CN101700592A - 一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法 - Google Patents

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一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法，涉及一种处理钎焊异种难焊金属的方法。它解决了现有离子注入用于异种金属焊接仅适用于异种金属的冷压焊和扩散焊，无法进行钎焊的问题。方法：一、对高熔点母材金属表面进行物理清理和化学清洗，然后置于真空室中并抽本底真空，进行注入沉积前处理；二、对低熔点母材金属进行物理清理和化学清洗，然后与注入沉积前处理后的高熔点母材进行搭接固定，放置钎料并涂覆钎剂，得工件；三、预热焊接炉到钎焊温度，然后将工件置于焊接炉进行钎焊，保温后取出空冷，即完成。本发明提到的离子注入沉积的方法，在待焊母材表面形成的改性层无明显界面，改性层与母材结合好，适用于异种难焊金属进行钎焊。

Description

一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法
技术领域
本发明涉及一种处理钎焊异种难焊金属的方法。
背景技术
近年来，国内外生产中为了充分发挥材料的固有性能和节省材料，越来越多采用异种材料双金属焊接结构或者多金属焊接结构，具有独特的优势和良好的经济效益，在航空航天、石油化工、电站锅炉、核动力、机械、电子、造船以及其他一些领域发展迅猛。然而，异种材料钎焊时，由于母材固有的性能差异，无论是焊接机理和操作技术都比同种材料复杂，存在钎料润湿性差、脆性相厚度大的问题。
名称为“异种材料的连接方法、连接装置及连接结构(中国专利号：ZL200610160974.1，申请日：2006年12月06日)”的专利公布了一种利用插在高熔点材料和低熔点材料两者之间的第三种材料将高熔点材料搭接在低熔点材料上的方法；名称为“钎焊性能优异的表面处理Al薄板、使用该薄板的散热器以及制备钎焊性能优异的表面处理Al薄板的方法(中国专利号：ZL200480005348.4，申请日：2004年01月15日)”的专利公布了一种提高Al薄板钎焊性能的方法，其方法为首先对Al基体置换镀覆Zn，然后镀覆Ni，之后镀覆Sn；名称为“用于钛合金和钢真空钎焊的工艺方法(申请号：200810110772.5，申请日：2008年05月30日)”的专利公布了一种在钢待焊表面预先镀Ni，再用银基钎料对钛合金和钢进行钎焊；名称为“用于钛合金与钢连接的氩弧焊-钎焊复合焊接方法(申请号：200810110773.X，申请日：2008年05月30日)”的专利公布了一种用Nb作为中间层对钛合金与钢焊接的方法，该方法首先在充氩箱中使用钛焊丝对钛合金合Nb中间层进行氩弧焊接，再对钛合金+Nb中间层与钢进行钎焊；名称为“预处理要焊接的镀锌钢板或铝板的方法(申请号：200510119967.2，申请日：2005年06月09日)”的专利公布了一种使用大气的、电中性的低温等离子体(空气或N-O气体混合物)预处理镀锌钢板的待焊接合区表面，以提高其可焊性的方法。刘亮知，邹一心，薛崇貌，离子注入Ni对硬质合金扩散焊接接头强度的影响，西安工业学院学报，1990，10(3-4)：99～105，在硬质合金YG15(WC-15％Co)母材表面离子注入Ni后进行扩散焊，研究发现，在900℃焊接时，注入元素Ni可以使接头强度由原来的15.1MPa提高到24.4MPa，提高约50％；在1040℃焊接时，注入Ni，可以使接头的强度由原来的44.9MPa提高到51.3MPa，提高约13％；这是由于离子注入合金层的增强扩散效应能够促进焊接接合面两侧原子的相互扩散，细化接头中间层的晶粒，提高低温扩散焊接接头的强度。名称为“A method forwelding with the help of ion implantation(欧洲专利公开号EP 0091371A1)”
公布了一种离子注入预处理改善异种金属焊接性的方法，该专利指出，对异种难焊金属而言，离子注入前处理可降低材料近表面原子能，提高母材的扩散速度，进而实现可靠的冷压焊和扩散焊接。高平，赵宝荣等.镍离子注入剂量对氧化铝陶瓷焊接性能的影响研究.兵器材料科学与工程.2000，6：16～18；高平，赵宝荣等.离子注入对结构陶瓷焊接性能影响的研究.西部大开发.科教先行与可持续发展---中国科协2000年学术年会文集[C].2000；李国斌，赵宝荣等.离子注入改进陶瓷表面可焊性机理分析.兵器材料科学与工程.2001，24(4)：34～37；张玮，高平，杨海龙.镍离子注入Al2O3/1Cr18Ni9Ti钎焊界面成分分析.包头钢铁学院学报.2000，19(3)：219～221；B.R.Zhao，G.B.Li，et al.Influence of nickel ion implantation on the inactive braze joining abilities ofAl2O3ceramics.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.2005，239：147～151，镍离子注入剂量对氧化铝陶瓷焊接性能的影响研究，兵器材料科学与工程.2000，6：16～18，主要采用陶瓷与不锈钢的钎焊界面剪切强度的变化来考察与评价Ni、Ti及Mo离子注入结构陶瓷表面对其焊接性能影响的变化，结果表明：镍离子注入可以明显改善陶瓷的焊接性能，提高接头剪切强度，且注入剂量不同，其焊缝的剪切强度存在着较大差异，作者认为在陶瓷与不锈钢的钎焊工艺中，离子注入陶瓷可以引起陶瓷表面空位浓度变化且增加表层物质活性，改善陶瓷的润湿性和表面能，进而增强元素扩散及参与界面反应的能力，从提高陶瓷与金属接头连接强度来说，元素间的扩散是一种有益的作用，这可能带来更多的置换化学反应来提高结合强度。
对以上离子注入在焊接中的应用总结如下：异种材料焊接需要界面控制，离子注入是一种有效的方法，但目前的离子注入用于异种金属焊接只针对了异种金属的冷压焊和扩散焊，主要是利用离子注入降低材料表面原子能，提高母材间扩散速度，进而实现保证接头质量的前提下降低扩散焊中母材施加的压力以及焊接温度；离子注入用于陶瓷与金属的焊接时，可用于扩散焊和钎焊，其主要也是利用离子注入改变陶瓷表面活性，增强界面元素扩散及参与界面反应的能力，进而实现陶瓷与金属的可靠连接。但是，对于异种金属钎焊而言，最主要的问题是钎料与母材润湿性差和脆性金属间化合物层厚度大且厚度难以控制导致的接头强度不高，对于上述方法中采用提高扩散速度的离子注入方式对控制脆性相的生成效果不明显。
发明内容
本发明目的是为了解决现有离子注入用于异种金属焊接仅适用于异种金属的冷压焊和扩散焊，无法进行钎焊的问题，而提供一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法。
