专利名称：一种用于金属材料的低温扩散焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种用于金属材料的低温扩散焊接方法，具体地说，涉及一种金属材 料自身表面纳米化后再进行扩散焊接的工艺，扩散焊接温度显著降低。
背景技术：
扩散焊接是指将两被焊工件紧压在一起，置于真空或保护气氛中，在一定的压力 和温度作用下，让原子相互扩散以实现牢固连接的一种固态焊接方法。
本发明所指的低温扩散焊接是指扩散焊接温度远低于传统高温扩散焊接的工艺 方法(例如，对于Cu，可望在300 40(TC实现扩散焊接，远低于80(TC的传统扩散焊接温 度)。表面纳米化为研发低温扩散焊接方法提供了独特的思路。本发明的基本构想是将表面 纳米化技术应用于扩散焊接，利用纳米结构的高扩散性和低晶粒长大温度来大幅度降低传 统扩散焊接方法的温度和压力，缩短保温时间，并提高焊接接头综合服役性能。低温扩散焊 接具有焊接温度低、保温时间短、压力小、生产效率高和接头强韧性能高等优点。低温扩散 焊接可望在实现焊接的同时部分保留纳米结构材料的优异性能，并在扩散焊接接头形成强 韧且性能优异的双模或多模显微组织，这必将有效提高扩散焊接接头的性能。同时，由于低 温扩散焊接温度低于金属材料退火温度，低温扩散焊接过程对焊接工件母材性能无影响。
扩散焊接过程可以分为三个阶段第一阶段，变形一接触阶段；第二阶段，扩散一 界面推移阶段；第三阶段，界面和孔洞消失阶段。在上述三个阶段中，第二阶段是主要阶段， 对扩散焊接接头的形成过程起决定性作用。被焊接表面紧密接触后，由于温度和压力的作 用，界面区的原子处于激活状态，发生界面区原子的相互扩散，逐渐形成以金属键为主要结 合形式的扩散焊接接头。但此时接头强度不高，必须继续扩散保温一定时间，使扩散层达到 一定深度。再通过回复、再结晶及晶界推移，形成牢固的冶金连接。可见，该阶段是扩散焊 接过程的控制阶段，如果能够提高被焊材料界面区域的扩散系数，同时降低界面区域的再 结晶(晶粒长大)温度，必将能够使扩散焊接在较低温度下进行，并且可以缩短保温时间，降 低压力，即实现低温扩散焊接。纳米结构材料所具有的高扩散性和低晶粒长大温度特性正 满足这些要求，使降低扩散焊接温度在现实中成为可能。发明内容
本发明的目的在于提供一种将自身表面纳米化运用到金属材料的扩散焊接工艺， 以降低金属材料低温扩散焊接的温度，并提高扩散焊接接头的综合机械性能。本发明所指 的低温扩散焊接工艺仅适用于能够进行基于表面严重塑性变形原理实现自身表面纳米化 处理的金属或合金材料。
具体地讲，本发明以能够实现自身表面纳米化金属材料为适用对象，采用自身表 面纳米化方法制备表面纳米晶结构，并将纳米结构表面作为焊接面进行扩散焊接，通过优 化扩散焊接温度、保温时间和压力等焊接规范得到具有工程应用价值的低温扩散焊接接 头。
—种用于金属材料的低温扩散焊接方法，其特征在于，包括如下步骤1)金属材料的准备选用能够实现自身表面纳米化的金属板材为扩散焊接的原材料， 用机械的方法将所述金属板材的待焊接表面抛光，粗糙度达到3. 2μπι以上；2)自身表面纳米化处理采用基于表面严重塑性变形原理的自身表面纳米化方法，在抛光处理后的所述金属板材的待焊接表面制备纳米结构表面层，得到表面 纳米化金属板材；3)扩散焊接将步骤2)所述的表面纳米化金属板材切割成合适的尺寸大小，并对纳米 化表面进行机械抛光，粗糙度达到3. 2μπι以上，然后将纳米化表面相接触，放置在真空或 还原气氛中，依次加压、升温进行扩散焊接。
所述自身表面纳米化方法包括表面机械研磨、高能喷丸和动态轧制方法。
所述扩散焊接的压力为2 20MPa。
所述扩散焊接的温度为300 800°C。
所述扩散焊接的保温时间是20 120min。
所述金属板材能够实现自身表面纳米化，如纯金属或合金。更具体地，可以是铜、 铁、铝、镁、钛、钴、镍或低碳钢。
扩散焊接接头组织为粗晶、细晶混合的多模显微组织结构，其综合力学性能优于 普通扩散焊接工艺制备的接头。
所述真空的真空度为3 10，所述还原气氛是氢气氛。
通过实验优化扩散焊接规范主要参数焊接温度、保温时间、扩散焊接压力，可以 得到综合力学性能优于传统扩散焊接工艺的接头。由于扩散焊接的温度降低，升温和降温 的时间都可以缩短，因此本发明可以降低扩散焊接生产成本，提高生产效率。
图1为铜低温扩散焊接接头横截面光学金相图片； 图2为铜低温扩散焊接接头拉伸断口 SEM图片。
具体实施方式
