一種金屬體系的釺焊方法與流程
2023-04-24 08:24:46 1
本發明屬於焊接技術領域，具體涉及一種金屬體系的釺焊方法。
背景技術：
金屬-金屬釺焊連接技術以其變形尺度小，尺寸精度高、電阻率低等特性，被廣泛用於航空航天、汽車機械、電子信息化以及國防軍工等領域。通常情況下，金屬體系釺焊接頭的可靠性與兩者之間的潤溼性以及接頭金屬間化合物(imcs)的形成密切相關。一方面，焊料與母材的成分、釺焊溫度、母材表面氧化以及母材表面粗糙度決定了焊料與母材間的潤溼性能，而這其中金屬母材的表面氧化是公認的最難控制的影響因素。例如，純fe只要露置於大氣環境1秒鐘，其表面就會自發形成一層5nm厚的氧化膜；而純cu在空氣中形成5nm厚的氧化膜也僅僅需要10秒。這種納米級別的氧化膜頑固地附著於金屬表面，嚴重地影響了焊接體系的潤溼性。以純sn在cu基板上的潤溼為例，當基板存在氧化膜時，其表觀潤溼角約為120°，而氧化膜去除以後，其接觸角則會瞬間降至25°。
現有去除表面氧化的措施主要是使用助焊劑，利用助焊劑在釺焊溫度區間內所表現的物理性質及化學活性達到輔助熱傳導、去除氧化物以及降低材質表面張力等目的，進而幫助和促進潤溼以及焊接過程。然而，助焊劑的使用往往伴隨著界面腐蝕元素的殘留、氣孔缺陷、不同釺焊條件下助焊劑與溫度配合不佳且難以有效調控等問題，在一些工作環境要求較高或者母材與焊料成分較為特殊的釺焊工藝中，如何有效地避免上述問題，同時獲得金屬液-固界面的本徵潤溼性是目前亟待解決的熱點問題之一。
另一方面，焊料的熔點普遍較低，強度較差，形成接頭以後一般要求焊料區完全轉變為固溶體或imcs，以滿足釺焊接頭的強度要求。而對於絕大多數金屬-金屬體系而言，imcs的數量、形貌和種類則是直接影響釺焊接頭質量的關鍵因素。同樣以sn/cu體系為例，由於擴散動力學在界面反應過程中佔據主導地位，體系的界面產物通常會形成以扇貝狀的cu6sn5相為主，島狀或薄層狀的cu3sn為輔的結構。脆性以及電阻率較大cu6sn5相的過度生長使界面處的力學性能下降，進而影響釺焊接頭的可靠性和服役時間。
cn102151930公開了一種異質金屬材料間的釺焊方法，異質金屬材料包括材質不同的第一母材和第二母材，該方法包括以下步驟：將第一母材裝卡在可伸縮夾具上，第二母材裝卡在固定夾具上，使第一母材的、第二母材的焊接面相對並將釺料置於所述焊接面之間；在第一母材上施加相對於所述焊接面的預壓力；對所述第一母材與第二母材的焊接部位局部快速加熱，達到設定溫度後保溫；將所述預壓力升至焊接壓力；用超聲壓杆對第一母材施加相對於所述焊接面的超聲振動；超聲振動完成後繼續保溫保壓，然後停止加熱並繼續保壓至所述焊接部位冷卻。但是，超聲輔助釺焊對於液態釺料的空化削弱了焊料區的固溶或界面反應強化作用，尤其在使用該專利所述的sn基、zn基等低強度釺料時，力學性能下降會非常顯著。此外，雖然該發明提出了一種無釺劑施焊的方法，但壓力+超聲輔助的方式同樣存在超聲衰減、工藝複雜等可控性差的問題。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種金屬體系的釺焊方法，解決現有助焊劑的使用導致高成本、氣孔缺陷、界面殘留造成的接頭電化學腐蝕，焊接過程的可調控性差以及界面脆性產物過度生長等技術問題，提高金屬體系釺焊接頭的力學、電學和服役壽命等綜合性能。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下：一種金屬體系的釺焊方法，其特徵在於，包括以下步驟：
1）電流耦合釺焊偶的建立
（1）用感應加熱爐將所選焊料熔化並噴注在圓柱形石英管內，切割內含焊料的石英管制成焊料薄片，剝取焊片並對其進一步打磨，使其厚度達到30~60μm；
（2）將第一母材、第二母材和焊片分別拋光至表面粗糙度低於50nm，然後將釺片置於第一母材、第二母材之間並用可通電的夾具夾緊形成釺焊偶；
