专利名称：一种连接铜包铝复合导线的方法
技术领域：
本发明涉及铜包铝复合材料，具体而言为涉及一种连接铜包铝复合导线的方法。
背景技术：
铜和铝具有良好的导电、导热性能，被广泛应用于电力、电器、电子、传热、信息等行业中，在世界资源储藏中，铝资源比较丰富，而铜资源相对短缺，因此，以铝代铜是节约铜资源的重要策略，然而，铝的焊接、灭弧、耐磨等性能较差，在很多场合以铝直接代铜非常困难，而铜铝复合材料则可以实现这一功能；近年来，国内外学者对铜铝复合材料的生产工艺进行了较多的研究，铜包铝复合导线、铜铝复合导电排等已经得到了产业应用。在铜包铝复合导线生产和使用过程中，经常遇到连接问题，铜包铝复合导线的连接需要解决不同种金属的结合，不仅要避免铜-铝界面的化学反应，而且要方便、快捷；目前常用的连接方式是冷压焊，是将两根导线的端头分别夹持在冷压焊机的左右钳口中，在不加热的情况下，借助于逐步施加的轴向压力使金属产生塑性变形，将接头表面的氧化膜及其它杂质不断向外部挤出，使洁净的金属在压力作用下结合在一起，形成接头；冷压焊时，对接处的金属在轴向力作用下相互挤压，在接头四周形成一圈飞边，将飞边清除后，可见到环绕接头表面有宽度约为0. 2^0. 5 mm的铜层被挤出的铝隔断，形成露铝现象；对于硬态铜包铝复合导线，由于线材的塑性很差，冷压焊时金属变形困难，因而接头冶金结合较差，拉伸试验时往往在接头处断裂，接头强度比线材本身低，对于软态铜包铝复合导线，不管端头退火部分长度如何，总是存在或长或短的软化区，该软化区的硬度较低，将成为整根铜包铝线上的一个隐患，影响线材使用安全，另外，铜包铝复合导线的冷压焊接头中产生的一圈露铝，尽管宽度很小(约为0. 2^0. 5mm)，但因铜与铝两种金属的电极电位相差很大， 当暴露在潮湿大气中并形成含有(X)2或的电解质溶液时，便通过电化学作用使铝遭受腐蚀，因此，迫切需要寻求一种新型铜包铝复合导线连接方法。瞬间液相(TLP)扩散连接，是通过在两个待连接母材表面之间放入中间层合金，当工件在连接温度下保温时，中间层中降低熔点元素快速扩散到母材金属中，使母材端面微区的熔点降低并发生瞬时熔化；同时母材中的高熔点元素向已为液相的中间层中扩散，使中间层合金的熔点升高，随后发生等温凝固而完成连接过程，它可以形成与母材组织和力学性能相近的焊接接头；在TLP连接过程中，液相通过两种方式形成，一是中间层自身的熔化，此时液相起着类似钎料的作用；二是中间层与母材发生共晶反应，由于液相的参与，使得TLP连接需要的初始压力很小，甚至0. 07MPa即可。在瞬时液相扩散连接过程中，影响TLP连接接头的主要因素有中间层、连接温度、保温时间及连接压力，为了获得成分与性能更类似于母材的接头，通常中间层材料的成分为在母材成分的基础上添加适量的降低熔点元素，瞬时液相扩散连接的中间层，通常具有以下的特点①应低于母材的熔点；②连接时不产生有害的金属间化合物；③与母材润湿性好；④成分均勻化快；⑤等温凝固快，粉末和箔片是中间层常见的形状，但是箔片状的中间层连接质量优于粉末状的。连接温度是扩散连接最重要的连接参数，连接温度微小的变化都会使扩散速度产生较大的变化。当连接温度较低时，会使接头处元素扩散不充分；而连接温度过高，会导致母材中元素过度溶解，致使焊缝中金属间化合物等脆性相析出增多。 研究表明，瞬时液相扩散连接的加热温度(T)的可以选择为T = Ti + 50 200°C，其中Ti 为中间层的熔点，TLP扩散连接时在连接温度下保持的时间即为保温时间。在该时间内必须使扩散过程完成，使TLP连接接头达到所需的结合强度，如果保温时间过短，会使TLP连接接头达不到所需的结合强度。但是，保温时间过长，反而会使连接母材的晶粒粗大，在实际连接中，保温时间可以在一个较宽的范围内变化，连接时可以保温几分钟，也可以是几个小时，实际生产中，在保证接头结合强度的条件下，应尽量减少保温时间，一般情况下，连接压力越大越利于获得较好界面的连接，但扩散连接过程中连接压力有一个临界值，当TLP连接过程中使用的连接压力大于了这个临界值时，不论怎样增大压力值，连接接头的性能都不会增加，另外，从实际加工条件及经济方面考虑，在TLP连接过程中应选择一合适的压力值，其应综合连接温度、保温时间、母材表面的粗糙度、中间层的扩散性等因素决定，总之， 选择最佳的连接压力对挤出脆性相、破碎氧化膜、缩短连接时间、提高接头的致密性是有益的，为了消除TLP连接接头的氧化缺陷，一般在真空或惰性气体保护下进行瞬时液相扩散连接。采用瞬时液相扩散技术连接铜包铝复合导线，需要达到的目标是避免铜-铝界面化学反应，且方便、快捷，遇到的主要问题是选择合适的中间层合金。该合金层需要既与铜形成良好的连接，又能与Al形成良好的连接，且在连接过程中能较好地避免Cu-Al之间的界面化学反应。Si-Al合金熔点低，是一种比较理想的中间层合金材料，但直接制作Si-Al 合金薄带比较困难，目前市场上还没有此类商业薄带供应。