离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法按以下步骤实现：一、对异种难焊金属中的高熔点母材金属表面进行物理清理和化学清洗，然后置于真空室中并抽本底真空至10-1～10-4Pa，启动金属离子注入沉积源进行注入沉积前处理，工作电压为10～100kV，注入离子剂量为1015～1020ions/cm2，注入沉积的离子元素为低熔点母材金属元素；二、对异种难焊金属中的低熔点母材金属进行物理清理和化学清洗，然后与注入沉积前处理后的高熔点母材进行搭接固定，在搭接的边缘处放置钎料并涂覆钎剂，得待焊工件；三、预热焊接炉到钎焊温度，然后将待焊工件置于焊接炉进行钎焊，保温2～20min后取出空冷，即完成离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属；其中步骤一中异种难焊金属为铝合金/不锈钢、铝合金/铜、铝合金/钛合金、钛合金/铜、钢/铜、钛合金/不锈钢、锆/不锈钢、钼合金/不锈钢、钨合金/不锈钢或铝合金/镁合金；步骤一中注入沉积前处理为等离子体浸没离子注入沉积(PIII-D)、MEVVA源离子注入沉积或离子束注入辅助沉积(IBED)；步骤二中钎料选用低熔点母材金属钎焊专用钎料，钎料具体种类根据钎焊接头的实际工况条件查钎焊手册确定；步骤二中钎剂选用的种类是根据已选钎料查钎焊手册确定；步骤三中进行钎焊的温度是根据所选钎料并查阅钎焊手册确定。
本发明提到的离子注入沉积的方法，在待焊母材表面形成的改性层无明显界面，改性层与母材结合好，适用于异种难焊金属进行钎焊。一方面由于被焊接件表面成分置换可以调节表面润湿性，同时，通过这种低熔点金属注入沉积前处理可以降低焊接温度、注入层对扩散可以调制，进而有效抑制脆性相生成，最终可获得高强度的焊接接头；本发明选择低熔点母材金属作为注入元素，工艺简单，高熔点母材表面形成一层注入沉积复合层，高熔点母材最外层为低熔点母材材料，钎焊工艺可简化为同种低熔点母材的钎焊连接，钎料选择低熔点母材钎焊常用钎料，可与低熔点母材达到良好润湿和优异的冶金接合；即使对于熔点差别不大的两种母材(如镁合金/铝及铝合金)钎焊，本发明所述的离子注入前处理方法同样适用。本发明采用的离子注入沉积前处理的方法无污染，注入元素不受限制。
附图说明
图1为具体实施方式一中离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的示意图，其中1为高熔点母材金属，2为低熔点母材金属，3为注入沉积层，4为钎料，5为钎剂。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法按以下步骤实现：一、对异种难焊金属中的高熔点母材金属表面进行物理清理和化学清洗，然后置于真空室中并抽本底真空至10-1～10-4Pa，启动金属离子注入沉积源进行注入沉积前处理，工作电压为10～100kV，注入离子剂量为1015～1020ions/cm2，注入沉积的离子元素为低熔点母材金属元素；二、对异种难焊金属中的低熔点母材金属进行物理清理和化学清洗，然后与注入沉积前处理后的高熔点母材进行搭接固定，在搭接的边缘处放置钎料并涂覆钎剂，得待焊工件；三、预热焊接炉到钎焊温度，然后将待焊工件置于焊接炉进行钎焊，保温2～20min后取出空冷，即完成离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属；其中步骤一中异种难焊金属为铝合金/不锈钢、铝合金/铜、铝合金/钛合金、钛合金/铜、不锈钢/铜、钛合金/不锈钢、锆/不锈钢、钼合金/不锈钢、钨合金/不锈钢或铝合金/镁合金；步骤一中注入沉积前处理为等离子体浸没离子注入沉积、MEVVA源离子注入沉积或离子束注入辅助沉积；步骤二中钎料选用低熔点母材金属钎焊专用钎料，钎料具体种类根据钎焊接头的实际工况条件查钎焊手册确定；步骤二中钎剂选用的种类是根据已选钎料查钎焊手册确定；步骤三中进行钎焊的温度是根据所选钎料并查阅钎焊手册确定。
本实施方式离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的示意图如图1所示。
本实施方式中当待焊的两种母材熔点差别小(在30℃以内)时，高熔点母材金属还可以为钎料选择性小的母材金属。
本实施方式步骤一中高熔点母材金属的最表面离子注入混合层为0.01～2μm，高熔点母材金属的表面沉积金属层厚度为0.1～10μm。
本实施方式步骤一中铝合金为现有各种型号的铝合金；钛合金为现有各种型号的钛合金；钼合金为现有各种型号的钼合金；钨合金为现有各种型号的钨合金；镁合金为现有各种型号的镁合金。
本实施方式步本实施方式中当待焊的两种母材熔点差别小(在30℃以内)时，低熔点母材金属还可以为钎料选择性大的母材金属。
本实施方式步骤二中搭接固定是将低熔点母材金属与高熔点母材金属具有表面沉积金属层的一面进行搭接固定。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中高熔点母材金属表面进行物理清理和化学清洗为依次采用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂纸逐级预磨，然后采用丙酮超声清洗15min，再烘干。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中工作电压为20～80kV，注入离子剂量为1016～1019ions/cm2。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中工作电压为50kV，注入离子剂量为1018ions/cm2。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤二中低熔点母材金属进行物理清理和化学清洗为依次采用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂纸逐级预磨，然后在50～60？下采用质量浓度为5％的NaOH溶液清洗10～15s，用清水冲洗3～5次，再采用体积浓度为25％的稀硝酸溶液浸泡5～10s，用蒸馏水清洗3～5次，然后用酒精擦拭表面。其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法按以下步骤实现：一、对不锈钢表面进行物理清理和化学清洗，然后置于真空室中并抽本底真空至10-2～10-4Pa，启动金属离子注入沉积源进行注入沉积前处理，工作电压为10～60kV，注入离子剂量为1015～1020ions/cm2，注入沉积的离子元素为铝离子；二、对纯铝进行物理清理和化学清洗，然后与注入沉积前处理后的不锈钢进行搭接固定，在搭接的边缘处放置钎料并涂覆钎剂，得工件；三、预热焊接炉到钎焊温度，然后将工件置于焊接炉进行钎焊，保温2～20min后取出空冷，即完成离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属；其中步骤一中MEVVA源离子注入沉积；步骤二中钎料选用BAl88Si；步骤二中钎剂选用的种类是根据已选钎料查钎焊手册确定；步骤三中进行钎焊的温度是590～630℃。
本实施方式中离子注入沉积前处理钎焊不锈钢与纯铝，经检测钎焊接头强度为40～80MPa，而未注入铝离子的不锈钢与铝钎焊接头强度仅为10～25MPa。

