合金母材A的表面再次形成氧化膜，得到待焊铝合金母材B。
在待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，从而在铝合金母材的表面形成铜-铬合金增强层，得到待焊铝合金母材C。
将锡-铅合金箔片放置于两块待焊铝合金母材C之间，即锡-铅合金箔片的两面分别与两块待焊铝合金母材C表面磁控溅射得到的铜层相接触，得到待焊组件；将待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接，也就是锡-铅合金箔片的两面分别与两块待焊铝合金母材C表面磁控溅射得到的铜层进行扩散焊接，得到焊接连接件。
由于铜与锡-铅合金箔片之间具有良好的相容性，在较低的温度下即可实现扩散焊接，因此，本发明提供的铝合金的扩散焊接方法，通过磁控溅射的方法在铝合金母材的表层引入铜层，再在两个引入铜层的铝合金母材之间放置锡-铅合金箔片，通过铜与锡-铅合金箔片在低温下进行扩散焊接，在铜与锡-铅合金箔片的界面处形成了致密的扩散层，相较于钎焊多孔洞的不足，本实施例提供的铝合金的扩散焊接方法提高了接头的致密性，同时避免了在高温下对两块铝合金母材直接进行扩散焊接导致铝合金母材产生较大形变，影响铝合金焊接件的性能。本发明中锡-铅合金箔片为Sn63-Pd37，锡-铅合金箔片的厚度为80μm。
为避免直接在铝合金母材的表层磁控溅射铜时A铝与铜之间发生复杂的反应，形成铝-铜脆硬的金属间化合物,通过在铝合金母材的表面先磁控溅射一层过渡层铬，继而在铬上再溅射一层铜，之后采用锡-铅合金箔片作为中间层，在低温下通过界面处铜与锡铅合金的良好相容性，实现扩散焊接。
本发明提供的铝合金扩散焊接方法，利用铜与锡-铅合金箔片之间具有良好的相容性，在较低的温度下即可实现扩散焊接的性质，通过磁控溅射的方法在铝合金母材的表层引入铜层，通过铜与中间层锡-铅合金箔片在低温下进行扩散焊接，一方面提高了接头的致密性，另一方面避免了在高温下对两块铝合金母材直接进行扩散焊接导致铝合金母材产生较大形变，影响铝合金焊接件的性能，实现了铝合金低温低形变的扩散焊接。
本发明提供的铝合金的扩散焊接方法中除去铝合金母材表面的氧化膜包括：
依次用丙酮、氢氧化钠溶液、无水乙醇、硝酸溶液清洗铝合金母材，去除反应生成物并出光；
再次以无水乙醇清洗铝合金母材。
即本发明采用氢氧化钠溶液与硝酸溶液组合的方法去除铝合金母材表面的氧化膜，并在处理后的铝合金母材表面涂刷有机物，防止铝合金母材表面形成氧化膜。具体过程为，首先用丙酮清洗铝合金母材表面，去除油污，继而采用配置好的一定浓度的氢氧化钠溶液擦拭铝合金母材表面，并在此之后以无水乙醇对铝合金母材表面进行清洗，去除多余碱液，再以一定浓度的硝酸溶液继续擦拭铝合金母材表面，中和碱液，去除反应生成物并进行出光处理，再次以无水乙醇清洗铝合金母材，去除铝合金母材表面多余的酸液，吹干后在铝合金母材的待焊面均匀涂抹有机物，阻隔铝合金母材的待焊面与空气接触，从而防止氧化膜的生成；同时由于有机物易挥发，在对铝合金母材进行磁控溅射过程中，铝合金母材表面的有机物很快会完全挥发，从而不会影响铝合金母材的性能。本发明中的有机物包括松油醇。
本发明在去除铝合金母材表面氧化膜的过程中，氢氧化钠溶液的浓度为5wt.％-10wt.％，利用氢氧化钠溶液对铝合金母材表面进行处理的时间为10分钟；硝酸溶液的浓度为12vol.％-20vol.％，利用硝酸溶液对铝合金母材表面进行处理的时间为3分钟。
本发明在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬的工艺条件为：溅射电流0.5A-0.8A，溅射电压400V-600V，极间距90mm-105mm，工作气压0.55Pa-0.65Pa，基体偏压-350V～-500V，脉冲偏压频率27kHz-32kHz，占空比为25％-35％，溅射时间为40分钟-60分钟；在待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜的工艺条件为：溅射电流0.6A-0.8A，溅射电压400V，靶和基片间距90mm-105mm，工作气压0.7Pa-0.9Pa，基体偏压-150V～-300V，脉冲偏压频率为30kHz-50kHz，占空比为25％-35％，溅射时间80分钟-140分钟。
本发明提供的铝合金的扩散焊接方法，将待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接包括：
设置真空炉内焊接压力为3MPa；
以阶梯升温的方式升温至焊接温度，保温；
以阶梯降温的方式降温至室温。
其中以阶梯升温的方式升温至焊接温度，保温包括：
以5℃/min的速度升温至150℃-165℃，保温2小时。
以阶梯降温的方式降温至室温包括：
以5℃/min的速度降温至室温。
由于铜与锡-铅合金的熔点较低，通过媒介铜与锡-铅合金之间的扩散焊接来实现两块铝合金母材之间的连接，将扩散焊接温度大幅降低，使得本发明实现了在200℃以下进行铝合金的扩散焊接，此温度下铝合金的弹性模量降低较小，焊后形变较低，从而实现了铝合金低温低形变的扩散焊接。
实施例一
本实施例提供的铝合金扩散焊接方法具体包括以下步骤：
