[发明专利]一种缓解钎焊接头残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种缓解钎焊接头残余应力的方法。

背景技术

钎焊过程中，由于被焊母材间以及被焊母材与焊缝金属之间的热膨胀系数、弹性模量差异导致焊接接头中形成焊接残余应力，特别是在异种材料焊接时，由于热膨胀系数以及弹性模量等材料性能差异更大，形成的焊接残余应力问题更加突出。焊接残余应力降低了焊接接头的力学性能和使用性能，严重时可导致焊接接头直接开裂，使焊接接头失效。因此，如何缓解钎焊接头中的残余应力成为焊接工艺中的重要因素。

目前，关于钎焊接头残余应力的调节方法主要有中间层方法和复合钎料法。中间层方法是在钎缝中引入金属中间层箔片，按照引入金属箔片的性质可以分为软金属中间层、低膨胀金属中间层以及复合中间层等方法。软金属中间层是利用软金属的塑性变形和蠕变变形来缓解接头的残余应力，如Cu、Al、Ni等。如纯Cu具有韧性好、易变形的特点，因此用软金属作中间层时可减小异种金属、陶瓷/金属接头在冷却过程中产生的残余应力。具有面心立方点阵晶体结构的纯Al的熔点低、强度低且易变形，作中间层时不仅有利于减小异种金属材料、陶瓷/金属接头冷却过程所产生的应力还可降低连接的温度。在陶瓷-金属钎焊接头中，常选用热膨胀系数低、弹性模量高的硬金属中间层调节残余应力。低膨胀中间层如W、Mo、Ta等，利用这些材料的膨胀系数与陶瓷材料较为接近的特点，缓解接头的残余应力。如果在钎缝中同时引入软金属中间层和低膨胀中间层则形成复合中间层，复合中间层实现钎焊接头中的热膨胀系数从一侧到另一侧梯度过渡，从而缓解接头的残余应力。复合中间层一般由软、硬金属层交替组成，如W/Cu、Cu/Ti/Cu和Ni/W/Ni等，其形式为多层金属叠合，或通过电镀、CVD或PVD等方法制备。上述方法中复合中间层具有一定的效果，可以一定程度提高钎焊接头的力学性能，但是这种方法涉及多种中间层，方法复杂而不易实现，而且只适用于平面搭接等形状简单的焊接接头。

复合钎料法在陶瓷材料以及陶瓷-金属连接中研究较多。复合钎料法是通过向金属钎料中直接添加或在钎焊过程通过原位反应而生成具有低热膨胀系数、高弹性模量的增强相，以实现对钎焊接头的复合化设计。该方法通过对添加或生成增强相的控制，降低钎缝的热膨胀系数，提高其弹性模量，使钎缝与被焊材料的热膨胀系数和弹性模量尽量接近，从而减缓接头的残余应力。但是，复合钎料法并未改变被焊母材与焊缝金属间的物性不匹配问题。此外复合钎料法中的增强相弹性模量较大、质地较脆，因此无论是直接添加还是原位合成都会增加焊接接头的脆性，从而给焊接接头性能带来不利影响。

综上所述，设计一种简单易行、经济性好的方法缓解钎焊接头残余应力、提高焊接接头力学性能成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明是要解决现有钎焊接头残余应力的调节方法复杂以及会给焊接接头性能带来不利影响的问题，提供了一种缓解钎焊接头残余应力的方法。

本发明一种缓解钎焊接头残余应力的方法，是按照如下步骤进行：

一、制备多孔金属中间层坯体：将粒度为100～325目的金属粉末装于模具中冷压，得到多孔金属中间层坯体；其中，压力为5～30MPa，保持时间为5～15min，冷压次数为3～5次；

二、制备具有不同孔隙率的块体多孔金属材料薄片：将步骤一得到的多孔金属中间层坯体置于真空炉中，然后将真空炉的真空度抽至1×10^-3Pa后进行热处理并保温，再冷却至室温，得到具有不同孔隙率的块体多孔金属材料，然后利用线切割方法切成厚度为0.1～0.5mm的具有不同孔隙率的块体多孔金属材料薄片；

三、去除待焊材料表面的氧化膜和油污；对步骤二得到的具有不同孔隙率的块体多孔金属材料薄片进行有机溶剂超声清洗；将待焊材料、具有不同孔隙率的块体多孔金属材料薄片和钎料进行组装，得到装配后的构件；

四、将步骤三的得到的装配后的构件放置于真空钎焊炉中，施加3～5MPa的焊接压力，然后将真空钎焊炉中真空度抽至1×10^-3Pa，再以加热速率为10～30℃/min的速度加热至焊接温度并保温，然后冷却至室温，即完成钎焊。

本发明的一种缓解钎焊接头残余应力的方法通过合理设计多孔金属中间层孔隙率以及厚度等，通过多孔金属中间层的高变形能力调节钎焊接头应力大小和分布，降低钎焊接头残余应力峰值，提高焊接接头力学性能。多孔金属中间层变形能力强，可以通过变形释放部分焊接残余应力，提高焊接接头的力学性能。此外，本发明方法无需特殊设备、方法简单易行、容易实现。