!!Al_2O_3弥散铜_纯铜扩散焊工艺

文章编号：1002－025X(2012)01-0028-04

焊接技术第41卷第1期2012年1月

Al2O3弥散铜/纯铜扩散焊工艺

陈

健，崔

庭

（江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏镇江212003）

摘要：采用真空扩散连接工艺，对Al2O3弥散强化铜/纯铜的连接进行了试验研究。用扫描电镜分析了Al2O3弥散强化铜/纯铜扩散界面组织结构，研究了工艺参数对界面结合状态和组织结构的影响。通过正交试验得出各因素对接头抗拉强度的影响大小依次为：扩散温度＞压力＞保温时间。正交试验结果表明：焊接温度为550℃，保温时间为3h，压力为25MPa时，可获得组织均匀致密、界面连续的Al2O3弥散铜/纯铜扩散焊接头，且接头抗拉强度高达116．9MPa。关键词：Al2O3弥散铜；纯铜；真空扩散焊；正交试验中图分类号：TG453．9

文献标志码：B

应用难以推广，在许多实际应用场合，要求工作部位

0前言

随着电阻焊工艺在现代工业中的大量应用，对电

等关键之处采用该类高强高导铜合金，其他部位则可采用导电性优良而价格则相对低廉的纯铜来代替，从而降低生产成本。因此，Al2O3弥散铜/纯铜的连接具有重要的现实价值和社会意义。

阻焊设备各部件均提出了更高的要求。现在大量使用的电阻焊电极材料铬锆铜软化温度较低，工作时在高温、高压条件下频繁地与工件接触，使用寿命低，需经常更换，使电阻焊成本大幅提高，也严重影响了焊接生产的效率。另外，在焊接镀锌钢板时，由于铬锆铜电极容易与工件产生粘连，在焊接数点后，焊接质量便急速降低，严重影响焊点质量的一致性［1］。基于上述原因，急需寻找一种更好的材料来代替铬锆铜作为电阻焊的电极材料。

美国SCM公司在1973年开始推出Al2O3弥散强化铜［2］，作为高强高导的Al2O3弥散强化铜，其中加入热稳定性极高、呈弥散分布的第二相微粒Al2O3，能钉扎位错、晶界、亚晶界，使材料可在接近铜熔点的温度下工作［3－6］。同时，弥散相的加入量只占基体极小的体积分数，不影响铜基体固有的物理化学性质，因此受到人们的广泛关注。它的导电、导热性能和高温强度均大大优于铬锆铜合金，在点焊过程中能迅速传导焊接电流、消散焊区热量，适应高温、高压、高电流的工作环境，使用寿命为铬锆铜合金电极的4～10倍［7］。

1试验材料及方法

本研究使用的Al2O3弥散铜合金材料是由北京科技

大学帕迪克粉末冶金制品有限公司提供，其成分、力学性能及化学成分见表1［8］，纯铜为按照GB/T5231—

2001生产的T2铜。试验所用Al2O3弥散强化铜与纯

铜均加工成准10mm×30mm的棒状试样。

表1

母材

成分

Al2O3弥散铜的成分及力学性能

硬度电导率熔点（HRB）/（MS·m-1）/℃

抗拉强度软化温度

/MPa600

/℃930

Al2O3弥散铜

w（Cu）99．7％＋

w（Al2O3）0．3％

7653.361083

Al2O3弥散铜与纯铜的热导率、线膨胀系数相近，

且纯铜在高温下的氧化膜为CuO＋Cu2O（外层为

CuO，内层为Cu2O），这些氧化物容易还原，对真空

扩散焊影响不大［9］。真空扩散焊前需先用砂纸清除工件表面的氧化物并用丙酮去除油污。采用KJL－2型多功能真空炉，试验时真空度达到5×10－2Pa，加热速率为5℃/min。焊后将扩散焊试样按照GB/T228—

Al2O3弥散铜综合性能较好，但价格较高，实际2002的要求进行拉伸试验，利用ZEISS金相显微镜

和JSM－6480型扫描电镜（SEM）观察扩散结合区域与拉伸断口的组织特征。

加热温度、压力、扩散时间是影响扩散焊接头质

收稿日期：2011－11－04

基金项目：江苏省高校优势学科建设工程资助项目

WeldingTechnologyVol．41No．1Jan.2012·工艺与新技术·29

量的主要因素［10］，本试验选定这3个因素，对Al2O3弥散铜/纯铜固相扩散连接按照L9（33）正交表进行三因素三水平的正交试验，优化Al2O3弥散铜/纯铜固相扩散连接工艺参数。因素水平参数见表2。