S1：用丙酮清洗铝合金母材表面，去除油污；
S2：采用浓度为5wt.％的氢氧化钠溶液擦拭去除油污的铝合金母材表面，擦拭时间为10分钟；
S3：在氢氧化钠溶液擦拭铝合金母材表面接收后，以无水乙醇清洗铝合金母材表面，去除多余碱液；
S4：以浓度为12vol.％的硝酸溶液擦拭去除多余碱液后的铝合金母材表面，擦拭时间为3分钟，中和残余碱液，去除反应生成物并进行出光处理；
S5：再次以无水乙醇清洗出光处理后的铝合金母材表面，去除多余酸液；
S6：将去除多余酸液的铝合金母材表面吹干，在铝合金母材的待焊面涂抹松油醇，得到待焊铝合金母材A；
S7：在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；其中磁控溅射的工艺条件为：溅射电流0.5A，溅射电压400V，极间距90mm，工作气压0.55Pa，基体偏压-350V，脉冲偏压频率27kHz，占空比为25％；磁控溅射时间为60分钟；
S8：在待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；其中磁控溅射的工艺条件为：溅射电流0.6A，溅射电压400V，靶和基片间距90mm，工作气压0.7Pa，基体偏压-150V，脉冲偏压频率为30kHz，占空比为25％；磁控溅射时间为80分钟；
S9：将厚度为80μm的Sn63-Pd37合金箔片放置于两块待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；
S10：将待焊组件放置于真空炉中，设置真空炉内焊接压力为3MPa，以5℃/min的速度升温至165℃，保温2小时；
S11：保温结束后，以5℃/min的速度降温至室温，得到焊接连接件。
本实施例提供的铝合金的扩散焊接方法，在铝合金母材的表面先后进行了铬与铜的磁控溅射，其中铬层厚度与铜层厚度分别为2.03μm和4.35μm；用本实施例提供的铝合金扩散焊接方法得到的焊接连接件，接头组织致密，焊接界面完整无明显缺陷，焊后铝合金母材的Z向形变量为0.36％，剪切强度达到37MPa，实现了铝合金的低温低形变致密连接。
实施例二
本实施例提供的铝合金扩散焊接方法具体包括以下步骤：
S1：用丙酮清洗铝合金母材表面，去除油污；
S2：采用浓度为6wt.％的氢氧化钠溶液擦拭去除油污的铝合金母材表面，擦拭时间为10分钟；
S3：在氢氧化钠溶液擦拭铝合金母材表面接收后，以无水乙醇清洗铝合金母材表面，去除多余碱液；
S4：以浓度为15vol.％的硝酸溶液擦拭去除多余碱液后的铝合金母材表面，擦拭时间为3分钟，中和残余碱液，去除反应生成物并进行出光处理；
S5：再次以无水乙醇清洗出光处理后的铝合金母材表面，去除多余酸液；
S6：将去除多余酸液的铝合金母材表面吹干，在铝合金母材的待焊面涂抹松油醇，得到待焊铝合金母材A；
S7：在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；其中磁控溅射的工艺条件为：溅射电流0.6A，溅射电压500V，极间距100mm，工作气压0.6Pa，基体偏压-400V，脉冲偏压频率30kHz，占空比为30％；磁控溅射时间为40分钟；
S8：在待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；其中磁控溅射的工艺条件为：溅射电流0.7A，溅射电压400V，靶和基片间距100mm，工作气压0.8Pa，基体偏压-200V，脉冲偏压频率为40kHz，占空比为30％；磁控溅射时间为100分钟；
S9：将厚度为80μm的Sn63-Pd37合金箔片放置于两块待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；
S10：将待焊组件放置于真空炉中，设置真空炉内焊接压力为3MPa，以5℃/min的速度升温至165℃，保温2小时；
S11：保温结束后，以5℃/min的速度降温至室温，得到焊接连接件。
本实施例提供的铝合金的扩散焊接方法，在铝合金母材的表面先后进行了铬与铜的磁控溅射，其中铬层厚度与铜层厚度分别为1.53μm和4.28μm；用本实施例提供的铝合金扩散焊接方法得到的焊接连接件，接头组织致密，焊接界面完整无明显缺陷，焊后铝合金母材的Z向形变量为0.34％，剪切强度达到32MPa，实现了铝合金的低温低形变致密连接。
实施例三
本实施例提供的铝合金扩散焊接方法具体包括以下步骤：
S1：用丙酮清洗铝合金母材表面，去除油污；
S2：采用浓度为10wt.％的氢氧化钠溶液擦拭去除油污的铝合金母材表面，擦拭时间为10分钟；
S3：在氢氧化钠溶液擦拭铝合金母材表面接收后，以无水乙醇清洗铝合金母材表面，去除多余碱液；
S4：以浓度为20vol.％的硝酸溶液擦拭去除多余碱液后的铝合金母材表面，擦拭时间为3分钟，中和残余碱液，去除反应生成物并进行出光处理；
S5：再次以无水乙醇清洗出光处理后的铝合金母材表面，去除多余酸液；
S6：将去除多余酸液的铝合金母材表面吹干，在铝合金母材的待焊面涂抹松油醇，得到待焊铝合金母材A；
