CN110216939A - 一种铜铝复合基材及其压力扩散焊接加工方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。该铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。本发明还公开了铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法及应用。本发明解决铜铝连接的电化学腐蚀问题，获得一种可以替代铜材料制作铜铝连接电气端子的材料，使铜铝连接具有使用寿命更长、加工成本更低、能耗更小的优点。

Description

一种铜铝复合基材及其压力扩散焊接加工方法和应用
技术领域
本发明涉及导电金属材料技术领域，尤其涉及一种导电铜铝复合基材，以及这种材料的压力扩散焊接加工方法和其在制作接线端子及电气接头中的应用。
背景技术
铜材质或铜合金材质具有良好的导电性、导热性、塑性而被广泛应用在电气连接领域。然而，铜资源短缺，铜在地壳中的含量只有约为0.01％，随着使用年限的增加，铜成本会逐年递增。为此，人们开始寻找金属铜的替代品来降低成本。
金属铝在地壳中的含量约为7.73％，提炼技术优化后，价格相对较低，且同样具有优良的导电性、导热和塑性加工性，因此，在汽车电气连接领域中以铝代铜是目前发展的主要趋势。
相对于铜，铝的硬度、塑性和耐腐蚀性稍差，但重量较轻，导电率仅次于铜，铝在电气连接领域可以部分替代铜。但是，由于铜铝之间的电极电位差较大，直接连接后，铜铝之间会产生电化学腐蚀，铝易受腐蚀而导致连接区域电阻增大，易在电气连接中产生严重的后果，例如功能失效、火灾等。
现行的铜铝连接方式一般为熔化焊、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、电子束焊、爆炸焊等，这些焊接方式焊出来的接头脆性大，焊缝中易产生气孔和裂纹，尤其高温处理下的焊缝，晶粒变得粗大，严重影响基材结合面的机械性能和电气性能，无法满足电气连接领域的要求。
发明专利CN106583914A公开了一种面-面渗熔接工艺，是将铜铝材料加温到300℃-550℃，在铜铝之间形成以金属键为主的非晶态固溶体为主要成分的结合面。
但是，上述方法也存在以下弊端：由于金属之间通过金属键连接，就会形成金属化合物，但金属化合物的机械性能和导电性能都较差，上述对比文件中也说明在结合面排除化合物，并且其得到的是一种非晶态固溶体，非晶态金属结构是一种亚稳态结构，在一定的条件下(比如高温、强冲击作用)会向更稳定的状态-晶态转变而变成普通晶态金属，这种非晶态的合金加工困难，目前还难以应用于工业生产中，特别是汽车领域的电气接线端子中。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种铜铝复合基材，解决铜铝连接的电化学腐蚀问题，获得一种可以替代铜材料制作铜铝连接电气端子的材料，使铜铝连接接头具有使用寿命更长、加工成本更低、能耗更小的优点。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层，该铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。
作为进一步的方案，本发明所述铜铝晶态混合物含有至少20wt％铜铝晶态固溶物。
作为进一步的方案，本发明所述的铜铝混合物层的厚度为0.01μm～2000μm。
作为进一步的方案，本发明所述的铜铝混合物层的厚度为0.1μm～1100μm。
作为进一步的方案，本发明采用压力扩散焊接方式形成所述以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。
一种铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，包括
固定步骤：将所述铜基体原材料和所述铝层原材料放置在冲压机中；
冲压步骤：利用冲压机冲压所述铝层与所述铜基体，使所述铝层与所述铜基体之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。
作为进一步的方案，本发明所述的压力扩散焊接加工方法还包括在固定步骤前的预处理步骤：将所述铜基体原材料和/或所述铝层进行清洁。
作为进一步的方案，本发明所述的压力扩散焊接加工方法还包括在固定步骤前的预热步骤。
作为进一步的方案，本发明所述的预热采用超声波或高频电磁波或电阻或红外加热或等离子弧方式进行。
作为进一步的方案，本发明所述的铜基体原材料和/或所述铝层原材料的预热温度为250℃～548℃。
作为进一步的方案，本发明所述的冲压步骤中，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力为10Mpa～110Mpa。
