一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法
【技术领域】
[00011 本发明涉及异种共晶金属(如Cu/Al组合，Cu/Ti组合，Al/Zn组合，Al/Mg组合)搭接 焊接及其复合板制备方法。
【背景技术】
[0002] 铜/铝大面积搭接接头（薄铜在上，厚铝在下）在散热器行业（如CPU行业）、电力行 业(输电母线）、冶金行业(供电母线)等行业应用极为广泛。改善散热器的散热效果对提高 大型计算机CPU运算速度具有重要的意义，通常采用在铝合金散热翅片反面钎焊一层5~ 6_厚的紫铜板，或者改用铜热管外包铝合金翅片结构，以提高散热效果，铜铝接头采用板-板或管-板搭接形式(参考文献1)。在电力行业中为降低成本常用铝代替铜，变压器和放电 器等重要设备中引线端是铜母线，而一般电器线路中的导线多为铝母线。铝铜的连接通常 有机械连接和焊接，与机械连接方式相比，焊接具有结合强度高、界面电阻小、简化施工及 安装、方便维修等优点(参考文献2)。
[0003] Al/Cu复合困难在于：（1)易形成脆性金属间化合物（IMC); (2)铝表面氧化膜难以 去除。常见的熔焊方法无法用于大面积搭接，而且因脆性金属间化合物导致接头脆化，难以 获得可靠的接头。闪光焊只适于对接接头，耗电大;烧化末期端部熔化深度有一定的随机性 使残留金属间化合物的量难以控制，加之对顶锻速度要求极高(冲击式顶锻），引起接头性 能不稳定，重复性差、接头合格率低。采用铝基钎料钎焊铜/铝接头时，尽管铝侧形成联生结 晶，但在铜侧及钎缝内因出现CuAl 2而导致裂纹产生。铜基钎料因熔点高而无法使用。锌基 (Ζη-2Α1，Ζη-15Α1，Ζη-22Α1)或锡基软钎料虽然钎焊温度低，有利于降低金属间化合物的形 成，但对铝的润湿性很差，常要求使用钎剂，如无腐蚀性钎剂KA1F 4-CsA1F4(参考文献3、4)。 目前铝_铜大面积搭接复合方法主要有乳制复合法(较多）和爆炸复合法(较少）（参考文献 5)，此外还有申请者于2011年在国内外刊物公开的搅拌摩擦钎焊（FSB: friction stir brazing)方法(参考文献6)。
[0004] 乳制复合分为冷乳和热乳。冷乳是指在室温下进行的乳制，由于乳制过程中要发 生大的变形量，因此为防止过量变形导致的开裂，冷乳前常要对基体金属进行退火处理(铝 300 °C，保温30min，炉冷;铜450°C，保温30min，炉冷），且为增大界面的冶金结合率，降低变 形残余应力，乳制后也要进行扩散退火（150~350°C，保温30min，炉冷），耗费能源和工时 (参考文献7、8);热乳是指乳制温度高于室温100~300°C的乳制，热乳在乳前要加热母材， 导致浪费能源，并使母材表面氧化，甚至恶化界面焊合质量(参考文献9、10 )，对于两种趋向 于形成脆性化合物的金属，复合过程的实施是致命的（参考文献11)。赵鸿金，王达等人指出 因铜在高于室温的环境中易生成延展性好、乳制时难以破除的氧化铜层，氧化膜的存在阻 碍金属间的冶金结合，因此铜铝不适合热乳(参考文献5)。
[0005] 爆炸焊对覆板金属的厚度和基、覆板的结构形状有较高的要求，金属铝做覆板厚 度小于2mm时，基板与覆板间隙因覆板金属挠度较大存在较大不均匀性、难以控制，最终的 结果是边缘处难接触，而中心部位被爆破。铝-铜CPU散热器，铝型鳍片是通过挤压成型的， 爆炸复合容易导致散热器鳍片变形(参考文献12)。此外爆炸焊接铜（15mm)/铝（12mm)组合 时，由于铜基层较软会产生一些直径约为IOmm，深度约为3.5~4. Omm的凹坑，需焊后补焊修 复，且为避免铝-铜界面温度过度升高，铝-铜复合区域的铜母材不能补焊修复，补焊修复只 能对铝-铜复合区以外且距复合区域边界30mm的铜面进行修复(参考文献13)。
[0006] 搅拌摩擦焊是一种短时加热的固相焊接方法，能有效抑制异种金属熔焊时出现的 过量脆性金属间化合物，在铝与异种金属的焊接方面有很大的应用潜力，且具有无电弧、全 数控的特点。但搅拌摩擦搭接焊比搅拌摩擦对接焊更加困难，主要表现在:界面氧化膜分散 与竖向混合不良（工具的旋转方向和焊接界面是平行的）；针的磨损与断裂;两种母材因屈 服强度、软化温度与流动应力不同导致的界面微孔与"钩子"（Hook);单道焊接面积受限于 针的直径(一般约5_左右)而很小(参考文献14)。针对搅拌摩擦搭接焊的问题，申请人前期 研发了揽摔摩擦针焊(FSB:Friction stir brazing或FSS:Friction stir soldering)新 技术(参考文献15、16)，它采用无针或短针工具消除坚硬母材对工具的恶化磨损；同时综合 利用钎料的冶金作用(膜下溶解与潜流）、工具的力学作用(锻压效应与界面扭转效应)实现 去膜、挤出钎料，可靠地获得了厚度适中的扩散层，从而降低了在实现界面混合方面对搅拌 及塑性变形的苛求，即使在无针的情况下也能获得可靠的界面连接，也可用于制备双金属 复合板。
[0007] 然而，对于像散热器类需要将铜置于外侧，进行铜/铝大面积搭接组合(铜在上作 为摩擦面，铝在下作为基板)的搅拌摩擦钎焊时，发现不仅表面成型差，而且断裂载荷低。申 请者前期实验结果表明，当采用锡做钎料的时候表面成形很差(焊道不光滑，焊道宽窄不均 匀;大部分焊道表面呈白色，表明上板铜母材被溶穿，伴有大小不等的溶蚀坑;黏附搅拌头； 断口虽有螺旋状的搅拌痕迹，但断口极为光滑）；当采用锌做钎料的时候，断裂载荷很低(对 2mm厚的铜母材，3mm厚的错母材，采用搅拌工具直径D = 20mm，倾角3°，焊速150~375mm/ min，拉剪试样搭接尺寸为20 X 20mm，断裂载荷为0~1.69KN，其中235mm/min焊速所得部分 接头在制样中即自行开裂，断裂载荷为〇)。
[0008] 另外，尽管申请者前期研发的搅拌摩擦钎焊工艺在铝/钢、铝/不锈钢、铝/铜等不 同组合中都能获得断裂于铝板母材内而非焊接界面的良好搭接接头，但需预置钎料，增加 了材料成本，而且钎料预置前需打磨清理，降低了生产效率。
[0009] 参考文献：
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