S7：在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；其中磁控溅射的工艺条件为：溅射电流0.8A，溅射电压600V，极间距105mm，工作气压0.65Pa，基体偏压-500V，脉冲偏压频率32kHz，占空比为35％；磁控溅射时间为60分钟；
S8：在待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；其中磁控溅射的工艺条件为：溅射电流0.8A，溅射电压400V，靶和基片间距105mm，工作气压0.9Pa，基体偏压-300V，脉冲偏压频率为50kHz，占空比为35％；磁控溅射时间为140分钟；
S9：将厚度为80μm的Sn63-Pd37合金箔片放置于两块待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；
S10：将待焊组件放置于真空炉中，设置真空炉内焊接压力为3MPa，以5℃/min的速度升温至150℃，保温2小时；
S11：保温结束后，以5℃/min的速度降温至室温，得到焊接连接件。
本实施例提供的铝合金的扩散焊接方法，在铝合金母材的表面先后进行了铬与铜的磁控溅射，其中铬层厚度与铜层厚度分别为2.11μm和4.45μm；用本实施例提供的铝合金扩散焊接方法得到的焊接连接件，接头组织致密，焊接界面完整无明显缺陷，焊后铝合金母材的Z向形变量为0.32％，剪切强度达到24MPa，实现了铝合金的低温低形变致密连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，包括：
在待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬,得到待焊铝合金母材B；
在所述待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜，得到待焊铝合金母材C；
将锡-铅合金放置于两块所述待焊铝合金母材C之间，得到待焊组件；
将所述待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接，得到焊接连接件。
2.如权利要求1所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述进行扩散焊接的温度范围为150℃-165℃。
3.如权利要求1所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，在所述待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬之前还包括：除去铝合金母材表面的氧化膜，并在所述铝合金母材的待焊面涂抹有机物，得到所述待焊铝合金母材A。
4.如权利要求3所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述除去铝合金母材表面的氧化膜包括：
依次用丙酮、氢氧化钠溶液、无水乙醇、硝酸溶液清洗所述铝合金母材，去除反应生成物并出光；
再次以无水乙醇清洗所述铝合金母材。
5.如权利要求4所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为5wt.％-10wt.％，所述硝酸溶液的浓度为12vol.％-20vol.％。
6.如权利要求1所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述在所述待焊铝合金母材A的表面磁控溅射铬的工艺条件为：溅射电流0.5A-0.8A，溅射电压400V-600V，极间距90mm-105mm，工作气压0.55Pa-0.65Pa，基体偏压-350V～-500V，脉冲偏压频率27kHz-32kHz，占空比为25％-35％，溅射时间为40分钟-60分钟。
7.如权利要求1所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述在所述待焊铝合金母材B的表面磁控溅射铜的工艺条件为：溅射电流0.6A-0.8A，溅射电压400V，靶和基片间距90mm-105mm，工作气压0.7Pa-0.9Pa，基体偏压-150V～-300V，脉冲偏压频率为30kHz-50kHz，占空比为25％-35％，溅射时间80分钟-140分钟。
8.如权利要求1所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述锡-铅合金为Sn63-Pd37合金。
9.如权利要求1所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述将所述待焊组件放置于真空炉中，进行扩散焊接包括：
设置所述真空炉内焊接压力为3MPa；
以阶梯升温的方式升温至焊接温度，保温；
以阶梯降温的方式降温至室温。
10.如权利要求8所述的铝合金的扩散焊接方法，其特征在于，所述以阶梯升温的方式升温至焊接温度，保温包括：
以5℃/min的速度升温至150℃-165℃，保温2小时；
所述以阶梯降温的方式降温至室温包括：
以5℃/min的速度降温至室温。
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