專利名稱：一種用于金屬材料的低溫擴散焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種用于金屬材料的低溫擴散焊接方法，具體地說，涉及一種金屬材 料自身表面納米化后再進行擴散焊接的工藝，擴散焊接溫度顯著降低。
背景技術：
擴散焊接是指將兩被焊工件緊壓在一起，置于真空或保護氣氛中，在一定的壓力 和溫度作用下，讓原子相互擴散以實現牢固連接的一種固態焊接方法。
本發明所指的低溫擴散焊接是指擴散焊接溫度遠低于傳統高溫擴散焊接的工藝 方法(例如，對于Cu，可望在300 40(TC實現擴散焊接，遠低于80(TC的傳統擴散焊接溫 度)。表面納米化為研發低溫擴散焊接方法提供了獨特的思路。本發明的基本構想是將表面 納米化技術應用于擴散焊接，利用納米結構的高擴散性和低晶粒長大溫度來大幅度降低傳 統擴散焊接方法的溫度和壓力，縮短保溫時間，并提高焊接接頭綜合服役性能。低溫擴散焊 接具有焊接溫度低、保溫時間短、壓力小、生產效率高和接頭強韌性能高等優點。低溫擴散 焊接可望在實現焊接的同時部分保留納米結構材料的優異性能，并在擴散焊接接頭形成強 韌且性能優異的雙模或多模顯微組織，這必將有效提高擴散焊接接頭的性能。同時，由于低 溫擴散焊接溫度低于金屬材料退火溫度，低溫擴散焊接過程對焊接工件母材性能無影響。
擴散焊接過程可以分為三個階段第一階段，變形一接觸階段；第二階段，擴散一 界面推移階段；第三階段，界面和孔洞消失階段。在上述三個階段中，第二階段是主要階段， 對擴散焊接接頭的形成過程起決定性作用。被焊接表面緊密接觸后，由于溫度和壓力的作 用，界面區的原子處于激活狀態，發生界面區原子的相互擴散，逐漸形成以金屬鍵為主要結 合形式的擴散焊接接頭。但此時接頭強度不高，必須繼續擴散保溫一定時間，使擴散層達到 一定深度。再通過回復、再結晶及晶界推移，形成牢固的冶金連接。可見，該階段是擴散焊 接過程的控制階段，如果能夠提高被焊材料界面區域的擴散系數，同時降低界面區域的再 結晶(晶粒長大)溫度，必將能夠使擴散焊接在較低溫度下進行，并且可以縮短保溫時間，降 低壓力，即實現低溫擴散焊接。納米結構材料所具有的高擴散性和低晶粒長大溫度特性正 滿足這些要求，使降低擴散焊接溫度在現實中成為可能。發明內容
本發明的目的在于提供一種將自身表面納米化運用到金屬材料的擴散焊接工藝， 以降低金屬材料低溫擴散焊接的溫度，并提高擴散焊接接頭的綜合機械性能。本發明所指 的低溫擴散焊接工藝僅適用于能夠進行基于表面嚴重塑性變形原理實現自身表面納米化 處理的金屬或合金材料。
具體地講，本發明以能夠實現自身表面納米化金屬材料為適用對象，采用自身表 面納米化方法制備表面納米晶結構，并將納米結構表面作為焊接面進行擴散焊接，通過優 化擴散焊接溫度、保溫時間和壓力等焊接規范得到具有工程應用價值的低溫擴散焊接接 頭。
—種用于金屬材料的低溫擴散焊接方法，其特征在于，包括如下步驟1)金屬材料的準備選用能夠實現自身表面納米化的金屬板材為擴散焊接的原材料， 用機械的方法將所述金屬板材的待焊接表面拋光，粗糙度達到3. 2μπι以上；2)自身表面納米化處理采用基于表面嚴重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在拋光處理后的所述金屬板材的待焊接表面制備納米結構表面層，得到表面 納米化金屬板材；3)擴散焊接將步驟2)所述的表面納米化金屬板材切割成合適的尺寸大小，并對納米 化表面進行機械拋光，粗糙度達到3. 2μπι以上，然后將納米化表面相接觸，放置在真空或 還原氣氛中，依次加壓、升溫進行擴散焊接。
所述自身表面納米化方法包括表面機械研磨、高能噴丸和動態軋制方法。
所述擴散焊接的壓力為2 20MPa。
所述擴散焊接的溫度為300 800°C。
所述擴散焊接的保溫時間是20 120min。
所述金屬板材能夠實現自身表面納米化，如純金屬或合金。更具體地，可以是銅、 鐵、鋁、鎂、鈦、鈷、鎳或低碳鋼。
擴散焊接接頭組織為粗晶、細晶混合的多模顯微組織結構，其綜合力學性能優于 普通擴散焊接工藝制備的接頭。
所述真空的真空度為3 10，所述還原氣氛是氫氣氛。
通過實驗優化擴散焊接規范主要參數焊接溫度、保溫時間、擴散焊接壓力，可以 得到綜合力學性能優于傳統擴散焊接工藝的接頭。由于擴散焊接的溫度降低，升溫和降溫 的時間都可以縮短，因此本發明可以降低擴散焊接生產成本，提高生產效率。
圖1為銅低溫擴散焊接接頭橫截面光學金相圖片； 圖2為銅低溫擴散焊接接頭拉伸斷口 SEM圖片。
具體實施方式
下面，通過以下實施例對本發明作進一步說明，它將有助于理解本發明，但并不限 制本發明的內容。
