CN111069776B - 一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，先采用磁控溅射物理气相沉积方法将金属铜沉积在纯镍带表面，再以沉积在纯镍带表面的铜作为焊接界面的过渡金属，采用激光焊接方法在惰性气体保护下焊接镍带和铝带。本发明的焊接方法既保证了材料良好的导电性，不影响焊接接头的力学性能，同时又避免了焊接面生成过多的焊接脆性相，塑形较低且韧性差，焊接后容易开裂的技术问题，实现了独特的微观结构控制，焊接强度高，界面拉伸强度提高了30牛。

Description

一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法
技术领域
本发明涉及电子行业用纯镍带与铝带的焊接技术领域，更具体地，涉及一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法。
背景技术
纯金属镍带具有较高的强度、良好的导电性和加工延展性，广泛用于航空航天、电子、海洋、机械制造等领域。高品质金属带材的生产包括纯净熔炼、热轧、冷轧、退火等重要工艺过程，其中冷轧过程能够保证产品力学性能的前提下，通过冷轧变形和热处理工艺的恰当配合，获得具有特殊织晶结构的带材包括镍带与铝带产品，例如一些特殊的织构能够提高金属带材的导电性。但是，冷轧后的金属带材变形抗力大，硬度提高，塑形降低，此外轧制工艺的不合理也会在带材上产生一些表面缺陷如氧化铁皮压入、纵条状划痕、表面麻坑、皮下气泡、微裂纹、鳞皮、折叠、过烧等。
目前，电子工业领域中将导电性能良好的铝带与镍带焊接来提高导电性能，焊接工艺包括激光焊接、电子束焊接、等离子焊接、手工电弧焊等。但是对铝带与镍带的焊接通常存在下述问题：(1)由于纯金属镍的热导率低、电阻系数大，焊接时容易出现热裂纹、气孔、晶粒粗大等问题，当焊接工艺不良或者参数不匹配时，还会在热影响区生成较多的夹杂物或析出有害相，造成焊缝处微裂纹萌生，严重降低焊后焊接接头的力学性能，影响工件使用；(2)在纯镍带与铝带焊接过程中，如果焊缝内存在少量的氧(O)，O与Ni会生成氧化镍，氧化镍可以进一步与镍组成低熔点的共晶相，而共晶相处于晶粒边界部位，冷却后在较高的焊接残余应力作用下会导致焊缝及热影响区产生微裂纹，显著降低焊接接头的强度；(3)国内纯镍带材的主要化学成分如表1所示，镍带中通常存在一些微量元素(如Mg、Si、S、C等)，这些微量元素会加宽金属镍的凝固范围，并且在晶内、晶界产生各种脆性析出相，容易萌生凝固裂纹，为镍带与铝带的焊接带来困难，试验结果表明，镍对元素硫(S)和磷(P)的化学亲和力较高，结晶时能够生成两种低熔点共晶相NiS2-Ni和Ni3P-Ni，并且分布于晶界，降低焊缝的结合强度。另外，铁和镍的二元共晶物中有许多低熔点共晶物和非金属共晶物，特别是熔点与Ni、Fe相比较低的硫、磷共晶物，也会加剧热裂纹产生，降低焊接强度；(4)在大气环境中焊接镍带与铝带时，焊接区与空气除进行热交换之外，还发生物质扩散、对流、相析出等冶金化学反应，焊缝部位气体环境较大的影响了焊接接头的力学性能；(5)在金属液中溶解的气体通常以离子态(阳离子和阴离子)、原子态，或化合物(氧化物或氮化物)形态存在于焊缝表面，当金属从液态转变为固态时，气体溶解度变化越大，产生气孔越大，降低焊接强度；(6)金属镍和铝都是导电性和塑形较好的金属材料，但是两者在高温下焊接熔化后生成脆性的金属间化合物材料(如NiAl、Al3Ni、Al3Ni2、Al3Ni5等)，由于金属间化合物塑形低，加上激光焊接冷却速度快，残余应力高，容易在焊接接头萌生微裂纹，降低焊接强度。
表1纯镍带材的主要化学成分(％wt)
Figure BDA0002357203260000021
