紫铜低温扩散连接方法
【专利摘要】本发明公开了一种紫铜低温扩散连接方法，用于解决现有铜材连接方法连接接头力学性能差的技术问题。技术方案是通过砂纸打磨紫铜材待焊表面制造粗糙度，在略高于紫铜再结晶温度400℃下施加略低于紫铜材该温度屈服强度100MPa的压力，进行扩散连接。此方法显著提高了接头力学性能和焊缝界面的穿晶现象，焊合率达到95％，焊后抗拉强度达到焊前母材抗拉强度的93％～98％，焊后硬度达到焊前母材的90％。
【专利说明】紫铜低温扩散连接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铜材连接方法，特别是涉及一种紫铜低温扩散连接方法。
【背景技术】
[0002] 紫铜与紫铜的扩散焊在电子、航空航天、化工、船舶、能源动力、交通等领域的精密 复杂结构件制造中具有广泛应用。
[0003] 文献 1 "Diffusion bonds in copper，Derby B, Wallach E R. Journal of materials science, 1984, 19卷10期"指出传统紫铜扩散焊所选取的温度范围应在 500°C?800°C之间。
[0004] 文献 2 "Measuring Flatness of Ultrafine Machined Copper Disk with Laser Interferometer and Strength of Diffusion Bonding Interface for High-Energy Accelerators，K0BAYASHI T, HIGASHI Y，HASHM0T0 R,et al。实验力学，2013,第 13 专刊" 采用车床超精密加工的无氧铜在低压力（〇· 005?0· 05MPa)、高温度（700?800°C )工艺 下得到约为200MPa焊接接头的拉伸强度。但由于温度较高且材料为纯铜单相组织，焊后无 氧铜晶粒严重粗大化，晶粒尺寸长大到200?300 μ m。晶粒粗大化造成界面平直，表面能减 少，形成晶界三重点数量减少，晶界的迁移困难，在焊缝界面处不易形成"晶界的穿越"。同 时焊后强度与硬度分别只达到加工硬化态紫铜棒材的74%和50%左右。
[0005] 文献3 "A1203弥散铜/纯铜扩散焊工艺，陈健，崔庭。焊接技术，2012,41卷1期" 采用真空扩散焊方式实现了 A1203弥散铜（W&99. 7% +WA12(B0. 3% )与T2纯铜连接。将焊接 温度降至550°C，压力提高到25MPa，保温时间增至3h，可获得组织均匀致密、界面连续扩散 连接接头。但接头抗拉强度为116. 9MPa，不到加工硬化态铜棒抗拉强度的50%。
[0006] 因而在传统扩散焊温度范围内紫铜的连接并没有达到最优效果，跟焊前加工硬化 态母材的力学性能相差较大。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有铜材连接方法连接接头力学性能差的不足，本发明提供一种紫铜低 温扩散连接方法。该方法通过砂纸打磨紫铜材待焊表面制造粗糙度，在略高于紫铜再结晶 温度400°C下施加略低于紫铜材该温度屈服强度lOOMPa的压力，进行扩散连接。此方法显 著提高了接头力学性能，促进了在焊缝界面两侧的晶界穿越现象，焊合率达到95%，焊后抗 拉强度达到焊前母材抗拉强度的93 %?98%，焊后硬度达到焊前母材的90%，焊后变形率 在1%以内。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种紫铜低温扩散连接方法，其特 点是采用以下步骤：
[0009] 步骤一、先用360#、600#、800#砂纸依次对紫铜材待焊面打磨，使紫铜材待焊面粗糙 度Ra为0. 2?0. 3 μ m，然后再将紫铜材待焊接件放置配好的酸液中浸泡1?2min，酸液的 体积比H2S04:HN0 3:H20 = 2:1:12,以去除紫铜材待焊接件表面氧化膜。酸洗完后进行水冲， 放置95%?99%酒精中用超声波清洗40?60s，晾干备用。
[0010] 步骤二、将经过步骤一处理的紫铜材待焊接件对齐放入炉中，施加15?20MPa预 压力，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3. 0 X ΚΓ3?4. 0 X l(T3Pa时，开始加热，加热速率 为10?15°C /min，温度升至230?250°C保温3?5min，达到400?450°C时施加95? lOOMPa的轴向压力保温60?90min，保温过后卸去压力随炉冷却。
[0011] 本发明的有益效果是：该方法通过砂纸打磨紫铜材待焊表面制造粗糙度，在略高 于紫铜再结晶温度400°C下施加略低于紫铜材该温度屈服强度lOOMPa的压力，进行扩散连 接。此方法显著提高了接头力学性能和焊缝界面的穿晶现象，焊合率达到95%，焊后抗拉强 度达到焊前母材抗拉强度的93%?98%，焊后硬度达到焊前母材的90%。
