CN105921840B - 一种钎焊工艺 - Google Patents

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Abstract

一种钎焊工艺，包括以下步骤：(1)提供待焊接的第一焊接元件和第二焊接元件，以及钎焊材料；(2)对焊接元件进行前处理；(3)将钎焊材料注入第一焊接元件和第二焊接元件的焊接部位；(4)保持已注入钎焊材料的第一焊接元件和第二焊接元件固定，并使其经过加热装置进行加热和冷却，其中加热温度不超过180℃；(5)对焊接元件进行后处理。本发明提供的钎焊工艺能够实现如金属铝合金复合材料、陶瓷和玻璃等材料的低温钎焊；使用的钎料具有较高的导热系数，操作便捷、工艺简单、成本低廉，有效的提高了钎焊的产品合格率及降低生产成本。

Description

一种钎焊工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种在无机非金属材料之间的钎焊工艺。
背景技术
现有技术中，LED球泡灯的光源组件与灯壳之间的装配工艺一般为粘胶、熔封和卡扣等一系列装配工艺方法。传统的，灯罩通过胶水与基座粘合，虽然成本低、工艺简单，但耐温性差，在灯具使用发热一段时间后容易出现开裂脱落等。而对于高温熔融熔封技术而言，在这种高温环境中通过粘接方式固定外引电极的，也极易与基座脱离造成死灯。
钎焊工艺通常被认为能够弥补粘胶、熔封、卡扣等工艺类型的技术缺陷，因而在一般工业生产中常被应用。但是，现有的钎焊工艺大部分仅适用于金属材料，近年也逐渐出现一部分无机非金属材料采用钎焊焊接的工艺，但都具有相当的工艺难度与较高的成本。
尤其是，一些钎焊工艺在过流焊过程中处于高温环境，当焊接涉及灯具的外壳装配工艺时，由于壳体内部已经封装了LED光源部件，高温环境对LED光源造成损坏，因此在这种工艺下高温钎焊工艺是不适用的。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种LED球泡灯的装配工艺，通过钎焊技术对LED球泡灯进行装配。本发明提供的钎焊工艺能够实现如金属铝合金复合材料/陶瓷/玻璃等材料的低温钎焊装配；使用的钎料具有较高的导热系数，操作便捷、工艺简单、成本低廉，有效的提高了钎焊装配的产品合格率及降低生产成本。
本发明是这样实现的，一种钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)提供待焊接的第一焊接元件和第二焊接元件，以及钎焊材料；
(2)对第一焊接元件和第二焊接元件进行表面预处理；
(3)将钎焊材料注入第一焊接元件和第二焊接元件的焊接部位；
(4)保持已注入钎焊材料的第一焊接元件和第二焊接元件固定，并使其经过加热装置进行加热和冷却，加热温度不超过180℃；
(5)对焊接后的第一焊接元件和第二焊接元件进行后处理。
所述钎焊材料包括下述材料：
金属合金粉80-90重量份和助焊膏10-20重量份；
其中所述金属合金粉包括下述材料：
Bi为1-20重量份，Ag为0.1-1重量份和Sn为79-99重量份；
所述助焊膏由松香及其衍生物、聚硅氧烷树脂、四乙氧基硅烷、表面活性剂、抗氧化剂和无机填料中的一种或多种组成；。
优选地，所述松香及其衍生物为天然脂松香、聚合松香和部分聚合松香中的一种或多种；所述聚硅氧烷树脂为聚二甲基硅氧烷和苯基甲基硅氧烷均聚物的一种或两种。
优选地，所述表面活性剂为脂肪酸聚氧乙烯酯和三乙醇胺中的一种或多种。
优选地，所述抗氧化剂为苯***和肌醇六磷酸中的一种或多种。
优选地，所述无机填料为SiO2和Al2O3中的一种或多种。
优选地，所述第一焊接元件为铝合金复合材料或无机非金属材料，所述第二焊接元件为铝合金复合材料或无机非金属材料。
优选地，所述无机非金属材料为陶瓷或玻璃。
优选地，所述步骤(4)中的加热装置为马弗炉、烘箱或烧结/钎焊/金属化一体气氛网带炉。
优选地，所述步骤(4)中的烧结/钎焊/金属化一体气氛网带炉包括依次设置的多个控温区和1个自然冷却区，所述已注入钎焊材料的第一焊接元件和第二焊接元件通过所述多个控温区后再通过所述自然冷却区冷却至常温。
