一種鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及鋁銅的擴散焊方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，由于當代宇航、電力電子、原子能等工業的快速發展，銅鋁復合件由于其 優良的機械性能和導電性能等，其應用也越來越廣泛。如鋁銅復合片廣泛地應用在一些航 空儀表中；將鋁管和銅管連接成密封接頭，其常用于制造冷凍設備，如銅、鋁接頭常用在家 用冰箱的冷凝器與冷凍系統的焊縫處，供暖設備和其它水循環裝置。
[0003] 銅鋁連接屬于異種金屬之間的連接，常見的異種金屬材料焊接方法有釬焊、壓焊、 真空擴散焊。但由于釬焊時為了去除鋁表面氧化物通常會配合釬劑使用，使用釬劑的焊后 剩余的釬劑殘渣極易吸潮構成電解液，相當于強烈的腐蝕劑，對焊好的接頭進行腐燭。相比 較而言真空擴散焊對外部力量和材料本身的依賴性較弱，具有連接界面平整、空洞缺陷密 閉性好、連接層強度高等優點。
[0004] 采用真空擴散焊時，由于鋁的化學性質活潑極易在其表面形成致密的高熔點氧化 膜，在鋁表面存在一層氧化膜，阻礙母材的潤濕和界面的結合，進而降低了接頭的綜合性 能。故而亟需尋找有效的方法在進行焊接時可以將氧化膜同時去除，使得金屬原子之間直 接接觸，實現尚品質的銅錯焊接。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決采用真空擴散焊時，由于鋁的化學性質活潑極易在其表面形成致密 的高熔點氧化膜，在鋁表面存在一層氧化膜，阻礙母材的潤濕和界面的結合，進而降低了接 頭的綜合性能的問題，而提供一種鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法。
[0006] -種鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法，具體是按照以下步驟進行的：
[0007] -、將鋁或鋁合金的待焊部位機械清理，然后置于丙酮溶液中超聲清洗lOmin~ 30min，得到清洗后的鋁或鋁合金；將銅的待焊部位機械清理，然后置于丙酮溶液中超聲清 洗lOmin~30min，得到清洗后的銅；
[0008] 二、將清洗后的鋁或鋁合金置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空 至壓強為10 3Pa以下，以氣體流量為20sccm~60sccm通入氫氣，調節抽真空速度將等離子 體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為l〇〇Pa~300Pa，并在壓強為lOOPa~300Pa和 氫氣氣氛下將溫度升溫至為100 °C~400°C;
[0009] 三、升溫后，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制 為200Pa~400Pa，然后在沉積系統射頻功率為100W~200W、壓強為200Pa~400Pa和溫 度為100°C~400°C條件下進行沉積，沉積時間為2min~30min，沉積結束后，關閉射頻電源 和加熱電源，即得到表面氫化處理的鋁或鋁合金；
[0010] 四、將表面氫化處理的鋁或鋁合金與清洗后的銅按待焊部位相對形式貼合，得到 貼合后的材料，將貼合后的材料置于真空釬焊爐中，關閉真空室，打開抽真空系統，抽真空 至壓強為10 3Pa~10 4Pa，開啟加熱系統，將真空釬焊爐溫度升溫至400°C~600°C，然后對 貼合后的材料施加IMPa~lOMPa的壓力，然后在溫度為400°C~600°C下及壓力為IMPa~ lOMPa的條件下，保溫lOmin~60min，保溫后卸載壓力，關閉加熱系統，在壓強為10 3Pa~ 10 4Pa的條件下，進行隨爐冷卻至室溫，即完成鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法。
[0011] 本發明的有益效果是：本發明一種鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法的原理 是：采用等離子體增強化學氣相沉積設備，通過氫離子轟擊鋁材表面，一旦表面被電離的氫 原子削弱，在Wulff重建的驅動力下，表面通過鋁原子的擴散與金屬側面形成孔洞，鋁的亞 結構以及晶體學位向嚴重影響孔洞的形貌及生長速率，一旦孔洞長到晶體尺寸，內部的氣 壓就足以使氧化膜層破碎。對銅和表面無氧化膜的鋁進行真空擴散焊，可使得銅鋁金屬原 子直接接觸，有利擴散，形成高質量的接頭。
[0012] 綜上本發明采用氫氣去膜的鋁銅擴散焊方法具有以下優點：
[0013] 1、本發明采用等離子體增強化學氣相沉積方法對鋁材進行氫氣處理，通過氫離子 轟擊鋁材表面，使得鋁材表面儲存一定量的氫，在真空擴散焊時，聚集的氫產生的壓力使得 氧化膜發生塑性變形，直至破裂。
[0014] 2、由于減少了鋁材表面氧化膜的影響，大大提高了銅鋁之間的接觸潤濕和相互擴 散，有利于形成高質量的接頭。
[0015] 3、本發明采用的方法簡單，高效，低成本，便于工業化生產。
【具體實施方式】
[0016] 本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之 間的任意組合。
【具體實施方式】 [0017] 一：本實施方式所述的一種鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法， 具體是按照以下步驟進行的：
[0018] -、將鋁或鋁合金的待焊部位機械清理，然后置于丙酮溶液中超聲清洗lOmin~ 30min，得到清洗后的鋁或鋁合金；將銅的待焊部位機械清理，然后置于丙酮溶液中超聲清 洗lOmin~30min，得到清洗后的銅；
