CN104191057A - 一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，该方法采用了填充有钎料合金的多孔金属基体复合钎料合金，通过将复合钎料层预制于硬质母材之间，然后通过加热使填充于多孔金属层中的钎料合金熔化，再将超声振动装置的工具头作用于母材表面并施加一定压力和一定时间的超声振动，完成钎焊过程。通过该方法制备钎焊接头时，高熔点的多孔金属在钎焊过程中能对钎缝层起到支撑作用，避免了液相钎料合金在超声振动作用下被过度的挤出，因此能够实现大熔合面钎焊接头的制备；此外，钎缝层中多孔金属层的存在能降低钎缝层的热膨胀系数，还能增加钎缝层以及钎缝层和母材间连接界面的强度。

Description

一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法

技术领域

本发明属于钎焊技术领域，具体涉及一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法。

背景技术

工业应用要求的不断提高，以及新材料的不断涌现，对材料的连接技术提出了更高的要求。钎焊工艺是一种很有应用前景的材料连接方法。然而，受钎料合金本身强度的影响，钎焊接头在载荷作用下通常失效于钎缝层中，而且接头中母材与钎料合金间通常具有较低的结合强度。另外，传统的钎焊工艺通常需要使用钎剂或者在保护气氛下进行，难以获得大熔合面、高焊合率的钎焊接头。

近年来，超声技术在材料的钎焊连接领域有了较多的研究。超声波作用于液相钎缝层中时能在钎料合金内形成一系列的声化学、声物理效应，它们能促使液相钎料在无钎剂情况下对母材表面进行润湿，并能对钎缝层显微组织进行优化。通过超声钎焊工艺能制备出大熔合面的钎焊接头，而且接头具有较高的焊合率。然而，超声波改善钎缝层显微组织是建立在不断溶蚀母材的基础上的，钎焊时通常需要较长的超声振动时间，这将引起钎缝层整体结构的不均匀性，也容易造成母材的溶蚀穿孔。因此，有必要在钎焊前便改善钎缝层的强度，从而优化钎焊接头的性能。

大量的研究表明，通过在合金中添入微纳米颗粒或者纤维增强相能够增强合金的力学性能。然而，颗粒增强相在复合材料中的均匀性是很难保证的，尤其是当颗粒增强合金被用于钎料合金时，增强相在熔融的钎料合金内会因为重力的原因产生上浮或下层，并发生团聚。为了获得增强相分布均匀的复合材料，一种较为成功的方法为，通过无压浸渗或有压浸渗的方法将熔融合金填充入多孔陶瓷或者高熔点金属中，从而制备出增强相分布均匀的高性能复合材料。可以想象，在传统的钎焊工艺中(非超声波辅助钎焊)，若采用这种多孔基体复合钎料合金进行钎焊，熔融的钎料合金是很难在母材表面实现充分润湿铺展的。虽然接头钎缝层的强度能够得到改善，但是接头的焊合率难以得到保证，接头的整体力学性能仍然较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，该方法可以制得大熔合面、高焊合率、高强度的钎焊接头。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，包括制备复合钎料合金步骤和超声波辅助钎焊步骤，其中所述的复合钎料合金步骤包括：

A1、选取多孔金属基体，洗净后将多孔金属基体浸入温度低于多孔金属基体熔点的熔融钎料合金中；

A2、浸泡后取出多孔金属基体，制得钎料合金填充的多孔金属基体复合钎料合金；

所述的超声波辅助钎焊步骤包括：

B1、将多孔金属基体复合钎料合金置于两待焊母材之间形成待焊钎焊接头，将待焊钎焊接头固定，对待焊钎焊接头的多孔金属基体复合钎料合金进行加热使填充于多孔金属基体中的钎料合金熔化；

B2、将超声装置的工具头作用于其中一个母材的表面上并施加的压力，超声结束后继续保持压力，至钎料合金完全凝固时，形成钎焊接头，完成钎焊过程。

在上述多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法中：

步骤A1中所述多孔金属基体的厚度优选为10～500μm。

步骤B1中所述的两待焊母材可以为相同材质材料或不同材质材料。

所述的两待焊母材的材质优选为陶瓷材料、金属材料或金属基复合材料。

步骤B1中所述的两待焊母材的形状优选为板状、片状、棒状或管状。

步骤B1中的加热方式优选为电阻加热、火焰加热、感应加热或热风加热。

步骤B1中加热时钎缝层多孔金属基体复合钎料合金的温度高于钎料合金熔点的温度但低于多孔金属基体熔点的温度。

优选的，步骤B1中加热时钎缝层多孔金属基体复合钎料合金的温度高于钎料合金熔点5～300℃，但低于多孔金属基体的熔点。

步骤B2中超声振动装置的振动频率优选为10～70kHz，振幅优选为8～60μm，对母材施加的压力优选为0.1～5MPa，超声振动时间优选为0.5～200s。

步骤B2中超声振动方向优选为垂直于所述母材的表面或平行于所述母材的表面。

本发明方法采用了填充有钎料合金的多孔金属基体复合钎料合金，通过将复合钎料层预制于硬质母材之间，然后通过加热使填充于多孔金属层中的钎料合金熔化，再将超声振动装置的工具头作用于母材表面并施加一定压力和一定时间的超声振动，完成钎焊过程。