作为进一步的方案，本发明所述的冲压步骤中，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间为0.01s～80s。
作为进一步的方案，本发明所述的压力扩散焊接加工方法的整个加工过程中，所述铜基体原材料和所述铝层原材料位于防氧化保护气体内。
本发明还提供了一种铜铝复合基材在制作电气接线端子中的应用。
本发明还提供了一种电气接线端子，该电气接线端子采用本发明所述的铜铝复合基材制作而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的铜铝复合基材在铜基体和铝层的连接面，铜原子和铝原子在压力作用下，相互渗透或互相结合形成铜铝混合物层，即避免铜铝之间发生电化学腐蚀，也提高了铜铝连接的电学性能和力学性能，使铜铝复合基材的机械性能和电学性能显著提高。
2.本发明所述的铜铝复合基材代替目前常见的铜质材料制作成接线端子，在电气连接领域，能够有效的减少铜端子与铝导线之间使用直接机械压接或焊接方式而导致的电化学腐蚀，显著提高接头的使用寿命，相比使用直接机械压接或焊接连接方式的接头，使用寿命至少延长20％。
3.本发明所述的铜铝复合基材制作的铜铝连接接头，可以直接与铜材或铝材进行压接或焊接，不需要再进行复杂的连接加工和严苛的密封方式，降低了加工的工艺要求，提高生产效率。另外由于不需要进行类似熔化焊、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、电子束焊、爆炸焊等之类的方式加工，可以有效的降低铜铝连接接头的设计结构，减少接头加工成本，从而降低整体电气连接的成本。
4.本发明所述的压力扩散焊接加工方法对铜基体和铝层冲压，铜原子和铝原子在压力的作用下，相互渗透并形成牢固的金属键，既避免铜铝之间发生电化学腐蚀，也提高了铜铝连接接头的电学性能和力学性能，使铜铝复合基材的机械性能和电学性能显著提高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为使用压力扩散焊接方式加工的铜铝复合基材的方法示意图；
图2为加工完成后的铜铝复合基材截面图；
其中，各附图标记为：1、铜基体，2、铝层，3、铜铝混合物层，4、铝层原材料，5、铜基体原材料，6、冲压头，7、剪切座，8、冲压底砧座，9、铝层废弃材料，10、铜铝复合基材
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
如图1和图2所示，一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体1和铝层2；所述铝层2设置在所述铜基体1的至少其中一个表面上，所述铜基体1与铝层2之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层3。
本发明所述的铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合形成的铜铝混合物层中至少包含了铜单质、铝单质、铜铝固溶体、铜铝化合物中的一种中。所述铜铝化合物含有铜元素和铝元素的化合物，具体的铜铝化合物可列举但不限于包括Cu2Al，Cu3Al2，CuAl，CuAl2等。本发明中，采用压力扩散焊接方式，使所述铜基体和所述铝层在压力和温度的作用下，铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合，先形成铜铝混合物层，随着压力和温度增加，铜铝之间原子产生晶化，形成铜铝晶态混合物，该铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。在所述铜铝晶态混合物含有至少20wt％铜铝晶态固溶物。有效的减少产生铜铝化合物，铜铝化合物的导电性非常差，且铜铝化合物脆性较大，含量多的时候会降低铜铝复合基材的机械性能和电气性能。
本发明所述的铜铝复合基材，是将铜基体和铝层进行了无缝连接并形成铜铝混合物层，部分铝原子在温度和压力的作用下，溶解在铜原子中，并形成铜铝晶态混合物，具有很高的有序结构，因此在导电性方面不弱于单质金属。另外晶体结构能够保证铜铝原子之间的结合力，即保证了铜铝之间能够达到理想的机械结合，保证铜铝复合基材的力学性能，又能使铜铝之间减少电化学腐蚀，延长铜铝复合基材制成的电气连接的使用寿命约20％。
铜是优良的电导体材料，在自然界常用导电金属中，导电性仅次于银。本发明所采用的铜基体可以选择纯铜或者铜合金，但是，由于纯铜的材质较软，机械性能较差，在添加部分其他金属后有利于增强性能。优选的，本发明的铜基体采用铜合金，而且在选择铜合金时，需考虑铜元素的含量，如果铜元素的含量太小，则铜铝复合基材的电阻会大于导体要求的额定值，在电气连接的正常工作电流下会持续发热。