激光焊接是一种比较新型的焊接方法，它利用高能量的激光脉冲对金属材料进行微小区域的加热，激光束的能量将材料熔化后形成局部熔池，从而实现金属的物理冶金结合，特别适合于薄壁、精密金属零件的焊接，具有焊接速度快、热影响区小、焊缝平整、焊接质量高、可精确控制等优点。但是，镍带与铝带在激光焊接过程中，影响因素较多，包括接触面处于大气气氛、金属元素含量比例难精确掌控等，导致很难可控的在焊接接头生成塑韧性好且强度较高的有益相，使焊接接头强度较低。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法。本发明通过精密轧制得到高品质镍带，结合磁控溅射方法将金属铜沉积到镍带表面，再以铜作为焊接界面的过渡金属在惰性气氛保护下激光焊接镍带和铝带，既保证了材料良好的导电性，不影响焊接接头的力学性能，同时又避免了焊接面生成过多的焊接脆性相，塑形较低且韧性差，焊接后容易开裂的技术问题，实现了独特的微观结构控制，焊接强度高，界面拉伸强度提高了30牛。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，先采用磁控溅射物理气相沉积方法将金属铜沉积在纯镍带表面，再以沉积在纯镍带表面的铜作为焊接界面的过渡金属，采用激光焊接方法在惰性气体保护下焊接镍带和铝带。
所述磁控溅射物理气相沉积方法具体为：将金属铜靶材固定在磁控溅射设备的阳极基座上，并将纯镍带放入磁控溅射设备的阴极靶材基座上，溅射室抽真空后，向磁控溅射设备内通入惰性气体，真空度保持在3～10Pa，预热金属铜靶材基板，当温度达到370-430℃时启动电源激发铜靶，在纯镍带表面沉积金属铜。
所述金属铜在纯镍带表面的沉积厚度为10μm～20μm。
所述纯镍带与阴极靶材间的距离为20mm～25mm。
所述激光焊接方法具体为：将铝带固定在沉积有金属铜的纯镍带表面，先利用惰性气体覆盖激光聚焦部位形成保护气氛以防止氧化，再按照预热、焊接和停止三阶段焊接纯镍带和铝带，功率从预热阶段按照5％～10％/ms的速度增加到焊接阶段。
所述焊接阶段的参数设置为：激光束聚焦光斑直径范围为Φ0.5mm～Φ2.0mm，焊接激光脉冲宽度范围为6ms～10ms，设备输出功率范围为500W～800W。
沉积金属铜之前，预先对纯镍带和铝带进行超声波清洗，所述超声波清洗的方法为：先将纯镍带和铝带放入含有体积比为1％～3％去油清洗剂的纯净水中进行第一次超声波清洗，再放入纯净水中进行第二次超声波清洗。所述第一次超声波清洗的时间为4min～8min，所述第二次超声波清洗的时间为3min～6min。
激光焊接后在氢气保护气氛下通过罩式炉快速退火，所述退火温度为360℃-440℃，保温时间为15-25分钟。
所述纯镍带的制备方法为：先将纯镍板通过真空感应熔炼制备得到纯镍锭坯，纯镍锭坯经过机加工、锻造开坯后，采用热轧设备轧制成镍带卷，热轧后的纯镍带厚度3mm～5mm；最后通过精密冷轧机轧制得到纯镍带，所述纯镍带的厚度为0.15mm～0.2mm；纯镍带表面粗糙度为Ra2.0μm～Ra3.2μm。
所述铝带为满足电子行业标准要求的纯铝带材，铝带厚度范围为0.9mm±0.2mm，表面粗糙度要求达到Ra2.0μm～Ra4.8μm；所述金属铜为纯金属铜板，厚度范围为15mm～20mm，纯度要求大于或等于99.9％wt。纯金属铜板表面经车铣加工、磨光，表面光洁度达到Ra4.8μm；所述惰性气体为高纯氩气(Ar，纯净度≥99.9％wt)。
本发明铝带购自于上海崇扬铝业有限公司；金属铜购自于洛阳万申铜业有限公司。
一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，具体过程如下：
(1)制备纯镍带：把纯镍板裁成小块状，放入真空感应熔炼炉，抽真空后将纯镍板通过真空感应熔炼制备得到纯镍锭坯(纯镍锭坯化学成分范围满足电子行业标准等要求)，纯镍锭坯经过机加工、锻造开坯后，采用热轧设备轧制成镍带卷，热轧后的纯镍带厚度3mm～5mm；最后通过精密冷轧机轧制得到纯镍带，所述纯镍带的厚度为0.15mm～0.2mm；纯镍带表面粗糙度为Ra2.0μm～Ra3.2μm；
(2)对纯镍带和铝带进行超声波清洗：先将纯镍带和铝带放入含有体积比为1％～3％去油清洗剂的纯净水中进行第一次超声波清洗，时间为4min～8min；再将清洗后的纯镍带和铝带放入纯净水中进行第二次超声波清洗，时间为3min～6min。水温范围为26℃～60℃；
