[发明专利]一种用于异种金属搭接的搅拌摩擦共晶反应焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及异种共晶金属(如Cu/Al组合，Cu/Ti组合，Al/Zn组合，Al/Mg组合) 搭接焊接及其复合板制备方法。

背景技术

铜/铝大面积搭接接头(薄铜在上，厚铝在下)在散热器行业(如CPU行业)、电 力行业(输电母线)、冶金行业(供电母线)等行业应用极为广泛。改善散热器的散热 效果对提高大型计算机CPU运算速度具有重要的意义，通常采用在铝合金散热翅片反 面钎焊一层5～6mm厚的紫铜板，或者改用铜热管外包铝合金翅片结构，以提高散热效 果，铜铝接头采用板-板或管-板搭接形式(参考文献1)。在电力行业中为降低成本常用 铝代替铜，变压器和放电器等重要设备中引线端是铜母线，而一般电器线路中的导线多 为铝母线。铝铜的连接通常有机械连接和焊接，与机械连接方式相比，焊接具有结合强 度高、界面电阻小、简化施工及安装、方便维修等优点(参考文献2)。

Al/Cu复合困难在于：(1)易形成脆性金属间化合物(IMC)；(2)铝表面氧化膜难 以去除。常见的熔焊方法无法用于大面积搭接，而且因脆性金属间化合物导致接头脆化， 难以获得可靠的接头。闪光焊只适于对接接头，耗电大；烧化末期端部熔化深度有一定 的随机性使残留金属间化合物的量难以控制，加之对顶锻速度要求极高(冲击式顶锻)， 引起接头性能不稳定，重复性差、接头合格率低。采用铝基钎料钎焊铜/铝接头时，尽 管铝侧形成联生结晶，但在铜侧及钎缝内因出现CuAl₂而导致裂纹产生。铜基钎料因熔 点高而无法使用。锌基(Zn-2Al，Zn-15Al，Zn-22Al)或锡基软钎料虽然钎焊温度低， 有利于降低金属间化合物的形成，但对铝的润湿性很差，常要求使用钎剂，如无腐蚀性 钎剂KAlF₄-CsAlF₄(参考文献3、4)。目前铝-铜大面积搭接复合方法主要有轧制复合 法(较多)和爆炸复合法(较少)(参考文献5)，此外还有申请者于2011年在国内外 刊物公开的搅拌摩擦钎焊(FSB:frictionstirbrazing)方法(参考文献6)。

轧制复合分为冷轧和热轧。冷轧是指在室温下进行的轧制，由于轧制过程中要发生 大的变形量，因此为防止过量变形导致的开裂，冷轧前常要对基体金属进行退火处理(铝 300℃，保温30min，炉冷；铜450℃，保温30min，炉冷)，且为增大界面的冶金结合 率，降低变形残余应力，轧制后也要进行扩散退火(150～350℃，保温30min，炉冷)， 耗费能源和工时(参考文献7、8)；热轧是指轧制温度高于室温100～300℃的轧制，热 轧在轧前要加热母材，导致浪费能源，并使母材表面氧化，甚至恶化界面焊合质量(参 考文献9、10)，对于两种趋向于形成脆性化合物的金属，复合过程的实施是致命的(参 考文献11)。赵鸿金，王达等人指出因铜在高于室温的环境中易生成延展性好、轧制时 难以破除的氧化铜层，氧化膜的存在阻碍金属间的冶金结合，因此铜铝不适合热轧(参 考文献5)。

爆炸焊对覆板金属的厚度和基、覆板的结构形状有较高的要求，金属铝做覆板厚度 小于2mm时，基板与覆板间隙因覆板金属挠度较大存在较大不均匀性、难以控制，最 终的结果是边缘处难接触，而中心部位被爆破。铝-铜CPU散热器，铝型鳍片是通过挤 压成型的，爆炸复合容易导致散热器鳍片变形(参考文献12)。此外爆炸焊接铜(15mm) /铝(12mm)组合时，由于铜基层较软会产生一些直径约为10mm，深度约为3.5～4.0mm 的凹坑，需焊后补焊修复，且为避免铝-铜界面温度过度升高，铝-铜复合区域的铜母材 不能补焊修复，补焊修复只能对铝-铜复合区以外且距复合区域边界30mm的铜面进行 修复(参考文献13)。