在本发明的优选方案中，本发明所述的铜铝混合物层的厚度为0.01μm-2000μm。铜铝混合物层的厚度之所以选择在上述范围内，是因为在发明人的研究过程中发现：当铜铝混合物层的厚度小于0.01μm时，则铜铝之间结合程度较小，无法保证铜铝之间的无缝连接，也无法减缓铜铝之间的电化学腐蚀，导致铜铝复合基材的电学性能和力学性能无法满足要求，制成的端子也无法达到设计的使用寿命。但如果铜铝混合物层的厚度大于2000μm时，铜铝结合面的所施加的压力和时间，已经超过形成铜铝混合物层的压力和时间，铜铝结合面会继续反应从而形成金属化合物，金属化合物的机械强度和电学性能远不及铜铝混合物，因此会降低铜铝复合基材的性能，而且加工铜铝混合物层的厚度大于2000μm的铜铝复合基材所使用的压力已超出设备的工作负载，会降低设备使用寿命，加工时间也会急剧增加，已经不满足对生产成本控制的要求。优选的，铜铝混合物层的厚度为0.1μm-1100μm。
作为进一步的方案，本发明采用压力扩散焊接方式形成所述的铜铝混合物层。
本发明还提供了一种铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，包括
固定步骤：将所述铜基体原材料和所述铝层原材料放置在冲压机中；
冲压步骤：利用冲压机冲压所述铝层与所述铜基体，使所述铝层与所述铜基体之间形成铜铝混合物层。
作为进一步的方案，本发明所述的压力扩散焊接加工方法还包括在固定步骤前的预处理步骤：将所述铜基体原材料和/或所述铝层进行清洁，所述铜基体原材料和所述铝层原材料表面会有碎屑、油污、氧化层等杂质存在，如果不进行清洁，这些杂质会混杂在所述铜铝混合物层中，从而降低所述铜铝混合物层的机械性能和电气性能，导致铜铝复合基材的性能达不到使用要求。
作为进一步的方案，本发明所述的压力扩散焊接加工方法还包括在固定步骤前的预热步骤。具体的，本发明所述的预热方式可以选择采用超声波或高频电磁波或电阻或红外加热或等离子弧等方式进行。其中，超声波加热是物体相互挤压摩擦机械处理过程，把高频电能通过换能器装置转换成机械能作用于工件，使相互接触的工件表面产生高频摩擦使之生热；超声波加热方式，需要与被加热零件接触，对零件和加热头都有磨损的情况，能量转换率较高，能达到70％左右，其优点是加热速度快，但是由于热源由加热头向四周扩散，加热均匀度不高。高频电磁波加热的原理是通过利用高频电场的能量对电介质类材料进行的电加热，高频电场作用下使电介质类材料内部产生交变的电流(即涡流)，原子在涡流作用下互相碰撞、摩擦而产生热能。高频电磁波加热是非接触式加热，对工件没有损伤；其优点是能量转换率较高，能达到90％左右，加热速度快，加热均匀。电阻加热是指利用电流通过电阻体的热效应，对物料进行电加热的方法；电阻加热是非接触式加热，对工件没有损伤；能量转换率一般，能达到60％左右，加热速度快，加热均匀。红外加热是利用由电能产生的红外辐射来传递热能的电加热，是非接触式加热，对工件没有损伤，能量转换率较高，能达到70％左右；但由于铜铝反射光的程度较高，因此加热速度较慢，加热均匀。因此，在本发明中优选的的预热方式是采用高频电磁波加热。
在本发明中，经研究发现：温度是促进原子扩散的最重要因素，加热焊件能提高原子、离子、分子的能量，从而加速扩散，预热温度较低时，无法达到加速扩散的目的，因此铝层从铜基体上的剥离力急剧下降，铜铝复合基材的电压降急剧上升，已经不满足铜铝复合基材的力学和电学性能。当预热温度过高时，铝层由于快接近熔点而软化，在压力作用下变形量加大，反而对焊缝度强有所降低，铜铝复合基材的力学和电学性能也无法满足，形状也无法达到要求。当预热温度达660℃以上，所述铝层原材料已经融化，无法进行铜铝复合基材的制作。另外，根据铜铝之间的共晶温度，在预热温度达到548℃以上时，铜铝之间产生的不只是共晶固溶物，还有导电性能和机械性能都很差的铜铝化合物。因此，优选的，本发明所述的压力扩散焊接加工方法中，所述铜基体原材料和/或所述铝层原材料的预热温度为250℃～548℃。
在本发明的研究过程中发现：冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力是影响铝层从铜基体上的剥离力的重要因素，压力能使材料连接面达到完全接触，扩大有效的焊接面积，加快扩散再结晶过程。压力太小会导致铝层从铜基体上的剥离力大幅度降低，铜铝复合基材的电压降大幅度升高，难以满足铜铝复合基材在应用中的力学和电学性能的要求。而且由于所述铝层原材料的屈服强度是110Mpa，冲压机的压力不应超过该屈服强度。因此，优选的，本发明所述的冲压步骤中，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力为10Mpa～110Mpa。