表2

水平

因素A扩散温度/℃

因素水平因素B保温时间/h

因素C压力/MPa

浓度提高，这也有利于Cu原子的扩散［12］。但当扩散温度由550℃升高到600℃时，焊缝两侧母材晶粒迅速长大，降低了扩散焊接头的韧性，同时造成焊接接头处的晶界、亚晶界消失，导致接头抗拉强度下降。因此，选择合适的加热温度对提高扩散焊焊接接头质量十分重要。

123

500550600

234

152025

弥散铜

弥散铜

T2铜

T2铜

2试验结果及分析

按表2所设计的的正交试验方案，得出接头抗拉

强度的试验结果见表3。

表3

编号

因素A扩散温度/℃

正交试验结果与极差分析

因素B保温时间/h

因素C压力/MPa

抗拉强度

（a）T＝500℃

图1

（b）T＝550℃

不同扩散温度下接头断口形貌SEM

（2）保温时间对接头抗拉强度的影响

保温时间长，Cu原子的扩散均匀充分；保温时间太短，接头界面两侧的铜原子来不及充分扩散，导致接头界面处出现空隙，焊接接头强度较低。增加保温时间可以使接头组织更均匀，随着扩散时间的延长，原子扩散得到充分进行，接头强度也随之提高。但当保温时间延长到一定程度时，对焊接接头强度起不到进一步提高的作用，反而会使扩散焊接头出现晶粒长大，晶界、亚晶界消失现象，同样导致焊接接头的性能下降。

（3）焊接压力对接头抗拉强度的影响

焊接压力为15MPa时，接头界面上的大部分区域结合不够致密，在扫描电镜（SEM）下可以观察到扩散界面过渡区中存在大量孔洞及不连续的夹杂物，这些夹杂物附着在结合界面处，造成结合界面的不连续，如图2a所示。当焊接压力为25MPa时，在扫描电镜中观察到2种材料之间结合紧密，无孔洞及夹杂等缺陷，如图2b所示。

123456789K1K2K3k1（K1/3）k2（K2/3）k3（K3/3）

极差R

1（500）2（550）3（600）1（500）2（550）3（600）1（500）2（550）3（600）325．1417．2387．1108．4139．1129．030．7

1（2）1（2）1（2）2（3）2（3）2（3）3（4）3（4）3（4）335．8409．4384．2111．9136．5128．124．6

3（25）1（15）2（20）2（20）3（25）1（15）1（15）2（20）3（25）337．0372．6419．8112．3124．2140．127．8

110．6108．6116．6114．3166．9128．2100．2141．7142．3

影响的主次因素：

A＞C＞B

最优方案：

A2B2C3

由表3可以总结焊接工艺参数对接头抗拉强度试验结果的影响关系。

（1）加热温度对接头抗拉强度的影响

扩散的快慢主要由扩散系数D决定。扩散系数

D可用下式表示［11］：

D=D0e-Q/RT，

数；Q为扩散激活能；T为加热温度。

扩散系数D与加热温度T呈指数关系，随着温度的升高，扩散系数急剧增大。如图1所示，扩散温度由500℃上升到550℃时，由于温度升高，提高了原子的振动能，有助于Cu原子借助能量起伏而越过势垒进行扩散迁移，同时温度升高，金属内部的空位

（1）

式中：D为扩散系数；D0为扩散常数；R为气体常

弥散铜

T2铜

弥散铜

T2铜

（a）p＝15MPa

图2

（b）p＝25MPa

不同压力下接头断口形貌SEM

随着焊接压力的提高，焊接界面上的孔洞逐渐弥

30·工艺与新技术·焊接技术第41卷第1期2012年1月

合、消除，所得接头组织致密均匀，抗拉强度也较高。焊接压力对接头性能的影响主要是通过金属的塑性变形表现出来，宏观上看来已经十分光洁与平整的母材表面，微观上是凹凸不平的，适当的焊接压力可以使焊件表面微观凸起部分产生塑性变形后达到紧密接触状态，增大接触面积可以增加原子扩散通道，促进界面区的扩散。压力过小易产生界面孔洞，阻碍晶粒生长和原子穿越界面的扩散迁移，形成的接头强度一般不高。随焊接压力的提高，焊接界面处紧密接触的面积增大，空洞逐渐弥合、消除，所得组织致密均匀，抗拉强度会提高，但如果压力过大，接头变形严重，反而会使焊接接头的质量下降。

（4）因素主次影响及最佳参数

由表3中的极差结果分析可知，各因素对接头抗拉强度的影响大小依次为：扩散温度＞压力＞保温时间。本正交试验结果表明：在焊接温度为550℃，保温时间为3h，压力为25MPa时，接头的抗拉强度高达166．9MPa。在此工艺参数下的接头微观形貌如图