下面，通过以下实施例对本发明作进一步说明，它将有助于理解本发明，但并不限 制本发明的内容。
实施例1自身表面纳米化铜的低温扩散焊接。
(1)原材料的准备选用T2铜板作为自身表面纳米化低温扩散焊接的模型原材 料，用金相砂纸将铜板的一面抛光，得到光洁度满足要求的表面，待用。
(2)自身表面纳米化处理采用液氮温度下动态轧制工艺进行自身表面纳米化处 理，将铜板安装在动态轧制表面纳米化设备上，加入液氮冷却，进行动态轧制处理，最后，在 铜板的表面获得0. 4mm厚的纳米结构层。
(3)恒温恒压扩散焊接将步骤(2)处理后的铜板，以纳米化表面为焊接面进行扩 散焊接，焊接规范为，真空度ι χ IO-3Pa,焊接压力lOMPa，焊接温度400°C，扩散时间60min。
将表面纳米化铜低温扩散焊接接头沿横截面剖开，把横截面研磨、抛光并用腐蚀剂腐蚀，采用金相显微镜进行显微组织观察、分析。图1为焊接接头横截面的光学金相照 片，可见接头界面不易分辨，显微组织细小，部分晶粒跨界面生长，形成理想的接头组织。 表面纳米化铜低温扩散焊接接头拉伸断口典型形貌如图2所示，断口可见大量类似韧窝 结构，与热压烧结纳米晶铜拉伸断口相似，大量存在的类似韧窝结构显示表面纳米化铜在 400 V下已经形成综合性能较好的接头，且接头具有一定的塑性。
针对其他金属板材，操作条件可以下范围内调整扩散焊接的压力为2 20MPa， 扩散焊接的温度为300 800°C，扩散焊接的保温时间是20 120min。
权利要求
1.一种用于金属材料的低温扩散焊接方法，其特征在于，包括如下步骤1)金属材料的准备选用能够实现自身表面纳米化的金属板材为扩散焊接的原材料， 用机械的方法将所述金属板材的待焊接表面抛光，粗糙度达到3. 2μπι以上；2)自身表面纳米化处理采用基于表面严重塑性变形原理的自身表面纳米化方法，在抛光处理后的所述金属板材的待焊接表面制备纳米结构表面层，得到表面 纳米化金属板材；3)扩散焊接将步骤2)所述的表面纳米化金属板材切割成合适的尺寸大小，并对纳米 化表面进行机械抛光，粗糙度达到粗糙度3. 2 μ m以上，然后将纳米化表面相接触，放置在 真空或还原气氛中，依次加压、升温进行扩散焊接。
2.根据权利要求1所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述自身表面纳米化方法 包括表面机械研磨、高能喷丸和动态轧制方法。
3.根据权利要求1所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述扩散焊接的压力为2 20MPa。
4.根据权利要求1所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述扩散焊接的温度为 300 800"C。
5.根据权利要求1所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述金属材料是纯金属或I=I 巫 O
6.根据权利要求1所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述扩散焊接的接头组织 为粗晶、细晶混合的多模显微组织结构。
7.根据权利要求1所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述真空的真空度为3 10，所述还原气氛是氢气氛。
8.根据权利要求5所述的低温扩散焊接方法，其特征在于，所述金属材料是铜、铁、铝、 镁、钛、钴、镍或低碳钢。
全文摘要
本发明公开了一种用于金属材料的低温扩散焊接方法。该方法包括如下步骤1)扩散焊接材料的准备选用能够实现自身表面纳米化的金属板材为扩散焊接的原材料，用机械的方法将待焊接表面抛光，达到一定的粗糙度要求；2)自身表面纳米化处理采用基于表面严重塑性变形原理的自身表面纳米化方法，在板材的一个表面制备纳米结构表面层；3)扩散焊接将步骤2)处理的表面纳米化板材切割成合适的尺寸大小，并对纳米化表面进行机械抛光达到满足扩散焊接要求的粗糙度，准备进行低温扩散焊接。将纳米化表面相接触，放置在真空或还原气氛中，依次加压、升温进行扩散焊接。本发明可以降低扩散焊接生产成本，提高生产效率。
文档编号B23K20/02GK102039484SQ201010565128
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者于治水, 李 东 申请人:上海工程技术大学