在本发明的研究过程中发现：影响铝层从铜基体上的剥离力和铜铝复合基材电压降的另一个因素是冲压机施压的时间，当施压时间太短时，铝层从铜基体上的剥离力大幅度降低，铜铝复合基材的电压降大幅度升高，得到的复合基材难以满足应用的要求；而施压时间过长，铜铝之间形成导电性能差、并且脆硬的铜铝化合物，导致铜铝复合基材的力学和电学性能开始下降。优选的，本发明所述的冲压步骤中，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间为0.01s～80s。
作为进一步的方案，本发明所述的压力扩散焊接加工方法的整个加工过程中，所述铜基体原材料和所述铝层原材料位于防氧化保护气体内。
由于铜和铝都是活泼金属，在空气和水的作用下，会慢慢氧化，温度升高后，氧化的速度会加快。在本发明中，所述铜基体原材料和所述铝层原材料要进行预热，温度升高会导致所述铜基体原材料和所述铝层原材料快速被氧化，从而在铜铝混合物层中，存在铜铝氧化物，降低铜铝复合基材的力学和电学性能，因此，在预热和整个加工过程中，发明人将所述铜基体原材料和所述铝层原材料位于防氧化保护气体内。具体的，所述防氧化保护气体为惰性气体或氮气。
本发明还提供所述的铜铝复合基材在制作电气接线端子中的应用。
本发明还提供一种电气接线端子，该电气接线端子是通过本发明所述的铜铝复合基材制作而成。
以下是本发明具体的实施例。
实施例1
在本实施例中，使用压力扩散焊的方式，提供一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。
在本实施例中，为了论证铜铝混合物层中铜铝晶态混合物的占比对铜铝复合基材性能的影响，使用相同厚度、材质的铜基体和铝层，制作了不同的铜铝混合物层中铜铝晶态混合物的占比的样件，并做了一系列力学和电学测试，实验结果如表1所示。
表1不同铜铝混合物层中铜铝晶态混合物的占比对铜铝复合基材的剥离力和电压降的影响
从上表可以看出，在所述铜基体与铝层之间以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层中，当铜铝晶态混合物的占比低于50wt％时，铝层从铜基体上的剥离力逐步降低，铜铝复合基材的电压降逐步上升，无法满足铜铝复合基材的机械性能和电气性能要求，因此铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。
进一步的，在本实施例中，为了论证所述铜铝晶态混合物中所述铜铝晶态固溶物占比对铜铝复合基材性能的影响，使用相同厚度、材质的铜基体和铝层，制作了不同的铜铝晶态混合物中所述铜铝晶态固溶物占比的样件，并做了一系列力学和电学测试，实验结果如表2所示。
表2不同铜铝晶态混合物中所述铜铝晶态固溶物占比对铜铝复合基材的剥离力和电压降的影响
从上表可以看出，在所述铜铝晶态混合物中，当所述铜铝晶态固溶物占比小于20wt％时，铝层从铜基体上的剥离力逐步降低，铜铝复合基材的电压降逐步上升，无法满足铜铝复合基材的机械性能和电气性能要求，因此所述铜铝晶态混合物含有至少20wt％铜铝晶态固溶物。
实施例2
在本实施例中，使用压力扩散焊的方式，提供一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。
该铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法包括：
预处理步骤：对铜基体和铝层进行清洗之后，采用高频电磁波对所述铜基体原材料和/或所述铜基体原材料预热至500℃；
固定步骤：将所述铜基体原材料和所述铝层原材料放置在冲压机中；
冲压步骤：利用冲压机冲压所述铝层与铜基体，使所述铝层与铜基体之间形成铜铝混合物层；具体的冲压方法如图1所示，所述铜基体原材料5或所述铝层原材料4，在经过预热设备进行预热后，在电机带动下匀速通过冲压装置，所述冲压头6上下往复运动，经过所述剪切座7时，将所述铝层原材料4冲压出设定尺寸大小的铝层，并带动铝层向下，压到所述冲压底砧座8上的所述铜基体原材料5上。
所述冲压头6继续挤压所述铜基体原材料5和所述铝层原材料4，使加热的铜铝金属在压力的作用下，达到原子间相互扩散，使铜铝结合达到很好的力学性能和电学性能。最终形成铜铝复合基材10，剩余的铝层废弃材料9卷曲在另外一个卷轴上。
在本实施例中，为了论证铜铝混合物层厚度对铜铝复合基材性能的影响，使用相同厚度、材质的铜基体和铝层制作了不同铜铝混合物层厚度的样件，并做了一系列力学和电学测试，并用同一批样件，进行48小时盐雾实验后，再做力学和电学测试对比，实验结果如表3所示。
表3不同铜铝混合物层的厚度对铜铝复合基材的剥离力和电压降的影响
从上表可以看出，当铜铝混合物层的厚度小于0.01μm时，铝层从铜基体上的剥离力和铜铝复合基材的电压降急剧下降，不能满足铜铝复合基材的力学性能和电学性能要求，并且，在盐雾实验后，力学性能和电学性能减低的更多。对铜铝复合基材制成的端子性能和寿命都有很大的影响，严重时造成端子失效甚至燃烧事故。
