一种铜及铜合金与钢的低真空扩散焊方法与流程

本发明涉及金属材料的连接技术领域，尤其是涉及一种铜及铜合金与钢的低真空扩散焊方法。

背景技术：

铜及铜合金具有优异的延展性、减摩性、导电导热性能，广泛应用于轴瓦、衬套、滑动轴承、热交换器、火箭推力室、复合管道、弹带、电极等众多领域。然而铜及铜合金强度低易变形，难以满足工程要求。同时，随着铜资源的大量开发利用，其价格逐年升高，这些问题严重制约着其长远发展。钢材价格便宜且具有较高的强度，为此，工程上常将铜/钢异类金属连接复合材料使用。

铜及铜合金与钢的连接可采用熔焊、钎焊及扩散焊等方法。由于铜、钢两种材料在化学及热物理性能等方面有显著差异，使其焊接冶金过程极其复杂，铜及铜合金与钢的熔焊主要存在铜侧难熔合、热裂纹和母材性能下降等问题，在铜及铜合金与不锈钢焊接时还会产生渗透裂纹。钢与铜及铜合金较精密的焊接，宜采用钎焊，但钎焊时易降低接头的耐腐蚀性能，接头强度较低，使用范围受到一定限制。铜及铜合金与钢的扩散焊可克服熔焊和钎焊时存在的不足，获得高质量的接头，但由于铜及铜合金与O₂的亲和力大，其与钢的扩散焊需要较高的真空度和焊接温度。扩散焊常用的工艺参数为：真空度为10^-2～10^-5Pa，焊接温度为850～950℃，保温时间20～60min，焊接压力5MPa。对于10^-2～10^-5Pa的真空度，一方面扩散焊炉需要配备昂贵的高真空系统，生产成本高，扩散炉抽到此真空度下时间长，生产效率低；另一方面在高温高真空度条件下，铜及铜合金中的Cu和其他合金元素容易挥发，黏附在扩散炉壁、炉膛或扩散炉加热电阻丝上，不仅污染扩散炉，还会影响加热电阻丝的导电性能，损坏扩散炉的使用性能。

技术实现要素：

本发明的目的正是为解决铜及铜合金与钢扩散焊时成本高、效率低和元素易挥发等问题，而提供一种用于铜及铜合金与钢的低真空扩散焊方法。本发明可以在低真空低焊接温度条件下，实现铜及铜合金与钢的扩散连接，焊接过程中无元素挥发。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种铜及铜合金与钢的低真空扩散焊方法，包括如下步骤：

（1）、将铜/铜合金、钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、砂纸打磨和酒精中超声波清洗，之后吹干备用；

（2）、将铜/铜合金与钢的待焊面对接组装，在对接面之间铺设去膜剂或含有去膜剂的金属夹层，装配得到连接件；

所述去膜剂为B、Li、B₂O₃、H₃BO₃、KF、LiF、AlF₃、CaF₂或硼酸盐中的至少一种；

（3）、将连接件放在扩散焊炉的上压头和下压头之间，对连接件施加1.0～1.5Mpa的预压力，关闭炉门；

（4）、对扩散焊炉抽真空至炉中真空度不高于800Pa时，开始加热，加热速率为5～12℃/min，当炉内温度达到600～850℃时，对连接件施加4～10Mpa的轴向压力，保温保压6～30min；

（5）、连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件。

进一步地，步骤（2）中，所述含有去膜剂的金属夹层为表面涂覆去膜剂的金属箔、与去膜剂均匀混合的金属粉末、表面涂覆去膜剂的金属镀膜中的任一种，所述金属镀膜为喷涂或电镀在铜/铜合金或钢表面的金属层。

所述去膜剂在金属箔、金属镀膜表面上的涂覆方式为喷撒、刷涂或喷涂。

所述金属箔、金属粉末或金属镀膜所采用的金属为Ni。

本发明中所述去膜剂的功能为：整个扩散焊过程中，去膜剂可与待焊面周围环境气氛中的氧或待焊面上的金属氧化物反应，具有去除金属氧化物的作用。

本发明的有益效果如下：

（1）、本发明提供的一种铜及铜合金与钢的低真空扩散焊方法，所需焊接环境真空度不高于800Pa，不需要昂贵的真空设备投入，生产成本低，真空抽取时间短，生产效率高。

（2）、本发明在低真空度和低焊接温度下完成了铜/铜合金与钢的扩散焊连接，使铜/铜合金中的Cu和其他合金元素不容易挥发，保持了炉内清洁，保证了使用性能，延长了扩散炉寿命。

