CN102151930B - 异质金属材料间的钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质金属材料间的钎焊方法，异质金属材料包括材质不同的第一母材和第二母材，该方法包括以下步骤：将第一母材装卡在可伸缩夹具上，第二母材装卡在固定夹具上，使第一母材的、第二母材的焊接面相对并将钎料置于所述焊接面之间；在第一母材上施加相对于所述焊接面的预压力；对所述第一母材与第二母材的焊接部位局部快速加热，达到设定温度后保温；将所述预压力升至焊接压力；用超声压杆对第一母材施加相对于所述焊接面的超声振动；超声振动完成后继续保温保压，然后停止加热并继续保压至所述焊接部位冷却。本发明方法从减少层状脆性金属间化合物的形成等多方面提高了异质金属材料钎焊接头的强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料间的钎焊方法，尤其是一种适用于异质金属材料如铜或铜合金与铝或铝合金、不锈钢与铝或铝合金、不锈钢与镁合金之间焊接的钎焊方法。
背景技术
近年来，国内国际铜价不断攀升，这给制冷、电子、汽车等制造行业带来了很大的成本压力。铜的主要应用价值在于这种材料有着优良的导电、导热性。由于铜在地壳中储存量较少，铜价的持续上涨是毋容置疑的，因此寻找一种性能与铜材接近并且价格相对较低的材料来替代铜材成为企业节约成本的共同出发点。铝金属的导电和导热性能仅次于铜，在很多场合用铝材取代铜材并不会过大地影响产品的使用性能。就生产成本而言，铝材的市场价约为铜的l／3，铝的密度也只有铜的l／3，铝制构件材料成本是相同铜制构件的1／9。因此，人们在很多行业采用“以铝代铜”的技术来降低生产成本。
然而，在一些构件中铜材的使用仍然不可替代，如制冷构件中的干燥过滤器、毛细管、压缩机三管等，还是要采用铜管制作，这样在制冷管路中又有铝管又有铜管，必然带来铜铝管连接问题。此外，因为铝表面有一层较厚的氧化膜，所以在一些铝制电子器件中，容易出现因器件接触电阻较大而导致的触头发热并造成材料的蠕变失效；尤其在高电压情况下还会使铝制触头产生放电火花而造成事故，因此通常的做法都是在铝材表面焊接铜，减小接触电阻。
国内外对铜铝异质材料连接技术已经有了较多的研究，但在铜铝合金连接强度以及降低连接成本上一直没有很大的突破。铜铝异质材料连接的难点在于：铜与铝的熔点相差较大（接近400℃）、铜的热导率约为铝的3倍、它们的线膨胀系数以及熔化热也有很大差异，直接连接将产生很大的焊接应力；此外，更为主要的是，铜铝异质材料连接时，异质母材间原子的相互扩散作用容易导致CuAl2层状脆性金属间化合物的形成，该脆性化合物层的厚度超过一定值（10um）时将极大地影响接头的力学性能。因此，尽可能缓解异质母材间物理性能的差异，以及较少层状脆性金属间化合物的形成，是获得优质铜铝焊接接头的关键。
目前应用较多的铜铝异质材料连接方法主要有摩擦对焊、搅拌摩擦焊和钎焊。其中摩擦对焊主要用于管或棒状材料的对接，而搅拌摩擦焊主要用于板状材料的连接，这两种方法都属于固相焊的范畴，对设备要求较高，工艺参数要求严格，不适合于特殊环境或复杂接头的生产也不适合于薄型构件的焊接。此外，固相焊焊接头强度容易受CuAl2脆性金属间化合物层的厚度和硬度影响，接头耐疲劳性和气密性较差。
钎焊在异质材料的连接中应用较为普遍，例如铜铝钎焊，与固相焊相比，钎焊中钎料的使用缓解了异质母材间物理性能的差异，接头的耐疲劳载荷能力较强；此外，钎焊还具有生产成本低，对复杂工件的适应性强，接头强度和气密性高，在线生产能力强等众多优点，因而是一种很有发展前景的铜铝连接技术。常见的钎焊方法主要有真空钎焊、火焰钎焊以及感应钎焊等。其中真空钎焊一般在高真空环境下进行，该方法对母材连接界面的洁净度有较高要求，不适用于复杂接头焊接以及大批量生产。此外，真空钎焊保温时间较长，容易在铜材界面形成较厚的CuAl2层，从而恶化了接头性能。火焰钎焊和感应钎焊都是采用局部加热的方式，热影响区小，焊接时间短，应用较为普遍。然而这两种钎焊方法需要配合钎剂使用，以去除母材表皮的氧化膜，促进钎料在母材表面的润湿扩展。钎剂的使用一方面增加了焊接的成本；另一方面容易在接头中产生气孔；而且，焊后焊缝中的钎剂残渣若清理干净还容易造成接头的电化学腐蚀，降低接头可靠性。此外，火焰钎焊和感应钎焊并不能完全避免层状CuAl2的生成，只有严格控制加热速度和焊接温度才能尽可能减小CuAl2层的厚度。同样对于不锈钢与铝或铝合金、不锈钢与镁合金之间的钎焊，由于容易形成层状脆性金属间化合物影响焊接质量，现有的钎焊方法难已实现高效优质的焊接。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种异质金属材料间的钎焊方法，本发明方法适用于铜合金或铜基复合材料与铝合金或铝基复合材料、不锈钢与铝合金或铝基复合材料、不锈钢与镁合金或镁基复合材料等异质材料之间的焊接。