[0012] 焊前加工硬化态紫铜棒材的晶粒度为50?100 μ m，拉伸强度在260?270MPa之 间，硬度在100?104HV之间。焊前加工硬化态紫铜板材的晶粒度为20?30 μ m，剪切强 度在170?180MPa之间，硬度在120?125HV之间。由于采用400°C的低温度，晶粒不会 发生粗大化，焊后晶粒度与焊前一致，紫铜棒材焊后拉伸强度与硬度可分别达到263MPa和 97狀，紫铜板材焊后剪切强度与硬度可分别达到16510^和120狀，保留了焊前母材90%以 上的力学性能。焊后变形率在1%以内，达到了高强度精密连接的效果。同时在焊缝界面两 侧通过再结晶产生约10?30 μ m宽度的细晶区，晶粒大小达到微米级，对晶界的迁移是非 常有利的。而且焊接温度降至400°C，对于扩散设备的制造成本要降低30%以上，焊接时间 相对高温焊缩短二分之一，焊接效率提高70 %?100%。
[0013] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明紫铜低温扩散连接方法的装卡结构图，连接件为紫铜棒材。
[0015] 图2是本发明紫铜低温扩散连接方法的装卡结构图，连接件为紫铜板材。
[0016] 图中，1-上压头，2-阻焊层，3-紫铜，4-下压头。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1。参照图1。本实施例以两件T1紫铜棒材为例，说明紫铜低温扩散连接 方法的具体步骤：
[0018] 所用材料为：T1紫铜棒材，纯度为99. 95wt. %，尺寸〇38mmx35mm。分别对三种牌 号的紫铜棒材进行该方法的同质扩散焊。焊前将紫铜3待焊面先用360#、600 #、800#砂纸依 次进行打磨，使表面粗糙度Ra约为0. 2 μ m，然后再将紫铜3待焊面放置配好的酸液（体积 比H2S04:HN03:H 20 = 2:1:12)侵泡2min，以去除紫铜3表面氧化膜。酸洗完后进行水冲，放 置95%酒精中用超声波清洗60s，拿吹风机将紫铜3待焊接件吹干。将紫铜3待焊接件上 下对齐放入炉中，并放置于真空扩散焊炉内上压头1与下压头4之间，在上压头1与紫铜3、 下压头4与紫铜3之间放置阻焊层2,施加15MPa预压力，关闭炉门，抽真空。当真空度达到 4. 0X10-3时，开始加热，加热速率为10°C /min，温度升至250°C保温3min，达到400°C时施 加100MPa的轴向压力保温90min，保温过后卸去压力随炉冷却。
[0019] 研究人员采用上述方法，还对纯度为99. 90wt %的T2紫铜棒材，和纯度为 99. 70wt%的T3紫铜棒材进行了扩散连接。测试证明，三种牌号紫铜棒材的低温大压力同 质扩散焊接头抗拉强度在250?263MPa之间，硬度在94?97HV之间，均达到了焊前紫铜 母材抗拉强度与硬度的90%以上。焊后变形率在0. 7%?1%之间，焊接界面的"晶界穿越" 现象明显。
[0020] 实施例2。参照图2。本实施例以三件T1紫铜板材为例，说明紫铜低温扩散连接 方法的具体步骤：
[0021] 所用材料为：T1紫铜板材，纯度为99. 95wt. %，尺寸35mmx35mmx5mm。对T1紫 铜板材进行该方法的同质扩散焊。焊前将紫铜3待焊面先用360#、600 #、800#砂纸依次进 行打磨，使表面粗糙度Ra约为0. 3 μ m，然后再将紫铜3待焊面放置配好的酸液（体积比 H2S04:HN03:H20 = 2:1:12)侵泡lmin，以去除表面氧化膜。酸洗完后进行水冲，放置99%酒 精中用超声波清洗40s，拿吹风机将紫铜3待焊接件吹干。将紫铜3待焊接件放入炉中，并 放置于真空扩散焊炉内上压头1与下压头4之间，在上压头1与紫铜3、下压头4与紫铜3 之间放置阻焊层2,施加20MPa预压力，关闭炉门，抽真空。当真空度达到3. 0Xl(T3Pa时， 开始加热，加热速率为15°C /min，温度升至230°C保温5min，达到450°C时施加95MPa的轴 向压力保温60min，而后随炉冷却。
[0022] 研究人员采用上述方法，还对纯度为99. 90wt %的T2紫铜板材，和纯度为 99. 70wt%的T3紫铜板材进行了扩散连接。测试证明，三种牌号紫铜板材的低温大压力扩 散焊接头的剪切强度在160?165MPa，硬度115?120HV，均达到了焊前母材抗拉强度的 90%以上。焊后变形率在0.7%?1%之间，焊接界面的"晶界穿越"现象明显。
【权利要求】
1. 一种紫铜低温扩散连接方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、先用360#、600#、800#砂纸依次对紫铜材待焊面打磨，使紫铜材待焊面粗糙度 Ra为0. 2?0. 3 μ m，然后再将紫铜材待焊接件放置配好的酸液中浸泡1?2min，酸液的体 积比H2S04:HN0 3:H20 = 2:1:12,以去除紫铜材待焊接件表面氧化膜；酸洗完后进行水冲，放 置95%?99%酒精中用超声波清洗40?60s，晾干备用； 步骤二、将经过步骤一处理的紫铜材待焊接件对齐放入炉中，施加15?20MPa预压力， 关闭炉门，抽真空；当真空度达到3.0 ΧΚΓ3?4.0 Xl(T3Pa时，开始加热，加热速率为10? 15°C /min，温度升至230?250°C保温3?5min，达到400?450°C时施加95?lOOMPa的 轴向压力保温60?90min，保温过后卸去压力随炉冷却。
【文档编号】B23K20/14GK104096961SQ201410327948
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】熊江涛, 李京龙, 张赋升, 杜鹏, 李鹏飞 申请人:西北工业大学