优选地，所述多个控温区包括第1温区、第2温区、第3温区、第4温区、第5温区、第6温区、第7温区和第8温区；
将网带速率控制在每5分钟通过一个所述控温区，第1温区温度设定为60℃，第2个温区设定温度为90℃，第3个温区设定温度为120℃，第4个温区设定温度为150℃，第5个温区设定温度为180℃，第6个温区设定温度为150℃，第7个温区设定温度为120℃，第8个温区设定温度为80℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明钎焊工艺采用的钎料的熔融温度较低，为160-180℃，明显低于常规的Sn-Pb钎料的熔融温度(217℃)，适用于金属铝合金复合材料、陶瓷、尤其是在高温下极易发生材料损坏的玻璃等材料的焊接，使得LED球泡灯通过钎焊在低温下进行装配；
(2)由于钎料的导热系数高达30-40W/M·K,在装配连接的同时还拥有较高的导热性能，并且通过钎焊装配能使得被钎焊的物体之间进行无缝连接，从而形成有效的散热通道，能够让LED光源中多余的热量有效的传导出去，使得LED球泡灯的寿命和产品合格率得到提升。
附图说明
图1是本发明钎焊工艺中温度控制过程示意图。
具体实施方式
下面将通过实施例描述本发明一种钎焊工艺。总体上，本钎焊工艺实施于金属铝合金复合材料、玻璃和陶瓷等材料之间。本钎焊工艺包括如下步骤：
(1)提供待焊接的第一焊接元件和第二焊接元件，以及钎焊材料；
(2)对第一焊接元件和第二焊接元件进行表面预处理；
(3)将钎焊材料注入第一焊接元件和第二焊接元件的焊接部位；
(4)保持已注入钎焊材料的第一焊接元件和第二焊接元件固定，并使其经过加热装置进行加热和冷却，加热温度不超过180℃；
(5)对焊接后的第一焊接元件和第二焊接元件进行后处理。
针对上述钎焊工艺中采用的钎焊材料，本发明提供以下两种实施例。可以理解的是，此两个实施例仅用于理解钎焊材料的成分和制作过程，不用于限制本发明。
钎焊材料实施例1
实施例1
钎焊材料包括下述材料：
80重量份的金属合金粉和20重量份的助焊膏；
其中金属合金粉由下述材料组成：1重量份的金属铋Bi，1重量份的金属银Ag和98重量份的金属锡Sn；
上述的金属铋的纯度为99.99％；
上述的金属银的纯度为99.99％；
上述的金属锡的纯度为99.99％；
助焊膏中各材料重量份为，聚合松香4.8重量份，聚二甲基硅氧烷4.8重量份，四乙氧基硅烷9.6重量份，三乙醇胺0.95重量份，肌醇六磷酸0.48重量份，SiO24.37重量份。
制备钎焊材料的方法：
步骤一、制备Sn-Bi合金中间体
将Sn与Bi按重量份2：1称取2重量份Sn和1重量份Bi，然后放入中频加热炉中加热至455℃，保温2.1h，充分搅拌后得到Sn-Bi合金中间体，备用；
步骤二、制备Sn-Ag合金中间体
将Sn与Ag按重量份5：1称取5重量份Sn和1重量份Ag，然后放入加热炉中加热至805℃，保温3.1h，充分搅拌后得到Sn-Ag合金中间体，备用；
步骤三、制备金属合金粉
取步骤一中的Sn-Bi合金中间体3重量份(其中Sn占2重量份，Bi占1重量份)和步骤二中的Sn-Ag合金中间体6重量份(其中Sn占5重量份，Ag占1重量份)，另取91重量份Sn，放入不锈钢锅内熔炼，加热至502℃，保温2.2h，获得金属合金，利用离心雾化装置将金属合金制成金属合金粉。
步骤四、制备钎焊材料
取聚合松香4.8重量份，聚二甲基硅氧烷4.8重量份，四乙氧基硅9.6重量份，三乙醇胺0.95重量份，肌醇六磷酸0.48重量份，SiO24.37重量份，依次加入容器加热，温度控制在81℃，搅拌至溶解后高速分散23分钟，冷却至室温。加入金属合金粉并球磨，球磨速度控制在200-400转/分钟，得到钎焊材料。
所获得的钎焊材料性能参数如表1所示：
表1
性能指标 参数
密度(g/cm3) 8.17-8.20
熔点(℃) 170-180
导热系数(W/M·K) 56-60
拉伸强度(MPa) 27
本发明使用的钎焊材料实施例2
钎焊材料包括下述材料：
金属合金粉90重量份，助焊膏10重量份；
