CN114406521B - 用于铜铝钎焊的复合层材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钎焊技术领域，具体而言，涉及用于铜铝钎焊的复合层材料及其制备方法和应用。用于铜铝钎焊的复合层材料包括依次层叠设置的铝材料层、铁材料层和铜材料层；所述铝材料层的材质包括金属铝和/或铝合金；所述铁材料层的材质包括金属铁和/或钢；所述铜材料层的材质包括金属铜和/或铜合金。采用该复合层材料用于铜和铝的钎焊连接，不需要镀镍或镀铜，具有成本低和环保等优点。
Description
技术领域
本发明涉及钎焊技术领域，具体而言，涉及用于铜铝钎焊的复合层材料及其制备方法和应用，更具体地，涉及用于铜铝钎焊的复合层材料、用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法以及铜母材和铝母材的钎焊方法。
背景技术
铝合金具有重量轻、强度高、成本低等特点。纯铜具有导热系数高、密度大、成本高等特点。在铝基体上钎焊一块铜材制成均温板，将其制成热交换设备，这样不仅具有低成本、轻量化的优点，而且还能够提高换热效率。
然而，铝表面和铜表面均很容易生成一层致密的氧化膜，钎焊时需要去除氧化膜，但是铝和铜的去氧化膜的钎剂和钎焊工艺要求不同，因此，把铝和铜通过钎焊连接为一体较为困难。
现有技术中将铝和铜进行钎焊，往往需要在铝的表面镀镍，用镀镍层隔离铝氧化膜。但是，镀镍不仅成本高，而且还容易造成环境污染。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种用于铜铝钎焊的复合层材料，采用该复合层材料用于铜和铝的钎焊连接，不需要镀镍或镀铜，具有成本低和环保等优点。
本发明的第二目的在于提供用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法，该方法具有操作简单，成本低，以及制得的复合层材料稳定性好、不易分层、可靠性高等优点。
本发明的第三目的在于提供一种铜母材和铝母材的钎焊方法，采用该方法将铜母材和铝母材进行钎焊，连接强度高，可靠性好；并且，无需镀镍，既节约了成本，又环保。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种用于铜铝钎焊(即钎焊连接铜母材和铝母材)的复合层材料，如图1所示，所述复合层材料包括依次层叠设置的铝材料层、铁材料层和铜材料层。
所述铝材料层、铁材料层和铜材料层形成一个整体，这个整体即为所述复合层材料。
具体地，所述铁材料层设置在所述铝材料层和所述铜材料层之间。顶层可以为铜材料层，也可以为铝材料层；底层可以为铜材料层，也可以为铝材料层。当顶层为铜材料层时即底层为铝材料层；当底层为铜材料层时即顶层为铝材料层。在具体钎焊的过程中，只需使铝材料层与铝母材进行钎焊连接，使铜材料层与铜母材进行钎焊连接即可。
其中，所述铝材料层的材质包括金属铝(即纯铝)和/或铝合金；
所述铁材料层的材质包括金属铁(即纯铁)和/或钢；
所述铜材料层的材质包括金属铜(即纯铜)和/或铜合金。
本发明所提供的复合层材料，将其用于钎焊铜母材(包括纯铜母材和/或铜合金母材)和铝母材(包括纯铝母材和/或铝合金母材)时，无需镀镍，因此在降低成本的同时还避免了对环境造成污染。
并且，采用该复合层材料钎焊连接铜母材和铝母材，连接强度更高，可靠性更好。
具体地，铝材料层可与铝母材实现同种金属钎焊；铜材料层可与铜母材实现同种金属软钎焊。铁材料层可在钎焊过程中隔离铜材料层和铝材料层，防止铜材料层和铝材料层高温扩散熔化或生成脆性化合物，同时，铁和/或钢与另外两层轧制成型的可行性好，且铁和钢容易获得、成本低。
优选地，所述铝合金包括1000系、3000系和6000系中的至少一种。
1000系铝合金中铝含量相对较多，其成本相对较低。优选地，所述1000系铝合金包括1050系铝合金和/或1100系铝合金。
3000系铝合金中含有锰，是一种防锈功能较好的合金。优选地，所述3000系铝合金包括3003系铝合金和/或3005系铝合金。
6000系铝合金的可使用性好，加工性好。优选地，所述6000系铝合金包括6060系铝合金和/或6063系铝合金。
优选地，所述钢包括不锈钢、45钢和Q235钢中的至少一种。
