軟導(dǎo)體用無氧銅帶材的擴(kuò)散焊工藝和接頭性能

徐玉松，焦雅麗，林娜娜

（江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

在發(fā)電廠和變電站，兩個(gè)固定電器設(shè)備之間常常采用軟導(dǎo)體作為過渡連接，這種軟導(dǎo)體是由多層薄銅帶材（厚度不超過1 mm）層疊而成、具有導(dǎo)電性和撓性的層疊體。此形式的軟導(dǎo)體也叫柔性母排，可實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)大電流傳輸，具有安裝維護(hù)簡單、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低導(dǎo)體正常工作時(shí)的溫升［1］。為了保證軟導(dǎo)體銅片層之間完全接觸、降低電壓損耗、提高工作效率，多數(shù)廠家采用擴(kuò)散焊對(duì)銅帶進(jìn)行處理。多層的銅帶經(jīng)擴(kuò)散焊處理后成為塊狀整體，各層銅片之間的接觸電阻幾乎為零。經(jīng)擴(kuò)散焊焊接后的銅帶軟導(dǎo)體不僅外形美觀，而且具有載流量大、導(dǎo)電性能好、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)。

然而，經(jīng)擴(kuò)散焊處理的銅帶軟導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用中因銅的韌性和疲勞強(qiáng)度下降［2］，會(huì)出現(xiàn)斷裂破損。作者研究發(fā)現(xiàn)某9 MW 汽輪發(fā)電機(jī)出口連接處軟導(dǎo)體的失效是因?yàn)閿U(kuò)散焊焊接質(zhì)量不合格而引起的?；诮Y(jié)合銅片間連接面積大和層間連接強(qiáng)度高的特點(diǎn)，為了提高擴(kuò)散焊接頭的質(zhì)量與性能，作者對(duì)無氧銅帶材采用加中間層和不加中間層的焊接工藝分別在不同的加熱溫度和保溫時(shí)間下進(jìn)行了擴(kuò)散焊試驗(yàn)研究，并對(duì)接頭的界面結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了較深入的分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

銅帶軟導(dǎo)體擴(kuò)散焊是在惰性氣體或真空狀態(tài)下進(jìn)行的，無需添加任何焊劑，通過電流使銅片產(chǎn)生熱量，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，各層銅片完全在固態(tài)下焊接為塊狀。由于多層銅帶材擴(kuò)散焊的成型原理與熱壓燒結(jié)機(jī)的工作原理相似，因此采用1mm 厚無氧銅帶材作為原材料，重新設(shè)計(jì)了石墨裝置，在SPS－10T－5型等離子熱壓燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)用材料包括25mm×50mm×1mm 無氧銅帶材、25 mm×10 mm×1 mm 鍍銀無氧銅帶材（鍍層厚度9μm）及釬料BAg45CuZn箔片（厚度為100μm）。焊前先用砂紙打磨原料表面，然后用丙酮擦洗去除油污，最后用酒精沖洗并吹干。無中間層的搭接為兩塊無氧銅帶材直接搭接，有中間層的搭接如圖1所示，中間層的填充料為鍍銀無氧銅帶材或釬料。試樣裝配好之后先放入石墨塊之間，再放入SPS－10T－5型真空加熱爐中，加熱溫度范圍為740～940 ℃，保溫時(shí)間為2～7min，真空度為8.9×10－2Pa，升溫速率為30 ℃·min－1，降溫速率為30 ℃·min，壓力為4～5 MPa。

圖1 搭接接頭試樣示意Fig.1 Schematic of lap joint of sample

采用CMT5205型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉剪試驗(yàn)；采用JSM－6480型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察接頭的界面形貌和拉剪斷口形貌，并用其附帶的能譜儀（EDS）對(duì)接頭進(jìn)行能譜分析；利用HV－30Z／LCD型維氏硬度計(jì)測(cè)上層無氧銅帶材的表面硬度；采用FQR7501型渦流電導(dǎo)率測(cè)試儀測(cè)試接頭的電導(dǎo)率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無中間層接頭的室溫拉剪力及斷口形貌

2.1.1 接頭性能

由圖2可知，無中間層焊接接頭所承受的拉剪力隨擴(kuò)散焊溫度的升高而增大，并且增幅逐漸增大。由圖3可知，840 ℃和890 ℃擴(kuò)散焊溫度下焊接接頭的拉剪力均隨保溫時(shí)間的延長而增大，并且增幅逐漸減小。因此，在試驗(yàn)條件下，擴(kuò)散焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度的影響都較大。由圖3還可知，在相同的保溫時(shí)間下，890 ℃下各保溫時(shí)間焊接接頭的拉剪力均比840 ℃焊接接頭的大。

從表1中可見，在740～940℃溫度范圍內(nèi)保溫3min，接頭試樣上層的表面硬度隨擴(kuò)散焊溫度的升高呈下降趨勢(shì)，其變化范圍在32.09～34.75HV 之間；電導(dǎo)率隨擴(kuò)散焊溫度的升高略有提高，其值介于98.5～101.71%IACS范圍內(nèi)。與焊前母材的硬度（57.8HV）和電導(dǎo)率（102%IACS）相比，焊后無氧銅帶材的硬度降低了41.18%～46.37%，電導(dǎo)率降低了0.28%～3.43%。由此可見，擴(kuò)散焊溫度高于再結(jié)晶溫度的真空擴(kuò)散焊明顯降低了無氧銅帶材的表面硬度。另外由表1還可看出，在相同的擴(kuò)散焊溫度下，保溫時(shí)間的變化對(duì)無氧銅帶材表面硬度和電導(dǎo)率的影響不顯著。