其中金属合金粉由下述材料组成：20重量份的Bi，0.1重量份的Ag和重量份的Sn79.9；
上述的金属铋的纯度为99.99％；
上述的金属银的纯度为99.99％；
上述的金属锡的纯度为99.99％；
助焊膏中各材料重量份为，聚合松香3.85重量份，苯基甲基硅氧烷均聚物3.85重量份，三乙醇胺0.38重量份，Al2O31.92重量份。
制备钎焊材料的方法：
步骤一、制备Sn-Bi合金中间体
将Sn与Bi按重量份1.5：1称取30重量份Sn和20重量份Bi，然后放入中频加热炉中加热至455℃，保温2.1h，充分搅拌后得到Sn-Bi合金中间体，备用；
步骤二、制备Sn-Ag合金中间体
将Sn与Ag按重量份4：1称取0.4重量份Sn和0.1重量份Ag，然后放入加热炉中加热至805℃，保温3.1h，充分搅拌后得到Sn-Ag合金中间体，备用；
步骤三、制备钎焊材料
取步骤一中的Sn-Bi合金中间体50重量份(其中Sn占30重量份，Bi占20重量份)和步骤二中的Sn-Ag合金中间体0.5重量份(其中Sn占0.4重量份，Ag占0.1重量份)，另取49.5重量份Sn，放入不锈钢锅内熔炼，加热至502℃，保温2.2h，获得金属合金，利用离心雾化装置将合金制成金属合金粉。
步骤四、制备钎焊材料
取聚合松香3.85重量份，苯基甲基硅氧烷均聚物3.85重量份，三乙醇胺0.38重量份，Al2O31.92重量份，依次加入容器加热，温度控制在80℃，搅拌至溶解后高速分散20分钟，冷却至室温。加入金属合金粉并球磨，球磨速度控制在200-400转/分钟，得到钎焊材料。
所获得的钎焊材料性能参数如表2所示：
表2
性能指标 参数
密度(g/cm3) 8.08-8.10
熔点(℃) 164-170
导热系数(W/M·K) 40-47
拉伸强度(MPa) 27
本发明的钎焊材料熔融温度较低，使得LED球泡灯可通过钎焊进行装配，同时，由于本发明的钎焊材料导热性好，在实现装配连接的同时，还拥有较高的导热性能，通过钎焊装配能使被钎焊的物体之间进行无缝连接，从而形成有效的散热通道，能够让LED光源中散发的热量有效的传导出去，提高球泡灯的寿命和生产产品的合格率。
使用本发明的钎焊材料进行钎焊，可以应用于陶瓷/玻璃钎焊、陶瓷/陶瓷钎焊、玻璃/玻璃钎焊等无机非金属材料钎焊，也可应用于金属铝合金复合材料/陶瓷、金属铝合金复合材料/玻璃、金属铝合金复合材料/金属铝合金复合材料等材料的钎焊。
钎焊装配实施例
将本发明的钎焊材料应用于LED球泡灯、LED灯丝灯进行钎焊装配时，具体实施步骤为：
(1)准备LED球泡灯或LED灯丝灯和上述钎焊材料；
(2)焊接前的预处理：对焊接部件进行清洗，将LED灯的陶瓷部件(例如陶瓷散热器)放入陶瓷清洗剂中，通过超声波清洗1-2分钟除掉表面的杂质和油污，再用大量的水冲洗后烘干；
(3)用夹具或其他固定工具将陶瓷散热器与玻璃灯罩固定在装配位置；
(4)将钎料注入到陶瓷散热器与玻璃灯罩间的焊接部位，焊接部位可以为预留的钎焊材料容置槽(例如围绕灯罩颈部的环形凹槽等)；
(5)钎料注入后将陶瓷散热器与玻璃灯罩放入并使其通过加热装置，加热装置可为马弗炉、烘箱或带有多个升温区和一个自然冷却区的烧结/钎焊/金属化一体气氛网带炉。也可以为其他具有加热功能的装置，能实现对钎焊材料加热并达到熔融以便进行钎焊即可；
如图1所示，为优选的钎焊工艺中温度控制过程，其中横坐标为时间，纵坐标为温度。
使用网带炉进行钎焊时，优选8个控温区和1个自然冷却区，也可选择少于8个控温区，只要能升至钎焊材料的熔融温度并能缓升缓降温度即可，因为有些无机非金属材料如玻璃在骤升骤降温度时会存在碎裂的危险。
如图1所示，将网带速率控制在每5分钟通过一个温区，第1温区温度设定为60℃，第2个温区设定温度为90℃，第3个温区设定温度为120℃，第4个温区设定温度为150℃，第5个温区设定温度为180℃，第6个温区设定温度为150℃，第7个温区设定温度为120℃，第8个温区设定温度为80℃。通过控温区后再通过自然冷却区冷却至常温；
(6)后处理：对完成焊接装配后的陶瓷散热器和玻璃灯罩焊接部位附近溢出的焊料进行清除。可以采用酒精和无尘布清除溢出的焊料，也可以用其他有机类溶剂和擦拭工具清除焊料。
