CN111085768A - 一种铝基金属材料低温扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝基金属材料低温扩散连接方法，通过化学抛光或机械抛光的方式制备待焊金属表面，将金属镓均匀涂敷在待焊金属表面，将两个或多个待焊面堆叠在一起，在真空环境或惰性气体保护环境下施加一定的压力，通过流经待焊金属的电流产生电阻热来缓慢加热待焊金属，到达预定温度后通过保温和缓慢冷却，实现待焊金属界面的冶金结合，Ga中间层的引入，实现低温扩散连接；中间层的均匀涂覆保障了界面力学性能均匀且再现性良好；电流加热的实现了能量集中，能耗低；采用较小的焊接压力(2MPa～5MPa)，保障了焊后散热装置的高精度，以上优点使得焊后扩散连接界面能够承受260℃而不发生界面熔化，在同等传热系数的条件下，热交换装置的生产速率显著提高。

Description

一种铝基金属材料低温扩散连接方法
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其是涉及铝基金属材料低温扩散连接方法。
背景技术
现代工业对节能与轻量化的要求越来越高，铝材凭借其性价比高、回收性好、重量轻、能效优等特性，很快脱颖而出，成为发热元器件散热的首选金属材料。而随着发热元器件向着大功率、精细化的方向发展，对散热要求也越来越高，这对于配套热交换装置及材料均带来新的挑战和考验，主要表现在如何提高散热装置的制造精度上，以便更好的与精细化发热元器件实现高共形贴合，从而提高散热效率。近年来，国内外在高共形散热结构设计上大胆启用3D打印技术，通过高共形打印实现了精密电子元器件的高效散热问题。但对于军工发动机、IGBT和新能源汽车电池的中大型热交换装置，3D打印制造成本就明显高于传统制造技术。目前，中大型热交换装置与热端部件之间的界面热交换成为限制高效能散热的关键。采用热导胶作为界面中间材料，存在耐高温性差、寿命短、导热系数不高等问题；利用搅拌摩擦焊工艺实现热交换装置的界面连接，界面机械性能优异但装置热变形问题凸显；选用传统扩散连接是提高导热系数、提高寿命、实现高精度散热装置制造的有效方法，但其生产效率低、焊接过程能耗大又成为制约扩散连接应用于热交转装置制造的瓶颈。目前，关于中大型热交换装置低能耗高精密扩散连接技术在国内外鲜有报道。
通常，根据热交换装置的服役环境不同，铝合金散热装置内流道的液体介质会择机采用液氮或水。特别是液氮可明显提高热交换装置的散热效率，但在超过50℃的热交换环境下长期服役，易造成装置连接界面因内压过大而破坏。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铝基金属材料低温扩散连接方法，使连接界面力学性能均匀且再现性良好并且能耗低。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种铝基金属材料低温扩散连接方法，包括以下步骤：
制备待焊金属表面：通过化学抛光或机械抛光的方式制备待焊金属表面；
涂敷中间层：将金属镓均匀涂敷在待焊金属表面；
堆叠：将两个或多个待焊面堆叠在一起；
加热：在真空环境或惰性气体保护环境下施加一定的压力，通过流经待焊金属的电流产生电阻热来缓慢加热待焊金属；
保温冷却：到达预定温度后通过保温和缓慢冷却，实现待焊金属界面的冶金结合。
进一步地，所述涂敷中间层步骤中，通过机械抛光的形式，将液态金属镓均匀涂于旋转或往复运动的抛光材料之上，将待焊金属表面在涂有镓的抛光材料上轻轻点触。
进一步地，控制待焊金属面增重5mg/cm2～10mg/cm2。
进一步地，镓厚度在8μm～15μm。
进一步地，所述铝基金属材料为铝-铝、铝-铜。
进一步地，在所述加热步骤中，对待焊面施加2MPa-5MPa的压力。
进一步地，在所述加热步骤中，通过对待焊金属施加高频脉冲直流电，使堆叠的待焊金属材料产生电阻热，通过控制电流来控制升温速率。
进一步地，对待焊金属施加的高频脉冲直流电的密度为100A/cm2～200A/cm2。
进一步地，升温速率在2℃/min～10℃/min以内。
进一步地，在所述保温冷却步骤中，加热峰值温度100℃～200℃，峰值温度保温扩散时间0.5h～1h。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
通过Ga中间层的引入，实现低温扩散连接；中间层的均匀涂覆保障了界面力学性能均匀且再现性良好；通过电流加热的形式实现了能量集中，达成了连接技术低能耗的目的；采用较小的焊接压力(2MPa～5MPa)，保障了焊后散热装置的高精度，以上优点使得焊后扩散连接界面能够承受260℃而不发生界面熔化，在同等传热系数的条件下，热交换装置的生产速率显著提高。
附图说明
图1为本发明铝基金属材料低温扩散连接方法的流程图；
