[發明專利]厚鋁板與堅硬異種材料的分步攪拌摩擦釬焊法

有效

• 申請號: 201110389355.0
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102513638A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 張貴鋒;郝海;張建勛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K1/19
• 分類號: B23K1/19;B23K20/12;B23K20/22
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域：

本發明屬于焊接領域，涉及一種分步攪拌摩擦釬焊法，尤其是一種厚鋁板與堅硬異種材料的分步攪拌摩擦釬焊法。

背景技術：

目前，在城市輕軌所用鋁/不銹鋼接觸軌的制備方面，為提高抗振動能力，消除火花，增大導電面積，出現用焊接技術代替傳統擠壓技術的需求趨勢。然而，鋁材與堅硬異種材料(如不銹鋼、銅、鈦、鋼)的焊接是一古老的技術難題，迄今仍未建立起公認的質優價廉的工藝。而且，隨板厚增大或焊接面積的增大，焊接難度也增大。以鋁/不銹鋼(Al/SUS)為例，這是一種典型的難焊組合，無論采用弧焊方法還是釬焊方法都十分困難^[1]。其原因在于除了易于形成金屬間化合物外，還有兩者的表面氧化膜均難以破除，且兩者與釬料的反應存在很大差異。當采用弧焊方法時，與鋁/鋼組合相同，主要是Fe-Al金屬間化合物(IMC)會使接頭脆化。當采用釬焊方法時，雖然在釬焊過程中母材為固態而有利于避免金屬間化合物迅速、過度增厚，但兩者表面的氧化膜均致密、穩定、難熔、強固而難以破除，由此導致釬料對母材的潤濕性變差。鑒于鋁/不銹鋼電弧焊可焊性極差，以下主要綜述其釬焊技術發展概況。

早在1999年，瑞士的Roulin等人用Al-12Si共晶釬料和氟化物釬劑K₃AlF₆-KAl?F₄在600℃溫度下爐中釬焊鋁和不銹鋼，保溫時間為10分鐘時規范下獲得的接頭剪切強度最高，但該最大剪切強度也僅為21MPa；接頭強度低的原因在于界面區存在兩個不同反應層FeSiAl₅和FeAl₃^[2，3]。

日本東京工業大學Liu與Suzumura采用Al-12Si釬料配合F19釬劑(由氯化物、氟化物組成的活性釬劑)進行了純鋁/不銹鋼的釬焊實驗^[4]。有必要強調指出，這種組合的釬焊過程實質為異種金屬的過渡液相擴散焊。其試驗結果表明，對于這種異種金屬的過渡液相擴散焊，Al-12Si釬料與兩種母材的反應速度不同，即Si原子會迅速擴散入鋁母材之內(特別當使用含有Zn的釬劑時，Si向鋁母材中的擴散還會被進一步加速)，但Al-12Si釬料與不銹鋼的反應速度緩慢，由此導致Al-12Si釬料在尚未與不銹鋼母材發生作用之前過早等溫凝固，這樣盡管鋁/釬料界面結合尚可，但鋁/不銹鋼界面結合極差。此外，由于采用了釬劑，焊后還必須附加清理釬劑的工序，以防釬劑對鋁母材的腐蝕。

日本大阪大學才田一幸提出了在不銹鋼一側預先制備軟質Ag、Cu、Ni活化層的技術方案^[5]。最近，吳銘芳對采用Cu箔進行Al/Cu/SUS(Cu箔厚10μm，570℃×20min×0.1MPa)的接觸反應釬焊(contactreactive?brazing)，長時間保溫后，雖界面漸趨致密，但仍有大量Cu未擴散如Al母材，包含IMC的反應區域寬度接近50μm，IMC的厚度有待進一步減小^[6]。

另有法國與日本研究人員采用激光釬焊工藝，雖熱輸入小，有利于抑制金屬間化合物過度增厚，但仍需要釬劑去膜，而且設備投資高昂^[7，8]。

近年來，國內哈爾濱工業大學對鋁/不銹鋼焊接進行了較為系列的研究。提出的主要方法有：接觸反應釬焊、不銹鋼表面預先熱浸鋁后再釬焊、熔-釬焊(可采用TIG、MIG、Laser等熱源)^[9-11]。何鵬等提出的“接觸反應釬焊”采用Si粉作中間層，可有效去除鋁母材側表面的氧化膜，但焊接溫度較高(600℃)，難以用于一些熔點較低的鋁合金與不銹鋼的釬焊^[12]。“不銹鋼表面預先熱浸鋁后再釬焊”存在工序復雜、額外耗能等美中不足。熔-釬焊雖然避免了不銹鋼的熔化以抑制過量金屬間化合物的生成，但仍存在弧光輻射或飛濺；需使用釬劑(將特種釬劑——改性后的Nocolock釬劑用丙酮調和并均勻地涂覆在不銹鋼坡口端面及附近的鋼板上下表面，涂覆量以剛剛蓋過不銹鋼表面為宜)以改善液態鋁合金對不銹鋼的潤濕性；由于需要在很窄的焊道加熱范圍內一方面使鋁熔化而另一方面仍使不銹鋼保持固態，故對操作技術的要求高^[13]。當采用激光能源進行熔-釬焊時，設備投資大、鋁材對激光的反射率高而吸收率低等不足也限制了該項技術的大面積推廣應用^[14]。