发明内容
本发明的目的是采用瞬时液相扩散连接实现铜包铝复合导线的有效连接，其原理是通过热浸镀方法在薄铜带两表面镀覆一层低熔点的&1-A1合金，然后以该铜带为中间层对铜包铝复合导线进行瞬时液相扩散连接，铜包铝复合导线的铜部分与ai-Α 合金形成 Cu-Zn-Al结合，铝部分则与Si-Al合金形成Al-Zn-Al的结合，最终将铜包铝复合导线连接
在一起。本发明提出一种利用瞬时液相扩散连接技术实现铜包铝复合导线有效连接的方法，其特征是先将厚度0. 02、. 2mm的纯铜带采用热浸镀方法在液态Si-Al合金中镀覆成双面镀Si-Al合金的铜带，然后将镀Si-Al合金铜带冲裁成所需直径的圆片，并将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整，在惰性气体保护下通过低温瞬间液态扩散连接实现铜包铝复合导线的连接。所述的将纯铜带采用热浸镀方法在液态Si-Al合金中镀覆成双面镀Si-Al合金的铜带，是指铜带通过热浸镀在双面均形成1(Γ30 μ m厚的镀Si-Al合金层，Zn-Al合金中Al 的含量为4 6wt%。所涉及的将镀ai-Ai合金铜带冲裁成所需直径的圆片，是指根据待连接铜包铝复合导线的直径，将双面镀ai-Ai合金铜带冲裁成与待连接铜包铝复合导线直径相等的圆片待用。所涉及的将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整，是指采用机械方法对待连接的3/4页
铜包铝复合导线的待连接端面进行打磨，以保持打磨面平整，与铜包铝复合导线长度方向垂直。所涉及的惰性气体保护，是指将待连接铜包铝复合导线放入便于开合的密闭空间中抽真空，真空度广1. 5X 10_2Pa，再充氩气或者氮气进行保护。所涉及的低温瞬间液态扩散连接，是指通过感应加热方法实现待连接部分的局部加热，连接温度41(T450°C，连接时加压压力0. 5 5MPa，保持时间3 lOmin。本发明的优点在于
1)适应性强；可以对不同线径的铜包铝复合导线进行连接，铜、铝之间结合好，由于连接温度低，没有明显的界面脆性相形成。2)操作简便；断线打磨、连接等集成在一起，方便在线操作，铜包铝复合导线连接好后只需简单对表面打磨。3)安全环保；连接操作过程中除了形成少量非常容易回收的铜、铝屑外没有其它污染物。4)成本低廉；一次投入装置后，操作过程中温度低，能耗小。
图1为铜包铝复合导线连接时所用密闭空间的示意图，其中1为惰性气体进口，2 为密闭腔体，3为感应加热单元，4为待连接铜包铝复合导线，5为接真空泵管路，6为测温热电偶；
图2为铜包铝复合导线连接接头的示意图(a)和连接后的外观照片(b)，其中1为待连接铜包铝复合导线，2为镀锌铝合金铜带；
图3为连接接头处铜-铝过渡界面的显微组织。
具体实施例方式本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。实施例1
待连接铜包铝复合导线的直径为2mm，将厚度0. 2mm的纯铜带采用热浸镀方法在液态 Zn-4wt%Al合金中镀覆成厚30 μ m双面镀Si-Al合金的铜带，然后将镀锌合金铜带冲裁成直径2mm的圆片，并采用机械方法将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整并与铜包铝复合导线长度方向垂直，在惰性气体的保护下通过低温瞬间液态扩散连接实现铜包铝复合导线的连接；低温瞬间液态扩散连接时，将待焊铜包铝复合导线放入如图1所示的密闭空间中抽真空，真空度1 X 10_2Pa，再充氩气进行保护，通过感应加热方法实现待连接部分的局部加热，连接温度450°C，连接时加压压力5MPa，保持时间;3min。图1中的密闭空间，可以沿图中铜包铝复合导线长度方向开合，方便铜包铝复合导线取放，该空间闭合时通过常规密封条进行密封，以保证获得足够高的真空度和有效实现惰性气体保护。
图2铜包铝复合导线连接接头的示意图及铜包铝复合导线的外观照片，图3为连接接头处铜-铝过渡界面的显微组织，从图3中可以看出，连接接头结合良好。检测表明，含有一个连接接头的铜包铝复合导线电阻率为2.43 X 10_2 Ω -mm2 导线的硬态室温拉伸强度为^K)MPa，与直径为2mm的硬态铜包铝复合导线相当。实施例2