本发明采用的技术方案是：一种异质金属材料间的钎焊方法，所述异质金属材料包括材质不同的第一母材和第二母材，所述钎焊方法包括以下步骤：
a、将第一母材装卡在可伸缩夹具上，第二母材装卡在固定夹具上，使第一母材的、第二母材的焊接面相对并将钎料置于所述焊接面之间；
b、在第一母材上施加相对于所述焊接面的预压力，预压力大小为0.01MPa～0.5MPa；
c、对所述第一母材与第二母材的焊接部位局部加热，加热升温速率为5℃/s～50℃/s，达到设定温度后保温；
d、将所述预压力升至焊接压力，所述焊接压力高于所述预压力，且大于等于0.1MPa小于等于3MPa；
e、用超声压杆对第一母材施加相对于所述第二母材的超声振动；
f、超声振动完成后继续保温保压1～60秒，然后停止加热并继续保压至所述焊接部位冷却。
优选的，所述第一母材为铜合金或铜基复合材料、第二母材为铝合金或铝基复合材料；或者所述第一母材为铝合金或铝基复合材料、第二母材为铜合金或铜基复合材料；或者所述第一母材为不锈钢、第二母材选自铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料中的一种；或者第一母材选自铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料中的一种，第二母材为不锈钢。
优选的，所述步骤c中的加热方式为中频或高频感应加热。当然加热方式还可选用火焰加热、激光加热或者热风加热。
优选的，所述步骤c中的设定温度高于所述钎料的固相线温度5℃～100℃或高于所述钎料的液相线温度0℃～80℃。更优选所述步骤c中的设定温度高于所述钎料的固相线温度10℃～50℃或高于所述钎料的液相线温度5℃～30℃。
优选的，所述步骤e中超声振动的频率为10kHz～40kHz、振幅为5μm～25μm，超声振动时间为0.5～60秒。
优选的，所述步骤d将预压力升至焊接压力是在步骤c感应加热达到设定温度时或之后进行，或者在步骤c感应加热接近设定温度时即开始步骤d将预压力升至焊接压力。
优选的，在步骤d将预压力升至焊接压力0～5秒后开始步骤e的施加超声振动。优选的，所述母材为管状、棒状或条状。其中焊接接头方式可以为对接、搭接或角接
作为进一步的改进，所述第一母材、第二母材为管状时，在所述步骤a之前还包括以下步骤：
a0、用扩孔器将第二母材的一端管口扩口，按照与所述扩口斜面同样角度将第一母材的一端加工出一个倒角，所述第一母材的倒角面和第二母材的扩口斜面为焊接面；或者，用扩孔器将第一母材的一端管口扩口，按照与所述扩口斜面同样角度将第二母材的一端加工出一个倒角，所述第一母材的扩口斜面和第二母材的倒角面为焊接面。所述扩口和倒角的斜面与管中心线之间的角度优选15°～45°；扩口斜面的长度随管材管径的增大而增加，优选不小于3mm；优选倒角斜面的长度略小于扩口斜面的长度，例如小于0.5～3mm，此时倒角以上与扩口斜面相对的直管面部分也为焊接面
优选的，所述步骤a～f中第一母材与第二母材竖向放置，步骤e中施加超声振动可以从上方施加也可以从下方施加，从上方施加超声振动时将上方母材装卡在可伸缩夹具上、下方母材装卡在固定夹具上，如果从下方施加超声振动则将下方母材装卡在可伸缩夹具上、上方母材装卡在固定夹具上。当然将所述母材水平放置进行焊接也是可以的。
优选的，所述钎料为Sn-Zn系、Zn-Al系、Al-Si系合金中的一种或几种。
优选的，所述钎料为膏状，条状、棒状或者粉状。
作为进一步的改进，所述预压力和焊接压力是通过所述超声压杆直接施加的。
作为进一步的改进，所述步骤c中的中频或者高频感应加热设备包括红外测温或热电偶测温的温控装置，通过所述温控装置对加热的焊接部位进行温度控制。
本发明的异质金属材料间钎焊方法具有如下有益技术效果：