本发明方法更适合于硬质材料间的钎焊，尤其是低温钎焊、高温服役，硬质母材间的钎焊。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)复合钎料合金中多孔金属基体的存在，能增强接头钎料层的强度，降低钎缝层的热膨胀系数；

(2)钎焊过程中，复合钎料合金中的多孔金属基体能为声场作用下的界面冶金反应提供原材料，从而改变接头界面层的相组成，并提高钎料层和母材间连接界面的结合强度；

(3)采用超声波辅助钎焊，能促进液相钎料合金在多孔金属层中的填充，并能促进液相钎料合金与多孔金属基体之间的界面冶金反应，这将会引起钎缝层中钎料合金与多孔金属基体间高温反应相的形成，从而有可能提高接头的高温稳定性；

(4)超声钎焊过程中，接头钎缝层中的多孔金属基体能对钎缝起到支撑作用，从而避免液相钎料合金被过度的挤出，并实现大熔合面、高焊合率、无钎剂钎焊接头的制备；

(5)当采用Ni、Fe等铁磁性材料作为多孔金属基体时，配合感应加热方式能对接头的钎料层进行局部、快速加热，而超声振动能实现接头的迅速冶金结合，这样能对一些高温温度性较差的母材进行连接。

附图说明

图1是实施例1-3中多孔金属基体复合钎料合金的制备示意图；

图2是实施例1中超声振动方向垂直于平行母材表面时的钎焊示意图；

图3是实施例1中制备的钎焊接头钎缝层的扫描电镜显微图；

图4是实施例2中提供的棒状母材的钎焊示意图；

图5是实施例2中制备的钎焊接头钎缝层的扫描电镜显微图；

图6是实施例3中提供的超声振动方向平行于平行母材表面时的钎焊示意图；

图7是实施例3中制备的钎焊接头钎缝层的扫描电镜显微图。

具体实施方式

以下是本发明的实施例，通过这些实施例并结合附图可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。

实施例1

参看图1，取厚度为250μm、尺寸为20mm×20mm的多孔Ni箔一片，将多孔Ni箔置于无水乙醇中进行超声波清洗，风干后再将该Ni箔浸入熔融的纯Sn中并摆动几次，随后取出多孔Ni箔，此时纯Sn已经浸渗入多孔Ni金属箔中，并形成了有纯Sn填充的多孔Ni基复合钎料片；

参看图2，取尺寸为20mm×20mm×3mm的1060-Al合金两片，将复合钎料片1置于上Al母材2和下Al母材3之间，并将组装后的接头置于带有限制夹具的电热板4上。将超声振动装置的工具头5作用于上Al母材2表面并施加1MPa压力，随后打开升温装置对接头进行加热，待钎料合金开始熔化并有溢出态势时，开启超声振动，超声振动的频率、功率、振幅和时间分别为20kHz、500W、20μm和10s，超声振动方向垂直于Al母材的上表面，超声振动结束后，停止加热并继续对接头保持压力，待接头中的钎料合金完全凝固时取出接头，完成钎焊过程。

接头的显微组织分析表明，如图3所示，接头钎缝层中的多孔金属层在超声的作用下被挤压成了条状结构，钎料合金已经完全填充入多孔金属的空隙中，并且钎料合金与多孔金属基体以及母材间均发生了良好的界面冶金反应。剪切强度测试结果表明(接头的剪切强度测试按照修改后的ASTM D1002标准进行)，接头的剪切失效发生在钎料合金与Al母材的界面处，测得的平均剪切强度值为76.9MPa。

实施例2

参看图1，取厚度为100μm、尺寸为10mm×10mm的多孔Ni箔一片，将多孔Ni箔置于无水乙醇中进行超声波清洗，风干后再将该Ni箔浸入熔融的纯Sn中并摆动几次，随后取出多孔Ni箔，此时纯Sn已经浸渗入多孔Ni金属箔中，并形成了有纯Sn填充的多孔Ni基复合钎料片，最后，将该复合钎料片剪裁成直径为的圆形钎料片。

参看图4，取直径为长度为40mm的T2-Cu金属棒两根，将Cu棒和复合钎料合金片1进行组装，其中下Cu棒32被夹具固定，而上Cu棒22则具有沿Cu棒轴线方向的自由度，复合钎料合金片1则置于两Cu棒之间，将超声振动装置的工具头5作用于接头的上Cu母材22端部，并施加0.5MPa压力，随后开启感应加热装置4对接头的钎料层进行局部加热，待液相钎料合金有溢出态势时，开启超声振动。超声振动的时间、频率、功率和振幅分别为3s、28.8kHz、270W和12μm，超声振动方向平行于Cu棒的轴线，超声振动停止后关闭感应加热装置，待钎缝层完全凝固后取出接头，完成钎焊过程。