在扩散温度550℃，加热时间3h，压力为20

MPa时，接头拉伸断口微观形貌如图4a所示。观察

发现在界面区域有明显的韧窝，此外还有少量解理断裂特征，拉伸断口上存在一些颗粒状不连续的夹杂物，见图4a中圆圈中标出区域。界面处发现的夹杂物是由于焊接压力过小，界面局部氧化膜未完全破碎，这些颗粒状的夹杂物，很容易在界面附近引起应力集中，成为微裂纹。当应力值超过界面断裂应力的极限值时，就会引起界面断裂。此外，在界面处还发现了一些孔洞，见图4a中方框中标出区域。这些孔洞的出现也是由于焊接压力不够所致，所以，Al2O3弥散铜纯铜扩散连接界面存在孔洞缺陷造成接头的残余拉应力较大，容易产生界面断裂。

图4b是加热温度550℃，加热时间3h，压强为

25MPa时的接头拉伸断口微观形貌。从图中可以看

到接头为韧性断裂，断口界面韧窝清晰，接头强度较高。因此，增加焊接压力可以促使连接表面紧密接触，增大接触面积，减少孔隙和氧化膜等缺陷，增加原子的扩散通道，改善接头的组织。

3所示，由图3可以看到，Al2O3弥散铜/纯铜固相扩

散连接界面的连续性非常好，基本不存在孔洞，Al2O3弥散铜/纯铜接头冶金结合较好，所得组织致密均匀。

3结论

（1）Al2O3弥散铜/纯铜固相扩散连接时，加热温

度过低，原子扩散系数小，扩散速度慢，距离小，导

弥散铜

T2铜

致界面出现大量孔洞；加热温度过高，易造成晶粒长大，接头强度也不高。550℃为较佳扩散温度。

（2）Al2O3弥散铜/纯铜固相扩散连接过程中，保温3h可得到性能较好的接头。保温时间较短，由于扩散不充分会在接头界面处出现孔隙；但过长的保温

图3合理工艺参数下接头组织微观形貌

时间会引起界面两侧晶粒急剧长大。

（3）提高压力可提高Al2O3弥散铜/纯铜扩散焊接头的质量，减小孔洞、夹杂等缺陷，在试验所选工艺参数范围内，焊接压力为25MPa时可获得性能较好的焊接接头，但过高的压力也会导致纯铜产生较大的塑性变形。

（4）各因素对接头抗拉强度的影响大小依次为：扩散温度＞压力＞保温时间。在较优参数（扩散温度

（5）端口分析

采用扫描电镜（SEM）对Al2O3弥散铜/纯铜接头界面拉伸断口进行观察，其端口形貌特征如图4所示。

550℃，保温3h，压力25MPa）下进行的Al2O3弥散

（a）图4

（b）

铜/纯铜扩散焊所得焊接接头抗拉强度高达166．9

Al2O3弥散铜/纯铜扩散连接接头拉伸断口形貌

MPa，且断口处韧窝清晰，无孔洞、夹杂等缺陷。

WeldingTechnologyVol．41No．1Jan.2012·工艺与新技术·31

文章编号：1002－025X(2012)01-0031-03

温度对碳化钨涂层耐磨性能的影响

韩永梅

（天津百利机电控股集团有限公司研究院，天津300232）

摘要：利用超音速火焰喷涂技术（HVOF）制备WC－10Co－4Cr涂层，对涂层进行300℃×1h和500℃×1h热处理，利用X射线、扫描电镜和显微硬度仪检测热处理前后涂层组织、形貌和硬度的变化，并进行磨粒磨损试验，以分析涂层耐磨损性能的变化。结果表明：经过300℃×1h热处理后涂层的硬度、形貌和耐磨性能与喷涂态相比没有明显变化；经过500℃×1h热处理后涂层的硬度下降了8％，磨损失质量增加了约20％。

关键词：超音速火焰喷涂；WC－10Co－4Cr涂层；热处理；硬度；耐磨损性能中图分类号：TG174.442

文献标志码：B

热喷涂涂层质量主要依赖于喷涂材料及其加热和加速的方法。粒子飞行速度对涂层质量影响很大，较高的粒子速度可使涂层质量得到很大提高。超音速火焰喷涂因具有很高的粒子撞击速度（610～1060m/s），使得涂层结合强度、硬度、致密性和耐磨性都得到改善。采用该技术制备的涂层与等离子弧喷涂层相比，具有更高的致密度、硬度和结合强度。该技术广泛用于喷涂WC－Co硬质合金涂层。WC－Co系硬质合金由于其优良的耐磨损性能，已经被广泛地应用于部件的耐磨防护［1-2］。但是在550℃时，碳化钨会发生氧化分解，从而使得涂层的性能受到影响，因此碳化钨基