其中，Q235钢即普通碳素结构钢，又称作A3钢。其含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和钎焊等性能也较好。
45钢是一种优质碳素结构钢，其相比普通A3钢，具有更高的强度，抗变形能力。
不锈钢是以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5％，碳含量最大不超过1.2％的钢。优选为304不锈钢。
在本发明一些优选地实施方式中，所述钢选择线膨胀系数较大的钢材，这样能够减少钎焊过程中的热应力。
优选地，所述铜合金包括紫铜、黄铜和白铜中的至少一种。
其中，紫铜又名红铜，具有很好的导电性和导热性，塑性极好，易于热压和冷压力加工。通过加入少量脱氧元素或其他元素能够改善材质和性能。
黄铜是由铜和锌所组成的合金，由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜，如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜，黄铜有较强的耐磨性能。
白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。
采用上述合金种类，有利于保证钎焊接头的连接强度。
优选地，所述复合层材料的形状为平板状(或片状)。
优选地，所述铝材料层的厚度不小于0.1mm；包括但不限于0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、5mm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
优选地，所述铁材料层的厚度为0.01～0.5mm；包括但不限于0.02mm、0.04mm、0.05mm、0.07mm、0.09mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、1.18mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
优选地，所述铜材料层的厚度不小于0.01mm，包括但不限于0.02mm、0.04mm、0.05mm、0.07mm、0.08mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、3mm、4mm、5mm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
所述复合层材料的各层采用上述范围的厚度，有利于保证钎焊后焊缝的性能，尤其是提高了连接强度。
本发明还提供了一种如上所述的用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法，包括如下步骤：
将铝材料层所用的原料(即金属铝和/或铝合金)、铁材料层所用的原料(即金属铁和/或钢)和铜材料层所用的原料(即金属铜和/或铜合金)依次层叠放置后进行轧制复合，得到所述复合层材料。
通过采用轧制复合制得的复合层材料稳定性好、可靠性高、不易分层，且该制备方法具有操作简单、成本低等优点。
本发明通过采用轧制复合工艺，能使各层金属之间形成牢固的冶金结合，从而使制得的复合层材料具有非常高的结合强度。
并且，上述制备方法可实现大规模生产，从而可降低成本。
此外，厚度公差可控，可以根据需要定制所需的厚度和厚度比例。
其中，在所述层叠放置的过程中，使铁材料层所用的原料(即金属铁和/或钢)置于铝材料层所用的原料(即金属铝和/或铝合金)和铜材料层所用的原料(即金属铜和/或铜合金)之间。
轧制是一种金属加工工艺，待轧制的金属在经过轧辊后会产生变形，从而使金属具有一定的尺寸、形状和性能。
优选地，所述轧制复合包括热轧复合和/或冷轧复合。
所述热轧复合是指两种或两种以上的金属材料用热轧法生产复合材料的工艺，热轧复合的工艺过程包括组元层坯料选择及准备(即铝材料层所用的原料、铁材料层所用的原料和铜材料层所用的原料的选择和层叠放置)、加热、轧制和轧制后热处理。
所述冷轧复合是指两种或两种以上的金属材料用冷轧法生产固相复合材料的工艺。冷轧复合材料的厚度比均匀，结合面平坦无浪形，产品性能稳定。