(3)磁控溅射物理气相沉积：金属铜经表面车铣加工后磨光得到金属铜靶材(表面光洁度达到Ra4.8μm)，将金属铜靶材固定在磁控溅射设备的阳极基座上，并将上述纯镍带放入磁控溅射设备的阴极靶材基座上，纯镍带与阴极靶材间的距离为20mm～25mm；溅射室抽真空(真空度达到1×10-3Pa)后，向磁控溅射设备内通入惰性气体氩气(Ar，纯净度≥99.9％wt)，真空度保持在3～10Pa，预热金属铜靶材基板，当温度达到370-430℃时启动电源激发铜靶，在纯镍带表面沉积金属铜；金属铜在纯镍带表面的沉积厚度为10μm～20μm；
(4)带材冲裁：将铝带和上述沉积有金属铜的纯镍带分别通过冲裁设备裁成所需的尺寸形状；
(5)激光焊接：将上述冲裁加工后的铝带和沉积有金属铜的纯镍带的表面清理干净，将铝带叠放到沉积有金属铜的纯镍带表面，组合叠放后用工装卡具加紧，使两者表面结合紧密；先利用惰性气体高纯氩气(Ar)覆盖激光聚焦部位形成保护气氛以防止氧化，再按照预热、焊接和停止三阶段焊接纯镍带和铝带，功率从预热阶段按照5％～10％/ms的速度增加到焊接阶段。焊接阶段的参数设置为：激光束聚焦光斑直径范围为Φ0.5mm～Φ2.0mm，焊接激光脉冲宽度范围为6ms～10ms，设备输出功率范围为500W～800W。
(6)应力退火：激光焊接后在氢气保护气氛下通过罩式炉快速退火，所述退火温度为360℃-440℃，保温时间为15-25分钟。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过精密轧制得到高品质镍带，结合磁控溅射方法将金属铜沉积到镍带表面，再以铜作为焊接界面的过渡金属在惰性气氛保护下激光焊接镍带和铝带，既保证了材料良好的导电性，不影响焊接接头的力学性能，同时又避免了焊接面生成过多的焊接脆性相，塑形较低且韧性差，焊接后容易开裂的技术问题，实现了独特的微观结构控制，焊接强度高，界面拉伸强度提高了30牛。
(2)本发明采用磁控溅射方法将金属铜沉积到镍带表面，并且界面沉积厚度(金属铜的沉积量)控制在10μm～20μm，使界面主要生成塑形好的Ni-Cu、Cu-Al固溶体，以及少量的Ni-Cu-Al的三元化合物，避免在界面会生成不同的金属间化合物，塑形较低且韧性差，焊接后容易开裂的技术问题，同时也避免了金属从液态转变为固态时，气体溶解度变化大产生较大气孔，降低焊接强度。除此之外，采用磁控溅射方法沉积铜相比于用电镀工艺镀铜，不仅有效提高了界面结合强度，而且降低了对外部环境的污染。
(3)本发明采用高纯氩气气氛保护的激光焊工艺焊接镍带和铝带，既降低了加工成本又提高了效率，同时结合试样特点，将激光焊接工艺设计为三个阶段，不仅不需要对合金进行过多的前处理，而且焊接速度快、热影响区小、焊缝平整、焊接质量高、控制度较精确。
具体实施方式
下述实施例采用的铝带购自于上海崇扬铝业有限公司；金属铜购自于洛阳万申铜业有限公司。
实施例1
一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，具体过程如下：
(1)制备纯镍带：把纯镍板裁成小块状，放入真空感应熔炼炉，抽真空后将纯镍板通过真空感应熔炼制备得到纯镍锭坯镍锭主要化学成分(重量百分比，下同)Ni+Co：99.6％；C：0.06％；Fe：0.03％；Cu：0.04％；Mg：0.02％；Si：0.05％；纯镍锭坯经过机加工、锻造开坯后，采用热轧设备轧制成镍带卷，热轧后的纯镍带厚度3mm；最后通过精密冷轧机轧制得到纯镍带，所述纯镍带的厚度为0.15mm；纯镍带表面粗糙度为Ra2.0μm；
(2)对纯镍带和铝带进行超声波清洗：先将纯镍带和铝带放入含有3％(体积比)去油清洗剂的纯净水中进行第一次超声波清洗，时间为5min；再将清洗后的纯镍带和铝带放入纯净水中进行第二次超声波清洗，时间为3min。水温为36℃；
