[发明专利]厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法

说明书

技术领域：

本发明属于焊接领域，涉及一种分步搅拌摩擦钎焊法，尤其是一种厚铝板与坚硬异种材料的分步搅拌摩擦钎焊法。

背景技术：

目前，在城市轻轨所用铝/不锈钢接触轨的制备方面，为提高抗振动能力，消除火花，增大导电面积，出现用焊接技术代替传统挤压技术的需求趋势。然而，铝材与坚硬异种材料(如不锈钢、铜、钛、钢)的焊接是一古老的技术难题，迄今仍未建立起公认的质优价廉的工艺。而且，随板厚增大或焊接面积的增大，焊接难度也增大。以铝/不锈钢(Al/SUS)为例，这是一种典型的难焊组合，无论采用弧焊方法还是钎焊方法都十分困难^[1]。其原因在于除了易于形成金属间化合物外，还有两者的表面氧化膜均难以破除，且两者与钎料的反应存在很大差异。当采用弧焊方法时，与铝/钢组合相同，主要是Fe-Al金属间化合物(IMC)会使接头脆化。当采用钎焊方法时，虽然在钎焊过程中母材为固态而有利于避免金属间化合物迅速、过度增厚，但两者表面的氧化膜均致密、稳定、难熔、强固而难以破除，由此导致钎料对母材的润湿性变差。鉴于铝/不锈钢电弧焊可焊性极差，以下主要综述其钎焊技术发展概况。

早在1999年，瑞士的Roulin等人用Al-12Si共晶钎料和氟化物钎剂K₃AlF₆-KAl F₄在600℃温度下炉中钎焊铝和不锈钢，保温时间为10分钟时规范下获得的接头剪切强度最高，但该最大剪切强度也仅为21MPa；接头强度低的原因在于界面区存在两个不同反应层FeSiAl₅和FeAl₃^[2，3]。

日本东京工业大学Liu与Suzumura采用Al-12Si钎料配合F19钎剂(由氯化物、氟化物组成的活性钎剂)进行了纯铝/不锈钢的钎焊实验^[4]。有必要强调指出，这种组合的钎焊过程实质为异种金属的过渡液相扩散焊。其试验结果表明，对于这种异种金属的过渡液相扩散焊，Al-12Si钎料与两种母材的反应速度不同，即Si原子会迅速扩散入铝母材之内(特别当使用含有Zn的钎剂时，Si向铝母材中的扩散还会被进一步加速)，但Al-12Si钎料与不锈钢的反应速度缓慢，由此导致Al-12Si钎料在尚未与不锈钢母材发生作用之前过早等温凝固，这样尽管铝/钎料界面结合尚可，但铝/不锈钢界面结合极差。此外，由于采用了钎剂，焊后还必须附加清理钎剂的工序，以防钎剂对铝母材的腐蚀。

日本大阪大学才田一幸提出了在不锈钢一侧预先制备软质Ag、Cu、Ni活化层的技术方案^[5]。最近，吴铭芳对采用Cu箔进行Al/Cu/SUS(Cu箔厚10μm，570℃×20min×0.1MPa)的接触反应钎焊(contactreactive brazing)，长时间保温后，虽界面渐趋致密，但仍有大量Cu未扩散如Al母材，包含IMC的反应区域宽度接近50μm，IMC的厚度有待进一步减小^[6]。

另有法国与日本研究人员采用激光钎焊工艺，虽热输入小，有利于抑制金属间化合物过度增厚，但仍需要钎剂去膜，而且设备投资高昂^[7，8]。

近年来，国内哈尔滨工业大学对铝/不锈钢焊接进行了较为系列的研究。提出的主要方法有：接触反应钎焊、不锈钢表面预先热浸铝后再钎焊、熔-钎焊(可采用TIG、MIG、Laser等热源)^[9-11]。何鹏等提出的“接触反应钎焊”采用Si粉作中间层，可有效去除铝母材侧表面的氧化膜，但焊接温度较高(600℃)，难以用于一些熔点较低的铝合金与不锈钢的钎焊^[12]。“不锈钢表面预先热浸铝后再钎焊”存在工序复杂、额外耗能等美中不足。熔-钎焊虽然避免了不锈钢的熔化以抑制过量金属间化合物的生成，但仍存在弧光辐射或飞溅；需使用钎剂(将特种钎剂——改性后的Nocolock钎剂用丙酮调和并均匀地涂覆在不锈钢坡口端面及附近的钢板上下表面，涂覆量以刚刚盖过不锈钢表面为宜)以改善液态铝合金对不锈钢的润湿性；由于需要在很窄的焊道加热范围内一方面使铝熔化而另一方面仍使不锈钢保持固态，故对操作技术的要求高^[13]。当采用激光能源进行熔-钎焊时，设备投资大、铝材对激光的反射率高而吸收率低等不足也限制了该项技术的大面积推广应用^[14]。