在本发明一些具体的实施例中，先将铝材料层所用的原料(即金属铝和/或铝合金)、铁材料层所用的原料(即金属铁和/或钢)和铜材料层所用的原料(即金属铜和/或铜合金)依次层叠放置，然后进行热轧复合，最后再进行冷轧复合。这样制得的复合层材料稳定性更好，更不易分层。
优选地，所述热轧复合的温度为500～550℃，包括但不限于505℃、510℃、515℃、520℃、525℃、530℃、535℃、540℃、545℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
在本发明一些优选地实施方式中，所述的用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法，具体包括如下步骤：
将铝材料层所用的原料(即金属铝和/或铝合金)、铁材料层所用的原料(即金属铁和/或钢)和铜材料层所用的原料(即金属铜和/或铜合金)分别进行表面处理(铣床加工)，然后将经过表面处理后的这三种材料依次层叠(堆叠)放置，再依次进行热轧(500～550℃)、冷轧(中间退火)、冷轧、退火和裁剪，即得到所述用于铜铝钎焊的复合层材料。
本发明还提供了一种铜母材和铝母材的钎焊方法，采用如上所述的用于铜铝钎焊的复合层材料，或者，如上所述的用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法所制得的复合层材料进行钎焊。
采用该方法将铜母材和铝母材进行钎焊，连接强度高，可靠性好；并且，无需镀镍，既节约了成本，又环保。
优选地，所述铜母材所用的材质包括纯铜和/或铜合金。更优选地，所述铜合金包括紫铜、黄铜和白铜中的至少一种。
优选地，所述铝母材所用的材质包括纯铝和/或铝合金。更优选地，所述铝合金包括1000系、3000系和6000系中的至少一种。
优选地，所述钎焊方法具体包括如下步骤：
如图2所示，将硬钎料和/或硬钎剂置于所述铝母材和所述复合层材料的铝材料层之间，并使铝母材和铝材料层尽量贴合，用钎焊夹具固定好，放入硬钎焊装置中加热、保温、冷却，完成硬钎焊连接(即完成铝母材和复合层材料的铝材料层面的连接，铝母材侧一般是热交换器或冷却器)；然后，如图3所示，将软钎料和/或软钎剂置于所述铜母材和上述步骤中经过硬钎焊后的复合层材料的铜材料层之间，并使铜母材和铜材料层尽量贴合(配合间隙小于0.2mm，优选小于0.1mm)，用钎焊夹具固定好，放入软钎焊装置中加热、保温、冷却，完成软钎焊连接(即完成铜母材和复合层材料的铜材料层面的连接，铜母材的作用是把发热元器件的热量传导到热交换器)。
本发明通过设置复合层材料，使铝母材和复合层材料的铝材料层进行硬钎焊，使铜母材和复合层材料的铜材料层进行软钎焊，将异种金属钎焊转化为同种金属钎焊，不仅降低了钎焊难度，而且可靠性更好，得到的钎焊接头的强度更高，还降低了成本，更加环保。
优选地，所述硬钎焊包括真空钎焊、氮气保护钎焊、火焰焊和高频焊中的至少一种；
优选地，所述软钎焊包括回流焊、火焰焊和高频焊中的至少一种。
优选地，所述回流焊包括氮气保护回流焊、真空回流焊和真空气相回流焊中的至少一种。
在本发明一些具体的实施例中，当硬钎焊采用真空钎焊时，则不需要使用钎剂，利用高温高真空条件下材料中Mg的挥发去氧化膜。
优选地，所述硬钎剂包括氟铝酸钾和/或氟铝酸铯；
优选地，所述硬钎料包括Al-Si钎料和/或Zn-Al钎料。
其中，所述Al-Si钎料包括铝硅镁钎料4004、铝硅镁钎料4104、铝硅镁钎料4147、铝硅钎料4045、铝硅钎料4047和铝硅钎料4343中的至少一种。
更优选地，所述铝基钎料包括铝硅钎料、铝硅铜钎料、铝硅镁钎料和铝硅锌钎料中的至少一种。
优选地，所述软钎剂包括有机物软钎剂和/或无机物软钎剂。
其中，有机物软钎剂是指添加了有机酸、有机胺盐、胺和酰胺类有机物、天然树脂等中的至少一种的软钎剂。
优选地，所述有机物软钎剂包括松香基钎剂。所述松香基钎剂是指至少包括松香(是松树科植物中的一种油树松脂)成分的钎剂。优选地，所述松香基钎剂中还添加有活化剂、溶剂以及和流变添加剂中的至少一种。
无机物软钎剂是指添加了无机酸和/或无机盐的软钎剂。
优选地，所述软钎料包括锡基钎料。
优选地，所述锡基钎料包括Sn-Ag-Cu合金钎料和/或Sn-Bi合金钎料。
优选地，所述铜母材、所述铝母材和所述复合层材料经过剪切处理和/或冲压加工，以加工成型，得到所需的形状和尺寸。