1、本发明的异质金属材料间的钎焊方法采用中、高频感应加热与超声振动相结合，有效地缩短了钎焊的时间，并且超声在液态钎料中的空化作用对钎料起到了很好的搅拌作用，从而减少了异质金属原子间的扩散，减少了层状脆性金属间化合物（例如铜铝钎焊时形成的CuAl2）的形成；此外局部快速加热也缩小了热影响区的范围，对母材强度影响减小；还有超声振动加快了钎料对焊缝的填充和在母材表面的润湿扩展，排出了气孔和残渣。因此从多方面提高了焊接接头的强度。
2、本钎焊方法无需使用任何钎剂，降低了生产成本，也避免了钎剂中的卤素对环境的污染以及对操作人员健康造成的危害；此外，还避免了使用钎剂时产生的接头的电化学腐蚀以及钎剂反应时气孔的产生，从而增加了焊接接头的可靠性。
3、由于焊接压力小，钎焊温度低以及焊接时间短，因此本方法特别适用于薄壁铜铝管的连接。
4、可以在非真空情况下进行钎焊，对焊件表面粗糙度和清洁度要求不高，简化了工艺；焊接周期短，生产效益高；由于加热时间短、加热范围小、所需焊接压力和超声振动功率低，因而消耗能源较少，使焊接的成本更低。
附图说明
图1是本发明一个实施例的铜、铝管感应-超声复合钎焊示意图；
图2是本发明另一实施例的铜、铝棒材感应-超声复合钎焊示意图。
具体实施方式
以下是本发明的实施例，通过这些实施例并结合附图可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
实施例1
参看图1，选用6061铝管1和T2铜管2，它们的外径均为8mm、壁厚均为1mm。所用钎料为Zn-4.7Al-0.5Cu(wt.%)无钎剂钎料膏3，该钎料的固相线温度为380℃、液相线温度为397℃。采用扩孔器使铝管1的一端管口扩口呈V型，扩口斜面与管中心线之间的角度为30°，斜面长度为5mm，按同样角度在铜管2的一端管口车出倒角，扩口斜面、倒角斜面以及焊接时倒角斜面以上与扩口斜面相对的直管面部分为焊接面。
参看图1，将铝管1的扩口端朝上竖直装卡在固定夹具7上，铜管2的倒角端朝下并对好铝管1的扩口端竖直装卡在可伸缩夹具8上，将钎料膏3均匀填充在铜管2与铝管1的接头处的V型槽内。通过超声压杆6对铜管2的另一端向下相对于铝管1施加预压力，预压力也可以通过其他加压设备施加，预压力大小为0.1MPa。打开感应加热设备，通过高频感应线圈4对拟焊接部位以10℃/s的速度快速加热，感应线圈4的圈数以1～3圈为佳。感应加热设备还设置有红外温控装置5，对加热部位进行测温及温度控制，当拟焊接部位温度升至设定温度410℃时开始保温，并将超声压杆6对铜管2的预压力提高至焊接压力0.5MPa；0.5秒后通过超声压杆6启动超声振动，超声振动功率为120W、频率为28kHz、振动时间为4秒。超声振动结束继续保持焊接压力0.5MPa和在设定温度410℃下保温，保温时间为2秒，保温完成后焊接件在空气中自然冷却（也可采用水冷），待焊接件焊接部位温度降至室温时停止保压，并从夹具中取出焊接件，完成焊接。焊缝截面显微分析表明，焊缝组织分布均匀，无层状CuAl2形成，且未发现气孔和裂纹；焊接接头有着较高的力学性能和密封性。
实施例2
参看图2，选用T2铜棒1和6061铝合金棒2为母材，母材直径均为6mm、长度均为40mm。选用成分为Zn-4.7Al-0.5Cu（wt.%）、直径为6mm、厚度为400μm的圆片钎料3，该钎料的固相线温度为380℃、液相线温度为397℃。用400号水磨砂纸将母材一个端面磨平作为焊接面，并采用乙醇对母材和圆片钎料3进行超声清洗。
参看图2，将铜棒1的磨平端面朝上竖直装卡在固定夹具7上，铝合金棒2磨平端面朝下并对好铜棒1的磨平端面竖直装卡在可伸缩夹具8上，将圆片钎料3预置在铜、铝棒磨平端面之间。通过超声压杆6对铝合金棒2的另一端相对于铜棒1施加预压力，预压力也可以通过其他加压设备施加，预压力大小为0.2MPa。打开感应加热设备，通过高频感应线圈4对拟焊接部位以10℃/s的速度快速加热，感应线圈4的圈数以1～3圈为佳。感应加热设备还设置有红外温控装置5，对加热部位进行测温及温度控制，当拟焊接部位温度升至设定温度410℃时开始保温，并将超声压杆6对铝合金棒2的预压力提高至焊接压力0.5MPa；0.5秒后通过超声压杆6启动超声振动，超声振动功率为270W、频率为28kHz、振动时间为6秒。超声振动结束继续保持焊接压力0.5MPa和在设定温度410℃下保温，保温时间为2秒，保温完成后焊接件在空气中自然冷却（也可采用水冷），待焊接件焊接部位温度降至室温时停止保压，并从夹具中取出焊接件，完成焊接。焊缝截面显微分析表明，焊缝组织分布均匀，无层状CuAl2形成，且未发现气孔和裂纹；焊接接头有着较高的力学性能和密封性。