（3）將製備好的釺焊偶置於真空室內，釺焊偶的下端與高純石墨下電極接觸，釺焊偶的上端通過設備的底座調姿系統與平頭的高純石墨上電極接觸；
2）系統參數的調控
（1）對真空室內進行機械泵預抽、分子泵精抽使爐內真空度達到5×10-4pa；然後通入高ar-10h2還原性氣體；
（2）將釺焊偶體系以10~20k/min的速度連續加熱，並在預設釺焊溫度保溫；
（3）選擇穩流直流電流強度進行釺焊接頭的製備；
3）電流耦合釺焊
（1）打開直流電源的通電開關，預設好電流強度，將通電初始時刻記為起始時間點，通電終了時刻記為結束時間點，完成電流耦合釺焊；
（2）通電結束後冷卻至室溫，對釺焊接頭進行結構表徵和性能檢測。
相比現有技術，本發明具有如下的優點：
（1）本發明方法採用直流電輔助技術能夠有效地破除母材表面的氧化膜，從而獲得金屬液-固界面良好的本徵體，解決現有助焊劑的使用導致高成本、氣孔缺陷、界面殘留造成的接頭電化學腐蝕，焊接過程的可調控性差以及界面脆性產物過度生長等技術問題。與傳統的採用助焊劑方法相比，具有去氧化速度快，成本低廉且界面不引入其他雜質等優勢。
（2）本發明方法避免了焊劑與使用溫度的配合調整，轉化為單一的電流參數控制，增加了工藝的可調控性，同時拓展了釺焊材質乃至母材的選擇範圍。
（3）本發明方法採用直流電輔助技術能夠有效地調控釺焊界面反應產物的形貌、種類和數量，針對具體的焊接母材，選取適當的焊料，可以顯著提升釺焊接頭的力學、電學、服役壽命等綜合性能。提高金屬體系釺焊接頭的力學、電學和服役壽命等綜合性能。
附圖說明
圖1為本發明實施例1中在還原性氣氛下在473k和10a電流強度作用下cu/sn57bi/cu去氧化體系釺焊接頭縱剖面的界面背散射顯微結構圖，(a1，a2)15min，(b1，b2)30min，(c1，c2)60min，(d1，d2)90min。
具體實施方式
下面結合具體實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明。
實施例1
一種金屬體系的釺焊方法，包括如下步驟：
1、電流耦合釺焊偶的建立
具體包括如下步驟：
1）用感應加熱爐將sn57bi焊料熔化並噴注在圓柱形石英管內，切割內含焊料的石英管制成sn57bi薄片，剝取焊片並對其進一步打磨，使其厚度達到30~60μm；；
2）將兩塊cu母材和sn57bi薄片分別進行拋光，然後將sn57bi薄片置於兩塊cu母材之間並用可通電的夾具夾緊形成釺焊偶；
3）將製備好的cu-sn57bi-cu釺焊偶置於真空室內，cu-sn57bi-cu釺焊偶的下端與高純石墨下電極接觸，cu-sn57bi-cu釺焊偶的上端通過設備的底座調姿系統與平頭的高純石墨上電極接觸；
2、釺焊參數的設定
1）對真空室內進行機械泵預抽、分子泵精抽使爐內真空度達到5×10-4pa；然後通入高ar-10h2還原性氣體；
2）將ar-10h2還原性氣氛中的cu-sn57bi-cu釺焊偶體系加熱到473k後並進行保溫；
3）選擇10a的穩流直流電流進行釺焊接頭的製備；
3、電流耦合釺焊
1）打開直流電源的通電開關，預設好電流強度為10a，通電15min、30min、60min和90min，完成電流耦合釺焊；
2）通電結束後冷卻至室溫，獲得釺焊接頭。
將實施例1中得到的cu/sn57bi/cu釺焊接頭縱剖面的界面背散射顯微結構進行觀察得到圖1，圖(a1，a2)15min，圖(b1，b2)30min，圖(c1，c2)60min，圖(d1，d2)90min。從圖1中可以看出，電子從上端界面流向下端界面，隨著通電時間的延長，釺焊偶陰極和陽極兩端的界面金屬間化合物不斷長大，同時，與不通電條件下生成大量cu6sn5脆性相相比，此時生成的界面產物相均為cu3sn相(高熔點、低電阻率以及較其他sn基界面產物更好的力學性能)佔主導。由此可知，直流電輔助cu-sn57bi-cu釺焊體系有效地提升了其釺焊接頭的綜合性能。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。