优选地，所述铜母材、所述铝母材和所述复合层材料还经过脱脂处理。所述脱脂处理的目的是去除所述铜母材、所述铝母材和所述复合层材料表面的油污。
在本发明一些具体的实施例中，所述硬钎剂和/或所述硬钎料的状态可以是膏状、块状或粉末状(颗粒状)，也可以是通过轧制复合得到的片状或平板状。
在本发明一些具体的实施例中，所述软钎剂和/或所述软钎料的状态可以是膏状、块状或粉末状(颗粒状)，也可以是通过轧制复合得到的片状或平板状。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的用于铜铝钎焊的复合层材料，将其用于钎焊铜母材和铝母材时，无需镀镍，不仅降低了成本，而且还可避免对环境造成污染。
(2)本发明所提供的用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法，通过采用轧制复合工艺，能使各层金属之间形成牢固的冶金结合，从而使制得的复合层材料稳定性好，可靠性高，不易分层。
(3)本发明所提供的铜母材和铝母材的钎焊方法，通过使铝母材和复合层材料的铝材料层进行硬钎焊，使铜母材和复合层材料的铜材料层进行软钎焊，将异种金属钎焊转化为同种金属钎焊，不仅降低了钎焊难度，而且可靠性更好，连接强度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的复合层材料的结构示意图；
图2为本发明提供的复合层材料在钎焊过程中的使用示意图；
图3为本发明提供的复合层材料在钎焊过程中的另一使用示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
图1为本发明提供的复合层材料的结构示意图；图2为本发明提供的复合层材料在钎焊过程中的使用示意图；图3为本发明提供的复合层材料在钎焊过程中的另一使用示意图。
实施例1
本实施例所提供的用于铜铝焊接的复合层材料为平板状，其包括依次层叠设置的铝材料层(厚度为0.2mm)、铁材料层(厚度为0.1mm)和铜材料层(厚度为0.1mm)。其中，所述铝材料层的材质为3003系铝合金；所述铁材料层的材质为钢(45钢)；所述铜材料层的材质为紫铜T2。
该复合层材料的制备方法包括：将3003系铝合金、45钢和紫铜T2分别进行表面处理(铣床加工)，然后将经过表面处理后的这三种材料依次层叠(堆叠)放置，再依次进行热轧(530℃)、冷轧(中间退火)、冷轧、退火和裁剪，得到所述复合层材料。
实施例2
本实施例所提供的用于铜铝钎焊的复合层材料为片状，其包括依次层叠设置的铝材料层(厚度为0.5mm)、铁材料层(厚度为0.1mm)和铜材料层(厚度为0.8mm)。其中，所述铝材料层的材质为6060系铝合金；所述铁材料层的材质为304不锈钢；所述铜材料层的材质为紫铜T2。
该复合层材料的制备方法包括：将6060系铝合金、304不锈钢和紫铜T2分别进行表面处理(铣床加工)，然后将经过表面处理后的这三种材料依次层叠(堆叠)放置，再依次进行热轧(550℃)、冷轧(中间退火)、冷轧、退火和裁剪，得到所述复合层材料。
实施例3
本实施例所提供的铜母材(紫铜T2)和铝母材(6060系铝合金)的钎焊方法包括：
(1)将铜母材、铝母材和实施例1制得的复合层材料通过剪切和冲压的方式加工成型，并进行脱脂处理，去除表面油污；
(2)在铝母材和复合层材料的铝材料层之间放入硬钎料(铝硅镁钎料4004)，并使铝母材和铝材料层尽可能地贴合，配合间隙小于0.1mm；然后将其用钎焊夹具固定好，再放入硬钎焊装置中，采用真空钎焊的方法，依次进行抽真空到3×10-3Pa、加热、保温和冷却，完成硬钎焊连接；
(3)在铜母材和步骤(2)经过硬钎焊后的复合层材料的铜材料层之间放入软钎料片(锡基钎料Sn99.0Ag0.3Cu0.7表面喷涂松香基软钎剂)，并使铜母材与铜材料层尽可能地贴合；再将其用钎焊夹具固定好，然后放入软钎焊设备中，采用高频焊的方法，依次进行加热、保温和冷却，完成软钎焊连接。
实施例4
本实施例所提供的铜母材(紫铜T2)和铝母材(3003系铝合金)的钎焊方法包括：
(1)将铜母材、铝母材和实施例2制得的复合层材料通过剪切和冲压的方式加工成型，并进行脱脂处理，去除表面油污；
(2)在铝母材和复合层材料的铝材料层之间放入硬钎料(铝硅钎料4045)和硬钎剂(氟铝酸钾)，并使铝母材和铝材料层尽可能地贴合；然后将其用钎焊夹具固定好，再放入硬钎焊装置中，采用氮气保护钎焊的方法，依次进行加热、保温和冷却，完成硬钎焊连接；
