一種用于異種金屬搭接的攪拌摩擦共晶反應(yīng)焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[00011 本發(fā)明涉及異種共晶金屬(如Cu/Al組合，Cu/Ti組合，Al/Zn組合，Al/Mg組合)搭接 焊接及其復(fù)合板制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅/鋁大面積搭接接頭（薄銅在上，厚鋁在下）在散熱器行業(yè)（如CPU行業(yè)）、電力行 業(yè)(輸電母線）、冶金行業(yè)(供電母線)等行業(yè)應(yīng)用極為廣泛。改善散熱器的散熱效果對提高 大型計(jì)算機(jī)CPU運(yùn)算速度具有重要的意義，通常采用在鋁合金散熱翅片反面釬焊一層5~ 6_厚的紫銅板，或者改用銅熱管外包鋁合金翅片結(jié)構(gòu)，以提高散熱效果，銅鋁接頭采用板-板或管-板搭接形式(參考文獻(xiàn)1)。在電力行業(yè)中為降低成本常用鋁代替銅，變壓器和放電 器等重要設(shè)備中引線端是銅母線，而一般電器線路中的導(dǎo)線多為鋁母線。鋁銅的連接通常 有機(jī)械連接和焊接，與機(jī)械連接方式相比，焊接具有結(jié)合強(qiáng)度高、界面電阻小、簡化施工及 安裝、方便維修等優(yōu)點(diǎn)(參考文獻(xiàn)2)。
[0003] Al/Cu復(fù)合困難在于：（1)易形成脆性金屬間化合物（IMC); (2)鋁表面氧化膜難以 去除。常見的熔焊方法無法用于大面積搭接，而且因脆性金屬間化合物導(dǎo)致接頭脆化，難以 獲得可靠的接頭。閃光焊只適于對接接頭，耗電大;燒化末期端部熔化深度有一定的隨機(jī)性 使殘留金屬間化合物的量難以控制，加之對頂鍛速度要求極高(沖擊式頂鍛），引起接頭性 能不穩(wěn)定，重復(fù)性差、接頭合格率低。采用鋁基釬料釬焊銅/鋁接頭時，盡管鋁側(cè)形成聯(lián)生結(jié) 晶，但在銅側(cè)及釬縫內(nèi)因出現(xiàn)CuAl 2而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。銅基釬料因熔點(diǎn)高而無法使用。鋅基 (Ζη-2Α1，Ζη-15Α1，Ζη-22Α1)或錫基軟釬料雖然釬焊溫度低，有利于降低金屬間化合物的形 成，但對鋁的潤濕性很差，常要求使用釬劑，如無腐蝕性釬劑KA1F 4-CsA1F4(參考文獻(xiàn)3、4)。 目前鋁_銅大面積搭接復(fù)合方法主要有乳制復(fù)合法(較多）和爆炸復(fù)合法(較少）（參考文獻(xiàn) 5)，此外還有申請者于2011年在國內(nèi)外刊物公開的攪拌摩擦釬焊（FSB: friction stir brazing)方法(參考文獻(xiàn)6)。
[0004] 乳制復(fù)合分為冷乳和熱乳。冷乳是指在室溫下進(jìn)行的乳制，由于乳制過程中要發(fā) 生大的變形量，因此為防止過量變形導(dǎo)致的開裂，冷乳前常要對基體金屬進(jìn)行退火處理(鋁 300 °C，保溫30min，爐冷;銅450°C，保溫30min，爐冷），且為增大界面的冶金結(jié)合率，降低變 形殘余應(yīng)力，乳制后也要進(jìn)行擴(kuò)散退火（150~350°C，保溫30min，爐冷），耗費(fèi)能源和工時 (參考文獻(xiàn)7、8);熱乳是指乳制溫度高于室溫100~300°C的乳制，熱乳在乳前要加熱母材， 導(dǎo)致浪費(fèi)能源，并使母材表面氧化，甚至惡化界面焊合質(zhì)量(參考文獻(xiàn)9、10 )，對于兩種趨向 于形成脆性化合物的金屬，復(fù)合過程的實(shí)施是致命的（參考文獻(xiàn)11)。趙鴻金，王達(dá)等人指出 因銅在高于室溫的環(huán)境中易生成延展性好、乳制時難以破除的氧化銅層，氧化膜的存在阻 礙金屬間的冶金結(jié)合，因此銅鋁不適合熱乳(參考文獻(xiàn)5)。