涂层的使用温度一般在500℃以下。可是中高温是否会对涂层的性能造成影响，国内外的研究中鲜有报道。本文利用超音速火焰喷涂系统在300M钢表面制备碳化钨涂层，研究从室温到500℃不同温度条件下涂层的性能变化，为该种涂层的安全应用提供支持。

1试验材料及研究方法

本试验采用TAFA公司生产的1350VM型的碳化

钨硬质合金粉末作为涂层材料，成分为w（Co）10％，

w（Cr）4％，其余为WC。粉末为团聚烧结型，粒度为15~45μm。粉末的形态和分布如图1所示。本试验

采用Praxair公司生产的JP－5000型超音速火焰喷涂系统制备涂层，该设备以航空煤油为燃料，氧气为助

收稿日期：2011－08－19

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!［6］郑

参考文献：

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Ⅱ·英文标题、摘要及关键词·焊接技术第41卷第1期2012年1月

DiffusionweldingtechnologyofAl2O3dispersion-strengthencopper/copperCHENJian，CUITing

（ProvincialLaboratoryofAdvancedWeldingTechnology，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang

212003，Jiangsupro．，China）P28－31

Abstract：Al2O3dispersion-strengthencopperandcopperwerebondedtogetherbyvacuumdiffusionweldingtechnology．Themicrostructurefeatureofthejointsinterfacewereinvestigatedbyscanningelectronmicroscope．TheinfluenceofdiffusionweldingparametersoninterfacecombiningstateandmicrostructureofAl2O3dispersion-strengthencopper/copperinterfacewerestudied．Throughorthogonalexperiment，theeffectorderofthreefactorswasasfollows：diffusiontemperature＞pressure＞holdingtime．Theexperimentresultsshowedthatwhendiffusiontemperaturewas550℃，holdingtimewas3h，pressurewas25MPa，thejointofAl2O3dispersion-strengthencopper/copperwascompactstructureandtheinterfacewascontinuous．Thetensilestrengthofjointwasupto116．9MPa．

Keywords：Al2O3dispersion-strengthencopper，copper，vacuumdiffusionwelding，orthogonalexperimentDesignofwelderingroupcontrolsystembasedonZigBeeandCANbusWANGChun1，2，LIAOYing-hua1，2，LIUGao-jun1，2，HUANGBo1，2

（1．SichuanProvincialKeyLabofProcessEquipmentandControl，Zigong643000，Sichuanpro．，China；2．Mechanical

EngineeringCollege，SichuanUniversityofScience＆Engineering，Zigong643000，Sichuanpro．，China）P34－36Abstract：Inviewofpresentsituationofmonitorsignalwasinterferedeasily，communicationwiringwascomplicatedwhenwelderworkingatthesametime，theschemeofwelderingroupcontrolwasproposedbasedonZigBeeandCANbus．Thesystemwascomposedofterminalnode，coordinatornodeandmonitoringcenter．Terminalnodewhichhadthefunctionofweldingparameteracquisition，couldtransmittheinformationtocoordinatorbasedonZigBeewireless．Theinformationcouldgettogetherincoordinatornodeandtransmittheinformationtomonitoringcenterwhichrealizedthefunctionofreal-timedisplay，warningandinquirebasedonCANbus．Theresultsshowedthatthissystem，whichcouldimprovethereliabilityandstabilityofcommunicationinnodes，providedthetechnicalsupporttoinformatizationofweldingproduction．

Keywords：ZigBee，CANbus，groupwelder，monitoringsystem

DesignofultrasonicmetalweldingmachineforlithiumbatteryelectrodeLIZheng-zhong，ZHOUGuang-ping，LIANGZhao-feng，CHENXin-hong

（UltrasonicTechnologyKeyLab，ShenzhenpolytechnicCollege，Shenzhen518055，Guangdongpro．，China）

P40－42，55

Abstract：Accordingtotheweldingprocessoflithiumbatteryelectrode，amechanicalstructurewasproposedbasedonpiezoelectricceramiclongitudinalvibration．Afulldigitalcontrolofultrasonicmetalweldingpowersystemwasdesigned．Inthisweldingpowersystem，phase-shiftedPWMdigitalamplitudecontrolling，amplitudestepping，programmablestartingrate，stackfrequencyautoseekingandfrequencyautotuningtechnologieswereapplied．Itwasprovedthatthemachinecouldtrackfrequencyquickly，preciselycontrolamplitudeandprotectfromallkindsoffaultinpracticalapplication．

Keywords：ultrasonicmetalweldingmachine，lithiumbattery，frequencytracking，phase-shiftedPWM