Claims (12)
1.一种异质金属材料间的钎焊方法，所述异质金属材料包括材质不同的第一母材和第二母材，第一母材和第二母材具有焊接面，其特征在于：所述钎焊方法包括以下步骤：
a、将第一母材装卡在可伸缩夹具上，所述可伸缩夹具上设置有弹簧，由所述弹簧实现可伸缩，第二母材装卡在固定夹具上，使第一母材的、第二母材的焊接面相对并将钎料置于所述焊接面之间；
b、在第一母材上施加相对于所述焊接面的预压力，预压力大小为0.01MPa～0.5MPa；
c、对所述第一母材与第二母材的焊接部位局部加热，加热升温速率为5℃/s～50℃/s，达到设定温度后保温；
d、将所述预压力升至焊接压力，所述焊接压力高于所述预压力，且大于等于0.1MPa小于等于3MPa；
e、用超声压杆对第一母材施加相对于所述第二母材的超声振动；
f、超声振动完成后继续保温保压1～60秒，然后停止加热并继续保压至所述焊接部位冷却。
2.根据权利要求1所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述第一母材为铜合金或铜基复合材料、第二母材为铝合金或铝基复合材料；或者所述第一母材为铝合金或铝基复合材料、第二母材为铜合金或铜基复合材料；或者所述第一母材为不锈钢、第二母材选自铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料中的一种；或者第一母材选自铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料中的一种，第二母材为不锈钢。
3.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述步骤c中加热方式为中频或高频感应加热。
4.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述步骤c中的设定温度高于所述钎料的固相线温度5℃～100℃或高于所述钎料的液相线温度0℃～80℃。
5.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述步骤e中超声振动的频率为10kHz～40kHz、振幅为5μm～25μm，超声振动时间为0.5～60秒。
6.根据权利要求3所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述步骤e中超声振动的频率为10kHz～40kHz、振幅为5μm～25μm，超声振动时间为0.5～60秒。
7.根据权利要求4所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述步骤e中超声振动的频率为10kHz～40kHz、振幅为5μm～25μm，超声振动时间为0.5～60秒。
8.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：在步骤d将预压力升至焊接压力0～5秒后开始步骤e的施加超声振动。
9.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述第一母材、第二母材为管状材料，在所述步骤a之前还包括以下步骤：
a0、用扩孔器将第二母材的一端管口扩口，按照与所述扩口斜面同样角度将第一母材的一端加工出一个倒角，所述第一母材的倒角面和第二母材的扩口斜面为焊接面；或者，用扩孔器将第一母材的一端管口扩口，按照与所述扩口斜面同样角度将第二母材的一端加工出一个倒角，所述第一母材的扩口斜面和第二母材的倒角面为焊接面。
10.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述钎料为Sn-Zn系、Zn-Al系、Al-Si系合金中的一种或几种。
11.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：所述钎料为膏状，片状、棒状或者粉状。
12.根据权利要求1或2所述的异质金属材料间的钎焊方法，其特征在于：通过所述超声压杆直接施加预压力和焊接压力。
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