(3)在铜母材和步骤(2)经过硬钎焊后的复合层材料的铜材料层之间放入软钎料膏(锡基钎料Sn42Bi58粉，混合松香基钎剂，混合比例9:1)，并使铜母材与铜材料层尽可能地贴合；再将其用钎焊夹具固定好，然后放入软钎焊设备中，采用回流焊的方法，依次进行加热、保温和冷却，完成软钎焊连接。
本发明所提供的用于铜铝钎焊的复合层材料，由于是同种金属钎焊，因此钎焊的结合强度更好，孔隙率更低，也就是说，最终的钎焊连接强度会更高。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (16)
1.用于铜铝钎焊的复合层材料，其特征在于，所述复合层材料由依次层叠设置的铝材料层、铁材料层和铜材料层组成；
其中，所述铝材料层的材质包括金属铝和/或铝合金；
所述铁材料层的材质包括金属铁和/或钢；
所述铜材料层的材质包括金属铜和/或铜合金；
所述铁材料层的厚度为0.01~0.5mm；
所述铝材料层的厚度不小于0.1mm；
所述铜材料层的厚度不小于0.01mm；
采用所述用于铜铝钎焊的复合层材料进行钎焊，钎焊方法包括如下步骤：将硬钎料置于铝母材和所述复合层材料的铝材料层之间，或者将硬钎料和硬钎剂置于铝母材和所述复合层材料的铝材料层之间，进行硬钎焊；然后将软钎料和软钎剂置于铜母材和所述复合层材料的铜材料层之间，进行软钎焊。
2.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述铝合金包括1000系、3000系和6000系中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述钢包括不锈钢、45钢和Q235钢中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述铜合金包括紫铜、黄铜和白铜中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述复合层材料的形状为平板状。
6.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述硬钎焊包括真空钎焊、氮气保护钎焊、火焰焊和高频焊中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述软钎焊包括回流焊、火焰焊和高频焊中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述硬钎剂包括氟铝酸钾和/或氟铝酸铯。
9.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述硬钎料包括Al-Si钎料和/或Zn-Al钎料。
10.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述软钎剂包括有机物软钎剂和/或无机物软钎剂。
11.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述软钎料包括锡基钎料。
12.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述铜母材、所述铝母材和所述复合层材料经过剪切处理和/或冲压加工。
13.根据权利要求1所述的复合层材料，其特征在于，所述铜母材、所述铝母材和所述复合层材料经过脱脂处理。
14.如权利要求1~13任一项所述的用于铜铝钎焊的复合层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铝材料层所用的原料、铁材料层所用的原料和铜材料层所用的原料依次层叠放置后进行轧制复合，得到所述复合层材料。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述轧制复合包括热轧复合和/或冷轧复合。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述热轧复合的温度为500~550℃。
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