紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法，用于解決現(xiàn)有銅材連接方法連接接頭力學(xué)性能差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是通過(guò)砂紙打磨紫銅材待焊表面制造粗糙度，在略高于紫銅再結(jié)晶溫度400℃下施加略低于紫銅材該溫度屈服強(qiáng)度100MPa的壓力，進(jìn)行擴(kuò)散連接。此方法顯著提高了接頭力學(xué)性能和焊縫界面的穿晶現(xiàn)象，焊合率達(dá)到95％，焊后抗拉強(qiáng)度達(dá)到焊前母材抗拉強(qiáng)度的93％～98％，焊后硬度達(dá)到焊前母材的90％。
【專利說(shuō)明】紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種銅材連接方法，特別是涉及一種紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 紫銅與紫銅的擴(kuò)散焊在電子、航空航天、化工、船舶、能源動(dòng)力、交通等領(lǐng)域的精密 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造中具有廣泛應(yīng)用。
[0003] 文獻(xiàn) 1 "Diffusion bonds in copper，Derby B, Wallach E R. Journal of materials science, 1984, 19卷10期"指出傳統(tǒng)紫銅擴(kuò)散焊所選取的溫度范圍應(yīng)在 500°C?800°C之間。
[0004] 文獻(xiàn) 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。實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2013,第 13 專刊" 采用車床超精密加工的無(wú)氧銅在低壓力（〇· 005?0· 05MPa)、高溫度（700?800°C )工藝 下得到約為200MPa焊接接頭的拉伸強(qiáng)度。但由于溫度較高且材料為純銅單相組織，焊后無(wú) 氧銅晶粒嚴(yán)重粗大化，晶粒尺寸長(zhǎng)大到200?300 μ m。晶粒粗大化造成界面平直，表面能減 少，形成晶界三重點(diǎn)數(shù)量減少，晶界的遷移困難，在焊縫界面處不易形成"晶界的穿越"。同 時(shí)焊后強(qiáng)度與硬度分別只達(dá)到加工硬化態(tài)紫銅棒材的74%和50%左右。
[0005] 文獻(xiàn)3 "A1203彌散銅/純銅擴(kuò)散焊工藝，陳健，崔庭。焊接技術(shù)，2012,41卷1期" 采用真空擴(kuò)散焊方式實(shí)現(xiàn)了 A1203彌散銅（W&99. 7% +WA12(B0. 3% )與T2純銅連接。將焊接 溫度降至550°C，壓力提高到25MPa，保溫時(shí)間增至3h，可獲得組織均勻致密、界面連續(xù)擴(kuò)散 連接接頭。但接頭抗拉強(qiáng)度為116. 9MPa，不到加工硬化態(tài)銅棒抗拉強(qiáng)度的50%。
[0006] 因而在傳統(tǒng)擴(kuò)散焊溫度范圍內(nèi)紫銅的連接并沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)效果，跟焊前加工硬化 態(tài)母材的力學(xué)性能相差較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有銅材連接方法連接接頭力學(xué)性能差的不足，本發(fā)明提供一種紫銅低 溫?cái)U(kuò)散連接方法。該方法通過(guò)砂紙打磨紫銅材待焊表面制造粗糙度，在略高于紫銅再結(jié)晶 溫度400°C下施加略低于紫銅材該溫度屈服強(qiáng)度lOOMPa的壓力，進(jìn)行擴(kuò)散連接。此方法顯 著提高了接頭力學(xué)性能，促進(jìn)了在焊縫界面兩側(cè)的晶界穿越現(xiàn)象，焊合率達(dá)到95%，焊后抗 拉強(qiáng)度達(dá)到焊前母材抗拉強(qiáng)度的93 %?98%，焊后硬度達(dá)到焊前母材的90%，焊后變形率 在1%以內(nèi)。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法，其特 點(diǎn)是采用以下步驟：