(3)磁控溅射物理气相沉积：金属铜经表面车铣加工后磨光得到金属铜靶材(表面光洁度达到Ra4.8μm)，将金属铜靶材固定在磁控溅射设备的阳极基座上，并将上述纯镍带放入磁控溅射设备的阴极靶材基座上，纯镍带与阴极靶材间的距离为20mm；溅射室抽真空(真空度达到1×10-3Pa)后，向磁控溅射设备内通入惰性气体氩气(Ar，纯净度≥99.9％wt)，真空度保持在5Pa，预热金属铜靶材基板，当温度达到430℃时启动电源激发铜靶，在纯镍带表面沉积金属铜；金属铜在纯镍带表面的沉积厚度为10μm；
(4)带材冲裁：将铝带和上述沉积有金属铜的纯镍带分别通过冲裁设备裁成所需的尺寸形状；
(5)激光焊接：将上述冲裁加工后的铝带和沉积有金属铜的纯镍带的表面清理干净，将铝带叠放到沉积有金属铜的纯镍带表面，组合叠放后用工装卡具加紧，使两者表面结合紧密；先利用惰性气体高纯氩气(Ar)覆盖激光聚焦部位形成保护气氛以防止氧化，再按照预热、焊接和停止三阶段焊接纯镍带和铝带，功率从预热阶段按照10％/ms的速度增加到焊接阶段。焊接阶段的参数设置为：激光束聚焦光斑直径为Φ1.5mm，焊接激光脉冲宽度为6ms，设备输出功率为800W。
(6)应力退火：激光焊接后在氢气保护气氛下通过罩式炉快速退火，所述退火温度为440℃，保温时间为15分钟。
上述铝带厚度为1mm，表面粗糙度要求达到Ra2.6μm；所述金属铜为纯金属铜板，厚度为18mm，纯度等于99.9％wt。纯金属铜板表面经车铣加工、磨光，表面光洁度达到Ra4.8μm；所述惰性气体为高纯氩气(Ar，纯净度≥99.9％wt)。
采用金相显微镜观察方法，对上述退火后的成品进行检验，检测纯镍带与铝带焊接焊缝是否有微裂纹等缺陷，检测结果为：焊缝处没发现任何微裂纹，说明本发明方法焊接的纯镍带与铝带焊接强度高，塑形高且韧性好，焊接后不易开裂。
实施例2
一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，具体过程如下：
(1)制备纯镍带：把纯镍板裁成小块状，放入真空感应熔炼炉，抽真空后将纯镍板通过真空感应熔炼制备得到纯镍锭坯镍锭主要化学成分(重量百分比，下同)Ni+Co：99.7％；C：0.06％；Fe：0.02％；Cu：0.05％；Mg：0.02％；Si：0.05％；纯镍锭坯经过机加工、锻造开坯后，采用热轧设备轧制成镍带卷，热轧后的纯镍带厚度5mm；最后通过精密冷轧机轧制得到纯镍带，所述纯镍带的厚度为0.2mm；纯镍带表面粗糙度为Ra3.2μm；
(2)对纯镍带和铝带进行超声波清洗：先将纯镍带和铝带放入含有体积比为1％去油清洗剂的纯净水中进行第一次超声波清洗，时间为8min；再将清洗后的纯镍带和铝带放入纯净水中进行第二次超声波清洗，时间为6min。水温范围为60℃；
(3)磁控溅射物理气相沉积：金属铜经表面车铣加工后磨光得到金属铜靶材(表面光洁度达到Ra4.8μm)，将金属铜靶材固定在磁控溅射设备的阳极基座上，并将上述纯镍带放入磁控溅射设备的阴极靶材基座上，纯镍带与阴极靶材间的距离为25mm；溅射室抽真空(真空度达到1×10-3Pa)后，向磁控溅射设备内通入惰性气体氩气(Ar，纯净度≥99.9％wt)，真空度保持在10Pa，预热金属铜靶材基板，当温度达到370℃时启动电源激发铜靶，在纯镍带表面沉积金属铜；金属铜在纯镍带表面的沉积厚度为20μm；
(4)带材冲裁：将铝带和上述沉积有金属铜的纯镍带分别通过冲裁设备裁成所需的尺寸形状；
(5)激光焊接：将上述冲裁加工后的铝带和沉积有金属铜的纯镍带的表面清理干净，将铝带叠放到沉积有金属铜的纯镍带表面，组合叠放后用工装卡具加紧，使两者表面结合紧密；先利用惰性气体高纯氩气(Ar)覆盖激光聚焦部位形成保护气氛以防止氧化，再按照预热、焊接和停止三阶段焊接纯镍带和铝带，功率从预热阶段按照5％/ms的速度增加到焊接阶段。焊接阶段的参数设置为：激光束聚焦光斑直径范围为Φ0.5mm，焊接激光脉冲宽度范围为10ms，设备输出功率范围为500W。
(6)应力退火：激光焊接后在氢气保护气氛下通过罩式炉快速退火，所述退火温度为360℃，保温时间为25分钟。
上述铝带厚度为0.9mm，表面粗糙度要求达到Ra2.6μm；所述金属铜为纯金属铜板，厚度为18mm，纯度等于99.9％wt。纯金属铜板表面经车铣加工、磨光，表面光洁度达到Ra4.8μm；所述惰性气体为高纯氩气(Ar，纯净度≥99.9％wt)。
