[发明专利]一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及一种搅拌摩擦钎焊的方法。

背景技术

双金属材料是由材质不同的由基材与覆材组成的，两者之间的结合强度取决于其焊 接质量。由于基材与覆材之间的焊接属于异种金属之间的焊接，所以在焊接界面很容易出 现脆性金属间化合物。为了抑制金属间化合物的厚度，常采用适于大面积焊合的固相焊接 方法。目前，工业中常用的有轧制复合法(也称压延法)、爆炸焊复合法、扩散复合合法 等。其中最常用的是爆炸焊复合法与轧制复合法。爆炸复合法的缺点有：对环境、管理、 操作的安全性有严格要求；对生产单位的资质有严格要求，限制了其在一般生产单位的广 泛应用；边部较大区域的焊接质量差，焊后需切除；安全性差，噪声大；不适于较小面积 板材的制备或小面积焊接的工况，灵活性差。轧制复合法又分热轧法与冷轧法。热轧法的 工艺流程一般为：先对母材四周预先进行封闭焊接→放入密闭容器内→排气→加热→压延。 热轧法的优点在于高温下材料屈服强度低、对轧机要求低；缺点在于需采取复杂的且高成 本的防止界面氧化措施、能耗大、金属间化合物易增厚。冷轧法的工艺流程一般为：表面 处理→轧制复合→退火强化。冷轧复合法虽有利于防止界面氧化，但仅实现新生界面间的 紧密接触还不足以形成稳定、牢固的界面结合，轧后还需进行扩散热处理，以促使原子相 互扩散，进一步强化并稳定结合性能；另外，冷轧复合法对材料的塑性有要求，否则，在 大压下率的情况下可能出现裂纹。

由铝材与异种金属材料(如钢或不锈钢)组成的双金属复合板结合了两种材料的优点， 在防腐、耐磨场合有广阔应用前景。目前，铝/钢(Al/steel)双金属复合板主要采用“冷 轧+轧后扩散”方法制备。如上所述，对于冷轧方法，在确保界面致密性的前提下，如何 降低轧制压力，特别是如何能免除轧后扩散热处理(以便缩短流程、节约能源)应是新方 法的突破口。可行的对策是在上/下板之间预置合适的钎料，利用钎料熔化后所得的液相 易于流动的特点填充界面空隙，获得致密界面；同时，利用液相对母材的溶解作用破除母 材表面氧化膜，获得洁净界面。

然而，对于Al/steel复合系，其钎焊技术，特别是炉中钎焊存在相当大的难度，较为 理想的钎焊技术尚未确立，世界各国均在竞相开发之中。众所周知，对于铝材与较强异种 金属材料(如Al/steel、Al/Ti、Al/stainless steel、Al/Cu)焊接，由于传统电弧焊无法避免 脆性金属间化合物的形成，因此，电弧焊不能用于铝材与上述较强异种金属材料的焊接， 因而钎焊成为铝材与异种金属材料焊接的主要工艺方法。这主要是由于钎焊具有加热温度 低、可避免母材熔化，因而有利于避免脆性金属间化合物。特别在薄板的焊接方面、熔焊 可焊性差铝材的焊接方面，钎焊仍有很强的生命力。决定铝与异种金属材料钎焊成败的关 键在于：(A)铝材表面氧化膜的破除情况(氧化铝膜熔点高、致密、高温稳定性强，难以 破除)；(B)界面金属间化合物的抑制情况。

但是，无论是现行的炉中钎焊(Furnace Brazing)，还是发达国家积极研发的激光 钎焊(Laser Brazing)，都存在诸多明显的缺点。

传统电阻炉炉中钎焊存在如下显著缺点(主要是冶金质量可控性差)：

(1)能耗高：其主要原因在于热源来自于大电流流经发热体(如钼片、石墨等)的 焦耳热，而工件依赖发热体的辐射被间接加热；而且被加热区为整个工件，无法实现仅对 焊接区的局部加热。此外，发热体的辐射热并非能全部用于加热工件，水冷炉壁的大面积 散热也是降低热效率的重要原因。

(2)加热/冷却速度慢，耗时长：其原因在于升温过程中，一方面工件依赖发热体 的辐射被间接加热，另一方面炉膛的热惯性大，两者均限制了工件的快速升温；降温过程 中，同样因炉膛的热惯性大，且工件为整体加热，两者均使冷却速度缓慢。缓慢的加热/ 冷却速度使接头的实际高温停留时间被延长(可控性差)，易使界面处生成的脆性金属间 化合物过度增厚，接头随之脆化。

(3)需钎剂、真空或氩气保护：这些措施虽有利于破除铝表面的氧化膜；改善钎料 对铝基体的润湿性；防止钎焊过程中出现新的氧化；但会增大生产成本。

(4)由于熔融钎剂、钎料(Al-Si)紊乱而不均匀的宏观填缝流动，形成夹气、夹渣 类致密性缺陷，实际钎着率低(如铝/不锈钢的钎着率只有60-70％)。