[0009] 步驟一、先用360#、600#、800#砂紙依次對(duì)紫銅材待焊面打磨，使紫銅材待焊面粗糙 度Ra為0. 2?0. 3 μ m，然后再將紫銅材待焊接件放置配好的酸液中浸泡1?2min，酸液的 體積比H2S04:HN0 3:H20 = 2:1:12,以去除紫銅材待焊接件表面氧化膜。酸洗完后進(jìn)行水沖， 放置95%?99%酒精中用超聲波清洗40?60s，晾干備用。
[0010] 步驟二、將經(jīng)過(guò)步驟一處理的紫銅材待焊接件對(duì)齊放入爐中，施加15?20MPa預(yù) 壓力，關(guān)閉爐門，抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到3. 0 X ΚΓ3?4. 0 X l(T3Pa時(shí)，開始加熱，加熱速率 為10?15°C /min，溫度升至230?250°C保溫3?5min，達(dá)到400?450°C時(shí)施加95? lOOMPa的軸向壓力保溫60?90min，保溫過(guò)后卸去壓力隨爐冷卻。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：該方法通過(guò)砂紙打磨紫銅材待焊表面制造粗糙度，在略高 于紫銅再結(jié)晶溫度400°C下施加略低于紫銅材該溫度屈服強(qiáng)度lOOMPa的壓力，進(jìn)行擴(kuò)散連 接。此方法顯著提高了接頭力學(xué)性能和焊縫界面的穿晶現(xiàn)象，焊合率達(dá)到95%，焊后抗拉強(qiáng) 度達(dá)到焊前母材抗拉強(qiáng)度的93%?98%，焊后硬度達(dá)到焊前母材的90%。
[0012] 焊前加工硬化態(tài)紫銅棒材的晶粒度為50?100 μ m，拉伸強(qiáng)度在260?270MPa之 間，硬度在100?104HV之間。焊前加工硬化態(tài)紫銅板材的晶粒度為20?30 μ m，剪切強(qiáng) 度在170?180MPa之間，硬度在120?125HV之間。由于采用400°C的低溫度，晶粒不會(huì) 發(fā)生粗大化，焊后晶粒度與焊前一致，紫銅棒材焊后拉伸強(qiáng)度與硬度可分別達(dá)到263MPa和 97狀，紫銅板材焊后剪切強(qiáng)度與硬度可分別達(dá)到16510^和120狀，保留了焊前母材90%以 上的力學(xué)性能。焊后變形率在1%以內(nèi)，達(dá)到了高強(qiáng)度精密連接的效果。同時(shí)在焊縫界面兩 側(cè)通過(guò)再結(jié)晶產(chǎn)生約10?30 μ m寬度的細(xì)晶區(qū)，晶粒大小達(dá)到微米級(jí)，對(duì)晶界的遷移是非 常有利的。而且焊接溫度降至400°C，對(duì)于擴(kuò)散設(shè)備的制造成本要降低30%以上，焊接時(shí)間 相對(duì)高溫焊縮短二分之一，焊接效率提高70 %?100%。
[0013] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本發(fā)明紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法的裝卡結(jié)構(gòu)圖，連接件為紫銅棒材。
[0015] 圖2是本發(fā)明紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法的裝卡結(jié)構(gòu)圖，連接件為紫銅板材。
[0016] 圖中，1-上壓頭，2-阻焊層，3-紫銅，4-下壓頭。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施例1。參照?qǐng)D1。本實(shí)施例以兩件T1紫銅棒材為例，說(shuō)明紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接 方法的具體步驟：
[0018] 所用材料為：T1紫銅棒材，純度為99. 95wt. %，尺寸〇38mmx35mm。分別對(duì)三種牌 號(hào)的紫銅棒材進(jìn)行該方法的同質(zhì)擴(kuò)散焊。焊前將紫銅3待焊面先用360#、600 #、800#砂紙依 次進(jìn)行打磨，使表面粗糙度Ra約為0. 2 μ m，然后再將紫銅3待焊面放置配好的酸液（體積 比H2S04:HN03:H 20 = 2:1:12)侵泡2min，以去除紫銅3表面氧化膜。酸洗完后進(jìn)行水沖，放 置95%酒精中用超聲波清洗60s，拿吹風(fēng)機(jī)將紫銅3待焊接件吹干。將紫銅3待焊接件上 下對(duì)齊放入爐中，并放置于真空擴(kuò)散焊爐內(nèi)上壓頭1與下壓頭4之間，在上壓頭1與紫銅3、 下壓頭4與紫銅3之間放置阻焊層2,施加15MPa預(yù)壓力，關(guān)閉爐門，抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到 4. 0X10-3時(shí)，開始加熱，加熱速率為10°C /min，溫度升至250°C保溫3min，達(dá)到400°C時(shí)施 加100MPa的軸向壓力保溫90min，保溫過(guò)后卸去壓力隨爐冷卻。