当铜铝混合物层的厚度大于0.01μm，小于0.1μm时，铝层在铜基体上附着的力学性能和电学性能开始提升并超过标准要求值，但仍属于合格范围的边界。
当铜铝混合物层的厚度大于0.1μm，小于1100μm时，铝层在铜基体上附着的力学性能和电学性能开始大幅度提升，能够满足铜铝复合基材的性能要求。
当铜铝混合物层的厚度为大于1100μm，小于2000μm时，铝层在铜基体上附着的力学性能和电学性能逐步下降到合格范围的边界。
当铜铝混合物层的厚度大于2000μm时，铝层在铜基体上附着的力学性能和电学性能已下降到标准要求值以下，相对应的，为了获得厚度大于2000μm的铜铝混合物层，设备所施加的压力和时间大幅度增长，因此，发明人选择铜铝混合物层的厚度为0.01-2000μm。考虑铜铝复合基材的剥离力和电压降的综合效果，其中，铜铝混合物层最佳的厚度是0.1μm-1100μm。
实施例3
在本实施例中，使用压力扩散焊的方式，提供一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层，该铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。
该铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法包括：
预处理步骤：对铜基体和铝层进行清洗之后，采用高频电磁波对所述铜基体原材料和/或所述铜基体原材料预热；
固定步骤：将所述铜基体原材料和所述铝层原材料放置在冲压机中；
冲压步骤：利用冲压机冲压所述铝层与所述铜基体，使所述铝层与所述铜基体之间形成铜铝混合物层，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力为20Mpa，所述冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间为0.8s；具体的冲压方法如图1所示，所述铜基体原材料5或所述铝层原材料4，在经过预热设备进行预热后，在电机带动下匀速通过冲压装置，所述冲压头6上下往复运动，经过所述剪切座7时，将所述铝层原材料4冲压出设定尺寸大小的铝层，并带动铝层向下，压到所述冲压底砧座8上的所述铜基体原材料5上。
所述冲压头6继续挤压所述铜基体原材料5和所述铝层原材料4，使加热的铜铝金属在压力的作用下，达到原子间相互扩散，使铜铝结合达到很好的力学性能和电学性能。最终形成铜铝复合基材10，剩余的铝层废弃材料9卷曲在另外一个卷轴上。
发明人为了解不同的铜基体原材料或铝层原材料的预热温度对铜铝复合基材性能的影响，使用相同厚度、材质的铜基体和铝层，相同的预热设备，在不同的预热温度下，制作了铜铝复合基材的样件，并对样件进行力学和电学性能的测试。实验结果如表4所示。
表4不同的铜基体原材料或铝层原材料的预热温度对铜铝复合基材的剥离力和电压降的影响
从上表可以看出，当预热温度达不到250℃时，铜铝原子的活跃能量少，无法达到加速扩散的目的，因此铝层从铜基体上的剥离力急剧下降，铜铝复合基材的电压降急剧上升，已经不满足铜铝复合基材的力学和电学性能。
当预热温度大于250℃，小于548℃时，铝层从铜基体上的剥离力和电压降都能满足铜铝复合基材的性能要求。
根据铜铝之间的共晶温度，在预热温度达到548℃以上时，铜铝之间产生的不再是共晶固溶物，而是导电性能和机械性能都很差的铜铝化合物。
当预热温度高于600℃时，铝层由于快接近熔点而软化，在压力作用下变形量加大，无法实现铜铝之间原子扩散的目的，铜铝复合基材的力学和电学性能也无法满足，形状也无法达到要求。达到660℃以上，所述铝层原材料已经融化，无法进行铜铝复合基材的制作。
因此，发明人设定所述铜基体原材料和/或所述铝层原材料的预热温度为250℃～548℃。
实施例4
在本实施例中，使用压力扩散焊的方式，提供一种铜铝复合基材，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层，该铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。该铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法包括：
预处理步骤：对铜基体和铝层进行清洗之后，采用高频电磁波对所述铜基体原材料和/或所述铜基体原材料预热至500℃；
固定步骤：将所述铜基体原材料和所述铝层原材料放置在冲压机中；
冲压步骤：利用冲压机冲压所述铝层与铜基体，使所述铝层与铜基体之间形成铜铝混合物层，具体的冲压方法如图1所示，所述铜基体原材料5或所述铝层原材料4，在经过预热设备进行预热后，在电机带动下匀速通过冲压装置，所述冲压头6上下往复运动，经过所述剪切座7时，将所述铝层原材料4冲压出设定尺寸大小的铝层，并带动铝层向下，压到所述冲压底砧座8上的所述铜基体原材料5上。