實施例1自身表面納米化銅的低溫擴散焊接。
(1)原材料的準備選用T2銅板作為自身表面納米化低溫擴散焊接的模型原材 料，用金相砂紙將銅板的一面拋光，得到光潔度滿足要求的表面，待用。
(2)自身表面納米化處理采用液氮溫度下動態軋制工藝進行自身表面納米化處 理，將銅板安裝在動態軋制表面納米化設備上，加入液氮冷卻，進行動態軋制處理，最后，在 銅板的表面獲得0. 4mm厚的納米結構層。
(3)恒溫恒壓擴散焊接將步驟(2)處理后的銅板，以納米化表面為焊接面進行擴 散焊接，焊接規范為，真空度ι χ IO-3Pa,焊接壓力lOMPa，焊接溫度400°C，擴散時間60min。
將表面納米化銅低溫擴散焊接接頭沿橫截面剖開，把橫截面研磨、拋光并用腐蝕劑腐蝕，采用金相顯微鏡進行顯微組織觀察、分析。圖1為焊接接頭橫截面的光學金相照 片，可見接頭界面不易分辨，顯微組織細小，部分晶粒跨界面生長，形成理想的接頭組織。 表面納米化銅低溫擴散焊接接頭拉伸斷口典型形貌如圖2所示，斷口可見大量類似韌窩 結構，與熱壓燒結納米晶銅拉伸斷口相似，大量存在的類似韌窩結構顯示表面納米化銅在 400 V下已經形成綜合性能較好的接頭，且接頭具有一定的塑性。
針對其他金屬板材，操作條件可以下范圍內調整擴散焊接的壓力為2 20MPa， 擴散焊接的溫度為300 800°C，擴散焊接的保溫時間是20 120min。
權利要求
1.一種用于金屬材料的低溫擴散焊接方法，其特征在于，包括如下步驟1)金屬材料的準備選用能夠實現自身表面納米化的金屬板材為擴散焊接的原材料， 用機械的方法將所述金屬板材的待焊接表面拋光，粗糙度達到3. 2μπι以上；2)自身表面納米化處理采用基于表面嚴重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在拋光處理后的所述金屬板材的待焊接表面制備納米結構表面層，得到表面 納米化金屬板材；3)擴散焊接將步驟2)所述的表面納米化金屬板材切割成合適的尺寸大小，并對納米 化表面進行機械拋光，粗糙度達到粗糙度3. 2 μ m以上，然后將納米化表面相接觸，放置在 真空或還原氣氛中，依次加壓、升溫進行擴散焊接。
2.根據權利要求1所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述自身表面納米化方法 包括表面機械研磨、高能噴丸和動態軋制方法。
3.根據權利要求1所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述擴散焊接的壓力為2 20MPa。
4.根據權利要求1所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述擴散焊接的溫度為 300 800"C。
5.根據權利要求1所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述金屬材料是純金屬或I=I 巫 O
6.根據權利要求1所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述擴散焊接的接頭組織 為粗晶、細晶混合的多模顯微組織結構。
7.根據權利要求1所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述真空的真空度為3 10，所述還原氣氛是氫氣氛。
8.根據權利要求5所述的低溫擴散焊接方法，其特征在于，所述金屬材料是銅、鐵、鋁、 鎂、鈦、鈷、鎳或低碳鋼。
全文摘要
本發明公開了一種用于金屬材料的低溫擴散焊接方法。該方法包括如下步驟1)擴散焊接材料的準備選用能夠實現自身表面納米化的金屬板材為擴散焊接的原材料，用機械的方法將待焊接表面拋光，達到一定的粗糙度要求；2)自身表面納米化處理采用基于表面嚴重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在板材的一個表面制備納米結構表面層；3)擴散焊接將步驟2)處理的表面納米化板材切割成合適的尺寸大小，并對納米化表面進行機械拋光達到滿足擴散焊接要求的粗糙度，準備進行低溫擴散焊接。將納米化表面相接觸，放置在真空或還原氣氛中，依次加壓、升溫進行擴散焊接。本發明可以降低擴散焊接生產成本，提高生產效率。
文檔編號B23K20/02GK102039484SQ201010565128
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者于治水, 李 東 申請人:上海工程技術大學