图2为图1的铝基金属材料低温扩散连接方法的第三实施例的扩散界面效果图；
图3为图1的铝基金属材料低温扩散连接方法的第八实施例的扩散界面效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明铝基金属材料低温扩散连接方法包括以下步骤，
制备待焊金属表面：通过化学抛光或机械抛光的方式制备待焊金属表面；
涂敷中间层：将金属镓均匀涂敷在待焊金属表面；
堆叠：将两个或多个待焊面堆叠在一起；
加热：在真空环境或惰性气体保护环境下施加一定的压力，通过流经待焊金属的电流产生电阻热来缓慢加热待焊金属；
保温冷却：到达预定温度后通过保温和缓慢冷却，实现待焊金属界面的冶金结合。
涂敷中间层步骤中，通过机械抛光的形式，将液态金属镓均匀涂于旋转或往复运动的抛光材料之上，将待焊金属表面在涂有镓的抛光材料上轻轻点触，控制待焊金属面增重5mg/cm2～10mg/cm2，镓厚度在8μm～15μm。
铝基金属材料为铝-铝、铝-铜。
在所述加热步骤中，对待焊面施加2MPa-5MPa的压力。通过对待焊金属施加高频脉冲直流电，电流的密度为100A/cm2～200A/cm2，使堆叠的待焊金属材料产生电阻热，通过控制电流来控制升温速率在2℃/min～10℃/min以内，加热峰值温度100℃～200℃，峰值温度保温扩散时间0.5h～1h。
铝基金属材料低温扩散连接方法具体实施时，在镓厚度，压力，电流密度，升温速率，峰值时间，保温时间范围内，选取不同的数值，进行测试，得到不同条件下的界面剪切强度、界面导热系数以及界面重熔温度，并与导热胶连接的方法进行比较，得到下表：
Figure BDA0002350878470000061
其中，实施例3的扩散界面效果图如附图2所示；实施例8的扩散界面效果图如附图3所示。
上述铝基金属材料低温扩散连接方法，通过Ga中间层的引入，实现低温扩散连接；中间层的均匀涂覆保障了界面力学性能均匀且再现性良好；通过电流加热的形式实现了能量集中，达成了连接技术低能耗的目的；采用较小的焊接压力(2MPa～5MPa)，保障了焊后散热装置的高精度，以上优点使得焊后扩散连接界面能够承受260℃而不发生界面熔化，在同等传热系数的条件下，热交换装置的生产速率显著提高。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备待焊金属表面：通过化学抛光或机械抛光的方式制备待焊金属表面；
涂敷中间层：将金属镓均匀涂敷在待焊金属表面；
堆叠：将两个或多个待焊面堆叠在一起；
加热：在真空环境或惰性气体保护环境下施加一定的压力，通过流经待焊金属的电流产生电阻热来缓慢加热待焊金属；
保温冷却：到达预定温度后通过保温和缓慢冷却，实现待焊金属界面的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：所述涂敷中间层步骤中，通过机械抛光的形式，将液态金属镓均匀涂于旋转或往复运动的抛光材料之上，将待焊金属表面在涂有镓的抛光材料上轻轻点触。
3.根据权利要求2所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：控制待焊金属面增重5mg/cm2～10mg/cm2。
4.根据权利要求2所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：镓厚度在8μm～15μm。
5.根据权利要求1所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：所述铝基金属材料为铝-铝、铝-铜。
6.根据权利要求1所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：在所述加热步骤中，对待焊面施加2MPa-5MPa的压力。
7.根据权利要求1所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：在所述加热步骤中，通过对待焊金属施加高频脉冲直流电，使堆叠的待焊金属材料产生电阻热，通过控制电流来控制升温速率。
8.根据权利要求7所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：对待焊金属施加的高频脉冲直流电的密度为100A/cm2～200A/cm2。
9.根据权利要求7所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：升温速率在2℃/min～10℃/min以内。
10.根据权利要求1所述的铝基金属材料低温扩散连接方法，其特征在于：在所述保温冷却步骤中，加热峰值温度100℃～200℃，峰值温度保温扩散时间0.5h～1h。
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