加工过程中，在所述铜基体原材料和所述铝层原材料的接触位置设置氩气进行防氧化保护。
所述冲压头6继续挤压所述铜基体原材料5和所述铝层原材料4，使加热的铜铝金属在压力的作用下，达到原子间相互扩散，使铜铝结合达到很好的力学性能和电学性能。最终形成铜铝复合基材10，剩余的铝层废弃材料9卷曲在另外一个卷轴上。
在该实施例中，发明人为了解不同的冲压机压力和加工时间对铜铝复合基材性能的影响，使用相同厚度、材质的铜基体和铝层，相同的预热设备，在不同的冲压机压力或不同的加工时间下，制作了铜铝复合基材的样件，并对样件进行力学和电学性能的测试。实验结果如表5和表6所示。
表5不同冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力对铜铝复合基材的剥离力和电压降的影响
从上表可以看出，当冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力小于10Mpa时，铝层从铜基体上的剥离力大幅度降低，铜铝复合基材的电压降大幅度升高，已不满足铜铝复合基材的力学和电学性能要求，另外，由于所述铝层原材料的屈服强度最大是110Mpa，当冲压机施加的压力大于110Mpa时，所述铝层原材料开始塑形变形，无法到达与所述铜基体原材料之间形成铜铝混合物层。因此，发明人设定冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力为10Mpa～110Mpa。
表6不同冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间对铜铝复合基材的剥离力和电压降的影响
从上表可以看出，当冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间小于0.01s时，铝层从铜基体上的剥离力大幅度降低，铜铝复合基材的电压降大幅度升高，已不满足铜铝复合基材的力学和电学性能要求。当冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间大于80s时，由于施压时间过长，铜铝之间形成导电性能差、并且脆硬的铜铝化合物，导致铜铝复合基材的力学和电学性能开始下降。因此，发明人将冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间设定为0.01s～80s。
对比实施例
为了将本发明所述的铜铝复合材料的性能与单纯使用铜材质的材料的性能作为比较，在该对比实施例中，使用相同厚度的单质铜材和铜铝复合基材，铜铝复合基材的加工参数，加热温度为500℃，冲压机压力为20Mpa，保压时间为0.8s。分别在相同的端子冲压模具中制作成相同形状的端子，再与相同线径的铝电缆压接成铜铝连接接头，分别在压接后和48小时盐雾试验后，测试铜铝连接接头的电学性能和力学性能。结果如表7所示。
表7不同的铜铝连接接头对拉拔力和电压降的影响
从上表中可知，对比使用单质铜材和使用铜铝复合基材制成的端子，在压接铝线缆后初始的拉拔力和电压降基本相同，但是在经过48小时盐雾腐蚀之后，使用单质铜材制作的铜铝连接接头，拉拔力急剧下降，电压降急剧升高，不能符合铜铝连接的使用要求。而使用铜铝复合基材制作的铜铝连接接头，拉拔力降低和电压降升高幅度只有使用单质铜材制作的铜铝连接接头的32％和22％，而且完全符合电气线缆接头的使用要求，因此，使用铜铝复合基材的铜铝连接接头耐腐蚀性能更好，寿命更长。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (15)

1.一种铜铝复合基材，其特征在于，所述铜铝复合基材包括铜基体和铝层；所述铝层设置在所述铜基体的至少其中一个表面上，所述铜基体与铝层之间形成以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层，该铜铝混合物层中含有至少50wt％的铜铝晶态混合物。
2.根据权利要求1所述的铜铝复合基材，其特征在于，所述铜铝晶态混合物含有至少20wt％铜铝晶态固溶物。
3.根据权利要求1所述的铜铝复合基材，其特征在于，所述铜铝混合物层的厚度为0.01μm～2000μm。
4.根据权利要求3所述的铜铝复合基材，其特征在于，所述铜铝混合物层的厚度为0.1μm～1100μm。
5.根据权利要求1所述的铜铝复合基材，其特征在于，采用压力扩散焊接方式形成所述以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。
6.一种铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，包括
