[發明專利]一種用于異種金屬搭接的攪拌摩擦共晶反應焊方法

在審

• 申請號: 201610118340.3
• 申請日: 2016-03-02
• 公開（公告）號: CN105618925A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 張貴鋒;倪顯清;張林杰;牛靖
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K103/18
• 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

本發明涉及異種共晶金屬(如Cu/Al組合，Cu/Ti組合，Al/Zn組合，Al/Mg組合) 搭接焊接及其復合板制備方法。

背景技術

銅/鋁大面積搭接接頭(薄銅在上，厚鋁在下)在散熱器行業(如CPU行業)、電 力行業(輸電母線)、冶金行業(供電母線)等行業應用極為廣泛。改善散熱器的散熱 效果對提高大型計算機CPU運算速度具有重要的意義，通常采用在鋁合金散熱翅片反 面釬焊一層5～6mm厚的紫銅板，或者改用銅熱管外包鋁合金翅片結構，以提高散熱效 果，銅鋁接頭采用板-板或管-板搭接形式(參考文獻1)。在電力行業中為降低成本常用 鋁代替銅，變壓器和放電器等重要設備中引線端是銅母線，而一般電器線路中的導線多 為鋁母線。鋁銅的連接通常有機械連接和焊接，與機械連接方式相比，焊接具有結合強 度高、界面電阻小、簡化施工及安裝、方便維修等優點(參考文獻2)。

Al/Cu復合困難在于：(1)易形成脆性金屬間化合物(IMC)；(2)鋁表面氧化膜難 以去除。常見的熔焊方法無法用于大面積搭接，而且因脆性金屬間化合物導致接頭脆化， 難以獲得可靠的接頭。閃光焊只適于對接接頭，耗電大；燒化末期端部熔化深度有一定 的隨機性使殘留金屬間化合物的量難以控制，加之對頂鍛速度要求極高(沖擊式頂鍛)， 引起接頭性能不穩定，重復性差、接頭合格率低。采用鋁基釬料釬焊銅/鋁接頭時，盡 管鋁側形成聯生結晶，但在銅側及釬縫內因出現CuAl₂而導致裂紋產生。銅基釬料因熔 點高而無法使用。鋅基(Zn-2Al，Zn-15Al，Zn-22Al)或錫基軟釬料雖然釬焊溫度低， 有利于降低金屬間化合物的形成，但對鋁的潤濕性很差，常要求使用釬劑，如無腐蝕性 釬劑KAlF₄-CsAlF₄(參考文獻3、4)。目前鋁-銅大面積搭接復合方法主要有軋制復合 法(較多)和爆炸復合法(較少)(參考文獻5)，此外還有申請者于2011年在國內外 刊物公開的攪拌摩擦釬焊(FSB:frictionstirbrazing)方法(參考文獻6)。

軋制復合分為冷軋和熱軋。冷軋是指在室溫下進行的軋制，由于軋制過程中要發生 大的變形量，因此為防止過量變形導致的開裂，冷軋前常要對基體金屬進行退火處理(鋁 300℃，保溫30min，爐冷；銅450℃，保溫30min，爐冷)，且為增大界面的冶金結合 率，降低變形殘余應力，軋制后也要進行擴散退火(150～350℃，保溫30min，爐冷)， 耗費能源和工時(參考文獻7、8)；熱軋是指軋制溫度高于室溫100～300℃的軋制，熱 軋在軋前要加熱母材，導致浪費能源，并使母材表面氧化，甚至惡化界面焊合質量(參 考文獻9、10)，對于兩種趨向于形成脆性化合物的金屬，復合過程的實施是致命的(參 考文獻11)。趙鴻金，王達等人指出因銅在高于室溫的環境中易生成延展性好、軋制時 難以破除的氧化銅層，氧化膜的存在阻礙金屬間的冶金結合，因此銅鋁不適合熱軋(參 考文獻5)。

爆炸焊對覆板金屬的厚度和基、覆板的結構形狀有較高的要求，金屬鋁做覆板厚度 小于2mm時，基板與覆板間隙因覆板金屬撓度較大存在較大不均勻性、難以控制，最 終的結果是邊緣處難接觸，而中心部位被爆破。鋁-銅CPU散熱器，鋁型鰭片是通過擠 壓成型的，爆炸復合容易導致散熱器鰭片變形(參考文獻12)。此外爆炸焊接銅(15mm) /鋁(12mm)組合時，由于銅基層較軟會產生一些直徑約為10mm，深度約為3.5～4.0mm 的凹坑，需焊后補焊修復，且為避免鋁-銅界面溫度過度升高，鋁-銅復合區域的銅母材 不能補焊修復，補焊修復只能對鋁-銅復合區以外且距復合區域邊界30mm的銅面進行 修復(參考文獻13)。