待连接铜包铝复合导线的直径为0. 5mm，将厚度0. 06mm的纯铜带采用热浸镀方法在液态合金中镀覆成厚20 μ m双面镀Si-Al合金的铜带，然后将镀锌合金铜带冲裁成直径0. 5mm的圆片，并采用机械方法将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整并与铜包铝复合导线长度方向垂直，在惰性气体的保护下，通过低温瞬间液态扩散连接实现铜包铝复合导线的连接，低温瞬间液态扩散连接时，将待焊铜包铝复合导线放入密闭空间中抽真空， 真空度1. 2X 10_2Pa，然后充氮气进行保护，通过感应加热方法实现待连接部分的局部加热， 连接温度430°C，连接时加压压力2MPa，保持时间6min。试验显示，连接接头结合良好；检测表明，含有一个连接接头的铜包铝复合导线电阻率为2. 49 X IO"2 Ω · mm2 · πΓ1，接头处软态的室温拉伸强度为205MPa，与直径为0. 5mm的软态铜包铝复合导线相当。实施例3
待连接铜包铝复合导线的直径为0. 2mm，将厚度0. 02mm的纯铜带采用热浸镀方法在液态ai-5wt%Al合金中镀覆成厚10 μ m双面镀Si-Al合金的铜带，然后将镀锌合金铜带冲裁成直径0. 2mm的圆片，并采用机械方法将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整并与铜包铝复合导线长度方向垂直，在惰性气体的保护下，通过低温瞬间液态扩散连接实现铜铝复合导线的连接，低温瞬间液态扩散连接时，将待焊铜包铝复合导线放入密闭空间中抽真空，真空度1. 5 X IO-2Pa,然后充氩气进行保护，通过感应加热方法实现待连接部分的局部加热，连接温度410°C，连接时加压压力0. 5MPa，保持时间lOmin。分析表明，连接接头结合良好，检测显示，含有一个连接接头的铜包铝复合导线电阻率为2. 53 X IO"2 Ω · mm2 · πΓ1，接头处硬态的室温拉伸强度为285MPa，与直径为0. 2mm的硬态铜包铝复合导线相当。
权利要求
1.一种连接铜包铝复合导线的方法，其特征是先将厚度0. 02、. 2mm的纯铜带采用热浸镀方法在液态Si-Al合金中镀覆成双面镀Si-Al合金的铜带，然后将镀Si-Al合金铜带冲裁成所需直径的圆片，并将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整，在惰性气体保护下通过低温瞬间液态扩散连接实现铜包铝复合导线的连接。
2.如权利要求1所述的一种连接铜包铝复合导线的方法，其特征是所述的将纯铜带采用热浸镀方法在液态Si-Al合金中镀覆成双面镀Si-Al合金的铜带，是指铜带通过热浸镀在双面均形成10 30 μ m厚的镀Si-Al合金层，Zn-Al合金中Al的含量为4飞wt%。
3.如权利要求1所述的一种连接铜包铝复合导线的方法，其特征是所述的将镀&1-A1 合金铜带冲裁成所需直径的圆片，是指根据待连接铜包铝复合导线的直径，将双面镀ai-Ai 合金铜带冲裁成与待连接铜包铝复合导线直径相等的圆片待用。
4.如权利要求1所述的一种连接铜包铝复合导线的方法，其特征是所述的将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整，是指采用机械方法对待连接的铜包铝复合导线的待连接端面进行打磨，以保持打磨面平整，与铜包铝复合导线长度方向垂直。
5.如权利要求1所述的一种连接铜包铝复合导线的方法，其特征是所述的惰性气体保护，是指将待连接铜包铝复合导线放入便于开合的密闭空间中抽真空，真空度 Γι. 5 X10_2Pa，再充氩气或者氮气进行保护。
6.如权利要求1所述的一种连接铜包铝复合导线的方法，其特征是所述的低温瞬间液态扩散连接，是指通过感应加热方法实现待连接部分的局部加热，连接温度41(T450°C， 连接时加压压力0. 5 5MPa，保持时间3 lOmin。
全文摘要
本发明涉及铜包铝复合材料，具体而言为涉及一种连接铜包铝复合导线的方法。其特征是先将厚度0.02~0.2mm的纯铜带采用热浸镀方法在液态Zn-Al合金中镀覆成双面镀Zn-Al合金的铜带，然后将镀锌合金铜带冲裁成所需直径的圆片，并将铜包铝复合导线待连接端面打磨平整，在惰性气体保护下通过低温瞬间液态扩散连接实现铜包铝复合导线的连接。该方法适应性强，可以对不同线径的铜包铝线进行连接，操作简便，安全环保，且成本低廉，操作过程温度低，能耗小。
文档编号H01R4/62GK102412446SQ20111035869
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者张勇, 张松利, 赵玉涛, 陈刚 申请人:江苏大学