固定步骤：将所述铜基体原材料和所述铝层原材料放置在冲压机中；
冲压步骤：利用冲压机冲压所述铝层与所述铜基体，使所述铝层与所述铜基体之间形成所述以铜铝原子互相渗透或铜铝原子互相结合的铜铝混合物层。
7.根据权利要求6所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，还包括在固定步骤前的预处理步骤：将所述铜基体原材料和/或所述铝层进行清洁。
8.根据权利要求6所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，还包括在固定步骤前的预热步骤。
9.根据权利要求8所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，所述预热采用超声波或高频电磁波或电阻或红外加热或等离子弧方式进行。
10.根据权利要求8所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，所述铜基体原材料和/或所述铝层原材料的预热温度为250℃～548℃。
11.根据权利要求6-10任一项所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，所述冲压步骤中，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料施加的压力为10Mpa～110Mpa。
12.根据权利要求6-10任一项所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，所述冲压步骤中，冲压机对所述铝层原材料与所述铜基体原材料的施压时间为0.01s～80s。
13.根据权利要求6-10任一项所述的铜铝复合基材的压力扩散焊接加工方法，其特征在于，整个加工过程中，所述铜基体原材料和所述铝层原材料位于防氧化保护气体内。
14.一种如权利要求1-4任一项所述的铜铝复合基材在制作电气接线端子中的应用。
15.一种电气接线端子，其特征在于，含有如权利要求1-4任一项所述的铜铝复合基材。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110842364A (zh) * 2019-11-25 2020-02-28 中国矿业大学 一种激光包覆焊接高熵合金AlCoCrFeNi/27SiMn钢复合层及其制备方法
CN110920214A (zh) * 2019-12-17 2020-03-27 河南科技大学 一种铜铝层状复合材料的制备方法
CN114043085A (zh) * 2021-11-12 2022-02-15 中国矿业大学 一种消除激光焊接gh3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法
WO2023174248A1 (zh) * 2022-03-14 2023-09-21 吉林省中赢高科技有限公司 一种连接器总成及一种车辆

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5260256A (en) * 1975-10-24 1977-05-18 Union Carbide Corp Laser welding
EP1297925A2 (en) * 2001-10-01 2003-04-02 Ngk Insulators, Ltd. HIP bonded body of beryllium member and copper alloy member and method of producing the same
CN1418752A (zh) * 2002-12-27 2003-05-21 北京青云航空仪表有限公司 铝铜双金属片的低温低压反应扩散焊
CN101559557A (zh) * 2008-04-17 2009-10-21 上海新东蒸发器有限公司 铜铝复合板的制造方法
CN101811223A (zh) * 2010-04-14 2010-08-25 宁波江丰电子材料有限公司 靶材组件焊接方法
CN102079011A (zh) * 2010-12-31 2011-06-01 南京理工大学 异种金属半固态熔敷压力焊接装置
CN202147089U (zh) * 2011-07-14 2012-02-22 江苏金鑫电器有限公司 铜铝异种金属压力熔敷焊机
CN102947043A (zh) * 2010-06-08 2013-02-27 株式会社新王材料 铝铜复合材料
CN103249516A (zh) * 2010-12-10 2013-08-14 奇默克电缆科技股份有限责任公司 用于在保护气体下连接铝带和铜带的方法和设备