[0019] 二、將清洗后的鋁或鋁合金置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空 至壓強為10 3Pa以下，以氣體流量為20sccm~60sccm通入氫氣，調節抽真空速度將等離子 體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為l〇〇Pa~300Pa，并在壓強為lOOPa~300Pa和 氫氣氣氛下將溫度升溫至為100 °C~400°C;
[0020] 三、升溫后，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制 為200Pa~400Pa，然后在沉積系統射頻功率為100W~200W、壓強為200Pa~400Pa和溫 度為100°C~400°C條件下進行沉積，沉積時間為2min~30min，沉積結束后，關閉射頻電源 和加熱電源，即得到表面氫化處理的鋁或鋁合金；
[0021] 四、將表面氫化處理的鋁或鋁合金與清洗后的銅按待焊部位相對形式貼合，得到 貼合后的材料，將貼合后的材料置于真空釬焊爐中，關閉真空室，打開抽真空系統，抽真空 至壓強為10 3Pa~10 4Pa，開啟加熱系統，將真空釬焊爐溫度升溫至400°C~600°C，然后對 貼合后的材料施加IMPa~lOMPa的壓力，然后在溫度為400°C~600°C下及壓力為IMPa~ lOMPa的條件下，保溫lOmin~60min，保溫后卸載壓力，關閉加熱系統，在壓強為10 3Pa~ 10 4Pa的條件下，進行隨爐冷卻至室溫，即完成鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法。
[0022] 本實施方式的有益效果是：本實施方式一種鋁或鋁合金與銅的真空擴散焊接方法 的原理是：采用等離子體增強化學氣相沉積設備，通過氫離子轟擊鋁材表面，一旦表面被電 離的氫原子削弱，在Wulff重建的驅動力下，表面通過鋁原子的擴散與金屬側面形成孔洞， 鋁的亞結構以及晶體學位向嚴重影響孔洞的形貌及生長速率，一旦孔洞長到晶體尺寸，內 部的氣壓就足以使氧化膜層破碎。對銅和表面無氧化膜的鋁進行真空擴散焊，可使得銅鋁 金屬原子直接接觸，有利擴散，形成高質量的接頭。
[0023] 綜上本實施方式采用氫氣去膜的鋁銅擴散焊方法具有以下優點：
[0024] 1、本實施方式采用等離子體增強化學氣相沉積方法對鋁材進行氫氣處理，通過氫 離子轟擊鋁材表面，使得鋁材表面儲存一定量的氫，在真空擴散焊時，聚集的氫產生的壓力 使得氧化膜發生塑性變形，直至破裂。
[0025] 2、由于減少了鋁材表面氧化膜的影響，大大提高了銅鋁之間的接觸潤濕和相互擴 散，有利于形成高質量的接頭。
[0026] 3、本發明采用的方法簡單，高效，低成本，便于工業化生產。
【具體實施方式】 [0027] 二：本實施方式與一不同的是：步驟二中將清洗后的 鋁置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為103Pa以下，以氣體流量 為3〇SCCm通入氫氣，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制 為250Pa，并在壓強為250Pa和氫氣氣氛下將溫度升溫至為200°C。其它與一 相同。
【具體實施方式】 [0028] 三：本實施方式與一或二之一不同的是：步驟二中將 清洗后的鋁置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空至壓強為10 3Pa以下，以 氣體流量為5〇SCCm通入氫氣，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中 壓強控制為250Pa，并在壓強為250Pa和氫氣氣氛下將溫度升溫至為300°C。其它與具體實 施方式一或二相同。
【具體實施方式】 [0029] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：步驟三中升 溫后，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為300Pa，然后 在沉積系統射頻功率為125W、壓強為300Pa和溫度為300°C條件下進行沉積，沉積時間為 15min。其它與一至三相同。
【具體實施方式】 [0030] 五：本實施方式與一至四之一不同的是：步驟三中升 溫后，調節抽真空速度將等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強控制為300Pa，然后 在沉積系統射頻功率為175W、壓強為300Pa和溫度為200°C條件下進行沉積，沉積時間為 15min。其它與一至四相同。
[0031]
【具體實施方式】六：本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是：步驟四中然 后在溫度為450°C下及壓力為5MPa的條件下，保溫50min。其它與【具體實施方式】一至五相 同。
[0032]
【具體實施方式】七：本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是：步驟四中然 后在溫度為550°C下及壓力為5MPa的條件下，保溫20min。其它與【具體實施方式】一至六相 同。
[0033]
【具體實施方式】八：本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是：步驟四然后 在溫度為550°C下及壓力為2. 5MPa的條件下，保溫35min。其它與【具體實施方式】一至七相 同。
[0034]
【具體實施方式】九：本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是：步驟四然后 在溫度為450°C下及壓力為7. 5MPa的條件下，保溫35min。其它與【具體實施方式】一至八相 同。