采用金相显微镜观察方法，对上述退火后的成品进行检验，检测纯镍带与铝带焊接焊缝是否有微裂纹等缺陷，检测结果为：未发现任何微裂纹，说明本发明方法焊接的纯镍带与铝带焊接强度高，塑形高且韧性好，焊接后不易开裂。
测试例1
将没有沉积铜的普通纯镍带和铝带通过本发明激光焊接条件焊接得到的纯镍带和铝带作为对比样品，与本发明实施例1样品和实施例2样品，分别进行导电性、焊接接头的力学性能、界面拉伸强度、焊缝是否有微裂纹的测试。其中：焊接片导电性根据GB/T351-1995方法测试，金属镍带材抗拉强度根据GB/T1040.2方法测试，界面拉伸强度根据GB/T1040.2方法测试，微裂纹采用金相显微镜观察的方法判断。测试结果如表2所示：
表2性能测试结果
类别 焊接片导电性 抗拉强度 界面拉伸强度 微裂纹
对比样品 71 60 43 有
实施例1样品 62 73 56 无
实施例2样品 63 70 60 无
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，先采用磁控溅射物理气相沉积方法将金属铜沉积在纯镍带表面，再以沉积在纯镍带表面的铜作为焊接界面的过渡金属，采用激光焊接方法在惰性气体保护下焊接镍带和铝带；
所述磁控溅射物理气相沉积方法具体为：将金属铜靶材固定在磁控溅射设备的阳极基座上，并将纯镍带放入磁控溅射设备的阴极靶材基座上，溅射室抽真空后，向磁控溅射设备内通入惰性气体，真空度保持在3～10Pa，预热金属铜靶材基板，当温度达到370-430℃时启动电源激发铜靶，在纯镍带表面沉积金属铜 ；所述金属铜在纯镍带表面的沉积厚度为10μm～20μm；
所述激光焊接方法具体为：将铝带固定在沉积有金属铜的纯镍带表面，先利用惰性气体覆盖激光聚焦部位形成保护气氛以防止氧化，再按照预热、焊接和停止三阶段焊接纯镍带和铝带，功率从预热阶段按照5%～10%/ms的速度增加到焊接阶段。
2.根据权利要求1所述的提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，所述纯镍带与阴极靶材间的距离为20mm～25mm。
3.根据权利要求1所述的提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，所述焊接阶段的参数设置为：激光束聚焦光斑直径范围为Φ0.5mm～Φ2.0mm，焊接激光脉冲宽度范围为6ms～10ms，设备输出功率范围为500W～800W。
4.根据权利要求1所述的提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，沉积金属铜之前，预先对纯镍带和铝带进行超声波清洗，所述超声波清洗的方法为：先将纯镍带和铝带放入含有体积比为1%～3%去油清洗剂的纯净水中进行第一次超声波清洗，再放入纯净水中进行第二次超声波清洗。
5.根据权利要求4所述的提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，所述第一次超声波清洗的时间为4min～8min，所述第二次超声波清洗的时间为3min～6min。
6.根据权利要求1所述的提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，激光焊接后在氢气保护气氛下通过罩式炉快速退火，所述退火温度为360℃-440℃，保温时间为15-25分钟。
7.根据权利要求1所述的提高电子行业用纯镍带与铝带焊接强度的方法，其特征在于，所述纯镍带的制备方法为：先将纯镍板通过真空感应熔炼制备得到纯镍锭坯，纯镍锭坯经过机加工、锻造开坯后，采用热轧设备轧制成镍带卷，热轧后的纯镍带厚度3mm～5mm；最后通过精密冷轧机轧制得到纯镍带，所述纯镍带的厚度为0.15mm～0.2mm；纯镍带表面粗糙度为Ra2.0μm～Ra3.2μm。
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