CN104205323A (zh) * 2012-03-30 2014-12-10 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块及功率模块用基板的制造方法
CN105108272A (zh) * 2015-09-18 2015-12-02 邢台职业技术学院 一种异种金属焊接的方法和装置
CN105252137A (zh) * 2015-11-13 2016-01-20 哈尔滨工业大学 一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法
CN106475679A (zh) * 2016-11-30 2017-03-08 山东大学 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

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5260256A (en) * 1975-10-24 1977-05-18 Union Carbide Corp Laser welding
EP1297925A2 (en) * 2001-10-01 2003-04-02 Ngk Insulators, Ltd. HIP bonded body of beryllium member and copper alloy member and method of producing the same
CN1418752A (zh) * 2002-12-27 2003-05-21 北京青云航空仪表有限公司 铝铜双金属片的低温低压反应扩散焊
CN101559557A (zh) * 2008-04-17 2009-10-21 上海新东蒸发器有限公司 铜铝复合板的制造方法
CN101811223A (zh) * 2010-04-14 2010-08-25 宁波江丰电子材料有限公司 靶材组件焊接方法
CN102947043A (zh) * 2010-06-08 2013-02-27 株式会社新王材料 铝铜复合材料
CN103249516A (zh) * 2010-12-10 2013-08-14 奇默克电缆科技股份有限责任公司 用于在保护气体下连接铝带和铜带的方法和设备
CN102079011A (zh) * 2010-12-31 2011-06-01 南京理工大学 异种金属半固态熔敷压力焊接装置
CN202147089U (zh) * 2011-07-14 2012-02-22 江苏金鑫电器有限公司 铜铝异种金属压力熔敷焊机
CN104205323A (zh) * 2012-03-30 2014-12-10 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块及功率模块用基板的制造方法
CN105108272A (zh) * 2015-09-18 2015-12-02 邢台职业技术学院 一种异种金属焊接的方法和装置
CN105252137A (zh) * 2015-11-13 2016-01-20 哈尔滨工业大学 一种铝或铝合金与铜的真空扩散焊接方法
CN106475679A (zh) * 2016-11-30 2017-03-08 山东大学 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

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110842364A (zh) * 2019-11-25 2020-02-28 中国矿业大学 一种激光包覆焊接高熵合金AlCoCrFeNi/27SiMn钢复合层及其制备方法
WO2021103843A1 (zh) * 2019-11-25 2021-06-03 中国矿业大学 一种激光包覆焊接高熵合金AlCoCrFeNi/27SiMn钢复合层及其制备方法
CN110920214A (zh) * 2019-12-17 2020-03-27 河南科技大学 一种铜铝层状复合材料的制备方法
CN114043085A (zh) * 2021-11-12 2022-02-15 中国矿业大学 一种消除激光焊接gh3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法
CN114043085B (zh) * 2021-11-12 2023-12-29 中国矿业大学 一种消除激光焊接gh3030合金焊缝中心低熔点元素偏析和杂质相的方法
WO2023174248A1 (zh) * 2022-03-14 2023-09-21 吉林省中赢高科技有限公司 一种连接器总成及一种车辆

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