（3）、本发明的去膜剂在高温时可去除铜/铜合金与钢待焊面上的氧化膜，增加铜/铜合金与钢之间的扩散速率，缩短扩散连接时间，连接效率高。

附图说明

图1是本发明的铜/铜合金与钢在低真空扩散焊时的结构示意图；

图2是本发明的表面涂覆去膜剂的金属箔结构示意图；

图3是本发明的与去膜剂均匀混合的金属粉末的示意图；

图4是本发明的表面涂覆去膜剂的金属镀膜的结构示意图；

附图标记如下：1—上压头；2—铜或铜合金；3—去膜剂；4—钢；5—下压头；6—金属箔；7—金属粉末；8—金属镀膜。

具体实施方式

实施例1

将铬青铜与45号钢进行低真空扩散焊。

步骤一，将铬青铜和45号钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、砂纸打磨和酒精中超声波清洗，冷风吹干；步骤二、将铬青铜与45号钢的待焊面对接组装，在对接面之间撒涂一层粉状去膜剂，去膜剂成分为：按质量百分比计，B₂O₃ 45%～47%，H₃BO₃ 38%～40%，KF 14%～16%，装配得到连接件；步骤三、将连接件放在扩散焊炉的上压头和下压头之间，施加1.0MPa预压力，关闭炉门；步骤四、扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到800Pa时，开启加热，加热速率为5℃/min，当炉内温度达到600℃时，对连接件施加4MPa轴向压力，保温保压30min；步骤五、连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现铬青铜与45号钢的低真空扩散焊。

焊后接头的测试结果为：（1）真空扩散焊接头无缺陷，焊合率高；（2）室温接头抗拉强度为193.5MPa，延伸率为30%；（3）焊接过程中无元素挥发，扩散炉无污染。

实施例2

将尺寸为φ12.0×1.0mm的H62黄铜管与尺寸为φ16.0×3.0mm的20号钢管低温扩散焊。

步骤一、将H62黄铜管和20号钢管的待焊面依次采用5% NaOH溶液碱洗、5% HCl溶液酸洗、用80#到1500#砂纸打磨，然后酒精中超声波清洗，冷风吹干备用；步骤二、将H62黄铜管与20号钢管的待焊面对接组装，在对接面之间铺设一层含有去膜剂的Ni粉，去膜剂和Ni粉的质量比为1：10，去膜剂的成分为：按质量百分比计，B 28%～30%，Na₂B₄O₇ 50%～52%，AlF₃ 19%～21%，装配得到连接件；步骤三、将连接件放在扩散焊炉的上压头与下压头之间，施加1.5MPa预压力，关闭炉门；步骤四、扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到400Pa时，开始加热，加热速率为12℃/min，当炉内温度达到650℃时，对连接件施加10MPa轴向压力，保温保压6min；步骤五、连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现H62黄铜管和20号钢管的低真空扩散焊。

焊后接头的测试结果为：（1）H62黄铜管和20号钢管扩散焊接头存在元素间的相互扩散，界面处无缺陷，具有良好的冶金结合；（2）室温接头抗剪强度为325MPa；（3）扩散焊接过程中无元素挥发，扩散炉无污染。

实施例3

将T2紫铜与1Cr18Ni9Ti钢低温扩散焊。

步骤一、将T2紫铜与1Cr18Ni9Ti钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、砂纸打磨和酒精中超声波清洗，吹干备用；步骤二、将T2紫铜与1Cr18Ni9Ti钢的待焊面对接组装，在对接面之间铺设含有去膜剂的Ni箔，Ni箔厚度为0.1mm，Ni箔两侧刷涂去膜剂，去膜剂成分为：按质量百分比计，B₂O₃ 65%～67%，Na₂B₄O₇ 18%～20%，CaF₂ 14%～16%，装配得到连接件；步骤三、将连接件放在扩散焊炉的上压头与下压头之间，施加1.2MPa预压力，关闭炉门；步骤四、扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到500Pa时，开始加热，加热速率为10℃/min，当炉内温度达到850℃时，对连接件施加5MPa轴向压力，保温保压15min；步骤五、连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现T2紫铜与1Cr18Ni9Ti钢的低真空扩散焊。

焊后接头的测试结果为：（1）扩散焊接头中Fe/Ni界面区形成共晶体，Cu/Ni界面形成固溶体，接头结合良好；（2）室温接头抗剪强度为412MPa；（3）扩散焊接过程中无元素挥发，扩散炉无污染。

实施例4

将锡青铜与45号钢低温扩散焊。

步骤一、将锡青铜与45号钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、砂纸打磨和酒精中超声波清洗，吹干备用；步骤二、在45号钢表面电镀厚度为0.05mm 的Ni膜，Ni膜表面刷涂去膜剂，去膜剂成分为：按质量百分比计，B 18%～20%，B₂O₃ 65%～67%，CaF₂ 14%～16%，将锡青铜与电镀Ni膜的45号钢的待焊面对接组装，装配得到连接件；步骤三、将连接件放在扩散焊炉的上压头与下压头之间，施加1.0MPa预压力，关闭炉门；步骤四、扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到600Pa时，开始加热，加热速率为8℃/min，当炉内温度达到800℃时，对连接件施加7MPa轴向压力，保温保压12min；步骤五、连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现锡青铜与45号钢的低温扩散焊。

焊后接头的测试结果为：（1）Ni在锡青铜和45号钢之间都有了一定程度的相互扩散，并在Ni/Fe及Ni/Cu界面上形成一定厚度的扩散层，同时可以看到锡青铜中的合金元素Sn在Ni/Cu界面上聚集，形成低熔共晶物；（2）室温接头抗剪强度为336MPa；（3）扩散焊接过程中无元素挥发，扩散炉无污染。