2.1.2 斷口形貌

拉剪試驗(yàn)采用的接頭形式為多層板搭接形式，在這種搭接形式下，外側(cè)材料受力，拉伸時(shí)外側(cè)板易彎曲，接頭斷裂是在拉應(yīng)力和剪切力的綜合作用下發(fā)生的。發(fā)生斷裂的位置在受力板與其結(jié)合板的結(jié)合界面上，斷口平齊。由圖4可知，斷口中均存在不同程度的撕裂棱，其在斷口中的大小、數(shù)量以及形狀與界面結(jié)合強(qiáng)度緊密相關(guān)。在保溫時(shí)間相同，而擴(kuò)散焊溫度較低時(shí)，撕裂棱不明顯，且數(shù)量較少，斷口平齊，說明界面間連接較弱；當(dāng)擴(kuò)散焊溫度較高時(shí)，撕裂棱的寬度增大，數(shù)量增多，說明界面間的連接較強(qiáng)，這與拉剪試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

表1 擴(kuò)散焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)無中間層接頭性能的影響Tab.1 Effect of diffusion welding temperature and holding time on properties of no－interlayer joints

圖4 不同工藝無中間層接頭斷口的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of no－interlayer joints welded by different technology

2.2 加中間層接頭的組織與性能

2.2.1 拉剪力

由圖5可知，三種接頭中，加釬料中間層接頭的強(qiáng)度最高，無中間層的接頭強(qiáng)度最低，且隨著擴(kuò)散焊溫度的升高，三種接頭強(qiáng)度之間的差距逐漸減小。

圖5 擴(kuò)散焊溫度對(duì)不同接頭室溫拉剪力的影響Fig.5 Room temperature tensile shear force of joints vs diffusion welding temperature

2.2.2 SEM 形貌及EDS譜

圖6 不同工藝加鍍銀無氧銅中間層接頭的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of joints welded by different technology with silver coated oxygen－free copper interlayer

由圖6可知，鍍銀中間層在銅基體中發(fā)生了擴(kuò)散，在銅銀界面處的銅基體上形成了一定寬度的擴(kuò)散過渡區(qū)，如圖中尺寸線標(biāo)識(shí)處，且呈犬牙交錯(cuò)狀；根據(jù)銀銅二元相圖推測(cè)該過渡區(qū)域內(nèi)可能包含有銅基固溶體和銀銅共晶相。當(dāng)擴(kuò)散焊溫度由840℃升高到940℃后，鍍銀層的厚度明顯變窄，擴(kuò)散層厚度顯著增加，銀鍍層與母材間的相互擴(kuò)散作用增強(qiáng)；且鍍銀層已殘余成斷續(xù)分布，說明鍍銀層在界面上發(fā)生了熔化擴(kuò)散，此時(shí)的接頭形成了擴(kuò)散釬焊［3］。在加熱溫度為840℃時(shí)，界面上存在少量微觀孔洞，這是導(dǎo)致接頭強(qiáng)度較低的主要原因。

由圖7可見，銅和銀之間確實(shí)發(fā)生了擴(kuò)散，且成分分布曲線基本具有對(duì)稱性。

圖7 940 ℃×3min制備鍍銀無氧銅中間層接頭界面的EDS線掃描結(jié)果Fig.7 EDS line scanning results for the interface of the joint with silver coated oxygen－free copper interlayer heated at 940 ℃for 3min

由圖8可知，加釬料接頭中釬料與母材之間的連接為釬焊連接，釬縫與母材結(jié)合緊密，界面組織良好，無氣孔、裂紋、未釬著等缺陷。由此可知釬焊連接是加釬料中間層接頭較鍍銀中間層和無中間層接頭拉剪力高的主要原因。

圖8 940 ℃×3min制備中間加釬料中間層接頭界面的SEM 形貌Fig.8 SEM morphology for the interface of filler metal interlay joint heated at 940 ℃for 3min

3 結(jié)論

（1）無中間層無氧銅帶材擴(kuò)散焊接頭的拉剪力隨擴(kuò)散焊溫度升高和保溫時(shí)間延長而增大，且兩者的影響都較大；接頭表面硬度隨擴(kuò)散焊溫度的升高而下降，電導(dǎo)率隨擴(kuò)散焊溫度的上升而略有提高。

（2）在相同擴(kuò)散焊接工藝下，預(yù)置鍍銀無氧銅中間層接頭比無中間層接頭的強(qiáng)度高，中間預(yù)置釬料無氧銅接頭的連接屬于釬焊連接，其接頭強(qiáng)度最高。

［1］毛業(yè)軍，彭艷華.柔性母排在電力機(jī)車上的應(yīng)用與選型［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32（6）：15－16.

［2］陳鵬，程芳林，甘孟必.9E 發(fā)電機(jī)出口軟連接斷裂原因分析［J］.熱力發(fā)電，2004（8）：68－70.

［3］美國焊接學(xué)會(huì).焊接新技術(shù)［M］.韓洪碩，張桂清，譯.北京：宇航出版社，1987：6－7.