[0019] 研究人員采用上述方法，還對(duì)純度為99. 90wt %的T2紫銅棒材，和純度為 99. 70wt%的T3紫銅棒材進(jìn)行了擴(kuò)散連接。測(cè)試證明，三種牌號(hào)紫銅棒材的低溫大壓力同 質(zhì)擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度在250?263MPa之間，硬度在94?97HV之間，均達(dá)到了焊前紫銅 母材抗拉強(qiáng)度與硬度的90%以上。焊后變形率在0. 7%?1%之間，焊接界面的"晶界穿越" 現(xiàn)象明顯。
[0020] 實(shí)施例2。參照?qǐng)D2。本實(shí)施例以三件T1紫銅板材為例，說(shuō)明紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接 方法的具體步驟：
[0021] 所用材料為：T1紫銅板材，純度為99. 95wt. %，尺寸35mmx35mmx5mm。對(duì)T1紫 銅板材進(jìn)行該方法的同質(zhì)擴(kuò)散焊。焊前將紫銅3待焊面先用360#、600 #、800#砂紙依次進(jìn) 行打磨，使表面粗糙度Ra約為0. 3 μ m，然后再將紫銅3待焊面放置配好的酸液（體積比 H2S04:HN03:H20 = 2:1:12)侵泡lmin，以去除表面氧化膜。酸洗完后進(jìn)行水沖，放置99%酒 精中用超聲波清洗40s，拿吹風(fēng)機(jī)將紫銅3待焊接件吹干。將紫銅3待焊接件放入爐中，并 放置于真空擴(kuò)散焊爐內(nèi)上壓頭1與下壓頭4之間，在上壓頭1與紫銅3、下壓頭4與紫銅3 之間放置阻焊層2,施加20MPa預(yù)壓力，關(guān)閉爐門，抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到3. 0Xl(T3Pa時(shí)， 開始加熱，加熱速率為15°C /min，溫度升至230°C保溫5min，達(dá)到450°C時(shí)施加95MPa的軸 向壓力保溫60min，而后隨爐冷卻。
[0022] 研究人員采用上述方法，還對(duì)純度為99. 90wt %的T2紫銅板材，和純度為 99. 70wt%的T3紫銅板材進(jìn)行了擴(kuò)散連接。測(cè)試證明，三種牌號(hào)紫銅板材的低溫大壓力擴(kuò) 散焊接頭的剪切強(qiáng)度在160?165MPa，硬度115?120HV，均達(dá)到了焊前母材抗拉強(qiáng)度的 90%以上。焊后變形率在0.7%?1%之間，焊接界面的"晶界穿越"現(xiàn)象明顯。
【權(quán)利要求】
1. 一種紫銅低溫?cái)U(kuò)散連接方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、先用360#、600#、800#砂紙依次對(duì)紫銅材待焊面打磨，使紫銅材待焊面粗糙度 Ra為0. 2?0. 3 μ m，然后再將紫銅材待焊接件放置配好的酸液中浸泡1?2min，酸液的體 積比H2S04:HN0 3:H20 = 2:1:12,以去除紫銅材待焊接件表面氧化膜；酸洗完后進(jìn)行水沖，放 置95%?99%酒精中用超聲波清洗40?60s，晾干備用； 步驟二、將經(jīng)過(guò)步驟一處理的紫銅材待焊接件對(duì)齊放入爐中，施加15?20MPa預(yù)壓力， 關(guān)閉爐門，抽真空；當(dāng)真空度達(dá)到3.0 ΧΚΓ3?4.0 Xl(T3Pa時(shí)，開始加熱，加熱速率為10? 15°C /min，溫度升至230?250°C保溫3?5min，達(dá)到400?450°C時(shí)施加95?lOOMPa的 軸向壓力保溫60?90min，保溫過(guò)后卸去壓力隨爐冷卻。
【文檔編號(hào)】B23K20/14GK104096961SQ201410327948
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】熊江濤, 李京龍, 張賦升, 杜鵬, 李鵬飛 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)