将上述钎焊材料用于本发明的钎焊工艺，能够实现复合陶瓷/玻璃等非金属材料连接；上述钎焊材料的熔融温度为160-180℃，作为一种无铅钎焊材料比现有的Sn-Pb钎焊材料熔点低(现有钎焊材料的熔点一般高于217℃)，降低钎焊温度的同时解决了这类材料由于自身化学性质稳定而难以连接的技术难点。
本发明使用的钎焊材料熔融温度较低，使得LED球泡灯、LED灯丝灯等可通过钎焊进行装配，同时，由于本发明的钎焊材料导热系数为30-40W/M·K，导热性好，在实现装配连接的同时，还拥有较高的导热性能，通过钎焊装配能使被钎焊的物体之间进行无缝连接，从而形成有效的散热通道，能够让LED光源中散发的热量有效的传导出去，提高球泡灯的寿命和生产产品的合格率。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种钎焊工艺，包括以下步骤：
(1)提供待焊接的第一焊接元件和第二焊接元件，以及钎焊材料；所述第一焊接元件为铝合金复合材料或无机非金属材料，所述第二焊接元件为铝合金复合材料或无机非金属材料；
(2)对第一焊接元件和第二焊接元件进行清洗；
(3)用固定工具将第一焊接元件和第二焊接元件固定在装配位置；
(4)将钎焊材料注入第一焊接元件和第二焊接元件的焊接部位，所述焊接部位预留有钎焊材料容置槽；
(5)保持已注入钎焊材料的第一焊接元件和第二焊接元件固定，并使其经过加热装置进行加热和冷却，所述加热装置能升至钎焊材料的熔融温度并能缓升缓降温度；
(6)对焊接后的第一焊接元件和第二焊接元件的焊接部位溢出的焊料进行清除；其特征在于：加热温度不超过180℃；
所述钎焊材料包括下述材料：
金属合金粉80-90重量份和助焊膏10-20重量份；
其中所述金属合金粉包括下述材料：
Bi为1-20重量份，Ag为0.1-1重量份和Sn为79-99重量份；
所述助焊膏由松香及其衍生物、聚硅氧烷树脂、四乙氧基硅烷、表面活性剂、抗氧化剂和无机填料中的一种或多种组成。
2.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于：所述松香及其衍生物为天然脂松香、聚合松香和部分聚合松香中的一种或多种；所述聚硅氧烷树脂为聚二甲基硅氧烷和苯基甲基硅氧烷均聚物的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于：所述表面活性剂为脂肪酸聚氧乙烯酯和三乙醇胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于：所述抗氧化剂为苯***和肌醇六磷酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于：所述无机填料为SiO2和Al2O3中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于：所述无机非金属材料为陶瓷或玻璃。
7.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于：所述步骤(5)中的加热装置为马弗炉、烘箱或烧结/钎焊/金属化一体气氛网带炉。
8.根据权利要求7所述的钎焊工艺，其特征在于：所述步骤(5)中的烧结/钎焊/金属化一体气氛网带炉包括依次设置的多个控温区和1个自然冷却区，所述已注入钎焊材料的第一焊接元件和第二焊接元件通过所述多个控温区后再通过所述自然冷却区冷却至常温。
9.根据权利要求8所述的钎焊工艺，其特征在于：所述多个控温区包括第1温区、第2温区、第3温区、第4温区、第5温区、第6温区、第7温区和第8温区；将网带速率控制在每5分钟通过一个所述控温区，第1温区温度设定为60℃，第2个温区设定温度为90℃，第3个温区设定温度为120℃，第4个温区设定温度为150℃，第5个温区设定温度为180℃，第6个温区设定温度为150℃，第7个温区设定温度为120℃，第8个温区设定温度为80℃。
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