[0005] 爆炸焊對覆板金屬的厚度和基、覆板的結(jié)構(gòu)形狀有較高的要求，金屬鋁做覆板厚 度小于2mm時，基板與覆板間隙因覆板金屬撓度較大存在較大不均勻性、難以控制，最終的 結(jié)果是邊緣處難接觸，而中心部位被爆破。鋁-銅CPU散熱器，鋁型鰭片是通過擠壓成型的， 爆炸復(fù)合容易導(dǎo)致散熱器鰭片變形(參考文獻(xiàn)12)。此外爆炸焊接銅（15mm)/鋁（12mm)組合 時，由于銅基層較軟會產(chǎn)生一些直徑約為IOmm，深度約為3.5~4. Omm的凹坑，需焊后補(bǔ)焊修 復(fù)，且為避免鋁-銅界面溫度過度升高，鋁-銅復(fù)合區(qū)域的銅母材不能補(bǔ)焊修復(fù)，補(bǔ)焊修復(fù)只 能對鋁-銅復(fù)合區(qū)以外且距復(fù)合區(qū)域邊界30mm的銅面進(jìn)行修復(fù)(參考文獻(xiàn)13)。
[0006] 攪拌摩擦焊是一種短時加熱的固相焊接方法，能有效抑制異種金屬熔焊時出現(xiàn)的 過量脆性金屬間化合物，在鋁與異種金屬的焊接方面有很大的應(yīng)用潛力，且具有無電弧、全 數(shù)控的特點(diǎn)。但攪拌摩擦搭接焊比攪拌摩擦對接焊更加困難，主要表現(xiàn)在:界面氧化膜分散 與豎向混合不良（工具的旋轉(zhuǎn)方向和焊接界面是平行的）；針的磨損與斷裂;兩種母材因屈 服強(qiáng)度、軟化溫度與流動應(yīng)力不同導(dǎo)致的界面微孔與"鉤子"（Hook);單道焊接面積受限于 針的直徑(一般約5_左右)而很小(參考文獻(xiàn)14)。針對攪拌摩擦搭接焊的問題，申請人前期 研發(fā)了攬摔摩擦針焊(FSB:Friction stir brazing或FSS:Friction stir soldering)新 技術(shù)(參考文獻(xiàn)15、16)，它采用無針或短針工具消除堅(jiān)硬母材對工具的惡化磨損；同時綜合 利用釬料的冶金作用(膜下溶解與潛流）、工具的力學(xué)作用(鍛壓效應(yīng)與界面扭轉(zhuǎn)效應(yīng))實(shí)現(xiàn) 去膜、擠出釬料，可靠地獲得了厚度適中的擴(kuò)散層，從而降低了在實(shí)現(xiàn)界面混合方面對攪拌 及塑性變形的苛求，即使在無針的情況下也能獲得可靠的界面連接，也可用于制備雙金屬 復(fù)合板。
[0007] 然而，對于像散熱器類需要將銅置于外側(cè)，進(jìn)行銅/鋁大面積搭接組合(銅在上作 為摩擦面，鋁在下作為基板)的攪拌摩擦釬焊時，發(fā)現(xiàn)不僅表面成型差，而且斷裂載荷低。申 請者前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用錫做釬料的時候表面成形很差(焊道不光滑，焊道寬窄不均 勻;大部分焊道表面呈白色，表明上板銅母材被溶穿，伴有大小不等的溶蝕坑;黏附攪拌頭； 斷口雖有螺旋狀的攪拌痕跡，但斷口極為光滑）；當(dāng)采用鋅做釬料的時候，斷裂載荷很低(對 2mm厚的銅母材，3mm厚的錯母材，采用攪拌工具直徑D = 20mm，傾角3°，焊速150~375mm/ min，拉剪試樣搭接尺寸為20 X 20mm，斷裂載荷為0~1.69KN，其中235mm/min焊速所得部分 接頭在制樣中即自行開裂，斷裂載荷為〇)。
[0008] 另外，盡管申請者前期研發(fā)的攪拌摩擦釬焊工藝在鋁/鋼、鋁/不銹鋼、鋁/銅等不 同組合中都能獲得斷裂于鋁板母材內(nèi)而非焊接界面的良好搭接接頭，但需預(yù)置釬料，增加 了材料成本，而且釬料預(yù)置前需打磨清理，降低了生產(chǎn)效率。
[0009] 參考文獻(xiàn)：
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