接头的显微组织分析表明，如图5所示，接头钎缝层中的多孔金属层在超声的作用下被挤压成了条状结构，纯Sn钎料已经完全填充入多孔Ni金属的空隙中，且Sn与多孔金属Ni基体以及Cu母材间均发生了良好的界面冶金反应并形成了金属间化合物。拉伸强度测试结果表明(接头的拉伸强度测试按照修改后的ISO 6892标准进行)，接头的拉伸失效主要发生在复合钎料合金与Cu母材的界面处，其拉伸强度值达到了72.4MPa。

实施例3

参看图1，取厚度为200μm、尺寸为10mm×10mm的多孔Ni箔一片，将多孔Ni箔置于无水乙醇中进行超声波清洗，风干后再将该Ni箔浸入熔融的纯Sn中并摆动几次，随后取出多孔Ni箔，此时纯Sn已经浸渗入多孔Ni金属箔中，并形成了有纯Sn填充的多孔Ni基复合钎料片。

参看图6，取尺寸均为10mm×10mm×3mm的1060-Al合金和T2-Cu合金各一片，将复合钎料片1置于Al母材23和Cu母材33之间，并将组装后的接头置于带有限制夹具的电热板4上，其中Al母材23在上而Cu母材33在下，将超声振动装置的工具头5作用于Al母材23的上表面并施加2MPa压力，随后打开电热板4对接头进行加热，待钎料合金开始熔化并有溢出态势时，开启超声振动装置，超声振动的频率、功率、振幅和时间分别为40kHz、400W、11μm和4s，超声振动的方向平行于Al母材上表面，超声振动结束后，停止加热并继续对接头保持压力，当接头中的钎料合金完全凝固时取出接头，完成钎焊过程。

接头的显微组织分析表明，如图7所示，接头钎缝层中的多孔金属层在超声振动作用下被挤压成了条状结构，纯Sn钎料已经完全填充入多孔Ni金属的空隙中，且Sn与多孔Ni金属、Al母材和Cu母材间均发生了良好的界面冶金反应。剪切强度测试结果表明(接头的剪切强度测试按照修改后的ASTM D1002标准进行)，接头的剪切失效发生在复合钎料合金与Cu母材的界面处，其剪切强度值达到了68.7MPa。

以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的范围只局限于这些说明。上述实施例中还可以改变多孔金属层和母材的材质，也能改变母材的形状，在不脱离本发明构思的前提下，所做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是包括制备复合钎料合金步骤和超声波辅助钎焊步骤，其中所述的复合钎料合金步骤包括：

A1、选取多孔金属基体，洗净后将多孔金属基体浸入温度低于多孔金属基体熔点的熔融钎料合金中；

A2、浸泡后取出多孔金属基体，制得钎料合金填充的多孔金属基体复合钎料合金；

所述的超声波辅助钎焊步骤包括：

B1、将多孔金属基体复合钎料合金置于两待焊母材之间形成待焊钎焊接头，将待焊钎焊接头固定，对待焊钎焊接头的多孔金属基体复合钎料合金进行加热使填充于多孔金属基体中的钎料合金熔化；

B2、将超声振动装置的工具头作用于其中一个母材的表面上并施加压力，开启超声振动，超声振动结束后继续保持压力，至钎料合金完全凝固时，形成钎焊接头，完成钎焊过程。

2.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤A1中所述多孔金属基体的厚度为10～500μm。

3.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B1中所述的两待焊母材为相同材质材料或不同材质材料。

4.根据权利要求3所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：所述的两待焊母材的材质为陶瓷材料、金属材料或金属基复合材料。

5.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B1中所述的两待焊母材的形状为板状、片状、棒状或管状。

6.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B1中的加热方式为电阻加热、火焰加热、感应加热或热风加热。

7.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B1中加热时钎缝层多孔金属基体复合钎料合金的温度高于钎料合金熔点的温度但低于多孔金属基体熔点的温度。

8.根据权利要求7所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B1中加热时钎缝层多孔金属基体复合钎料合金的温度高于钎料合金熔点5～300℃，但低于多孔金属基体熔点的温度。

9.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B2中超声振动装置的振动频率为10～70kHz，振幅为8～60μm，对母材施加的压力为0.1～5MPa，超声振动时间为0.5～200s。

10.根据权利要求1所述的多孔金属基体复合钎料合金钎焊接头的制备方法，其特征是：步骤B2中超声振动方向为垂直于所述母材的表面或平行于所述母材的表面。