Claims (5)

1.一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法，其特征在于离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法按以下步骤实现：一、对异种难焊金属中的高熔点母材金属表面进行物理清理和化学清洗，然后置于真空室中并抽本底真空至10-1～10-4Pa，启动金属离子注入沉积源进行注入沉积前处理，工作电压为10～100kV，注入离子剂量为1015～1020ions/cm2，注入沉积的离子元素为低熔点母材金属元素；二、对异种难焊金属中的低熔点母材金属进行物理清理和化学清洗，然后与注入沉积前处理后的高熔点母材进行搭接固定，在搭接的边缘处放置钎料并涂覆钎剂，得待焊工件；三、预热焊接炉到钎焊温度，然后将待焊工件置于焊接炉进行钎焊，保温2～20min后取出空冷，即完成离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属；其中步骤一中异种难焊金属为铝合金/不锈钢、铝合金/铜、铝合金/钛合金、钛合金/铜、不锈钢/铜、钛合金/不锈钢、锆/不锈钢、钼合金/不锈钢、钨合金/不锈钢或铝合金/镁合金；步骤一中注入沉积前处理为等离子体浸没离子注入沉积、MEVVA源离子注入沉积或离子束注入辅助沉积；步骤二中钎料选用低熔点母材金属钎焊专用钎料，钎料具体种类根据钎焊接头的实际工况条件查钎焊手册确定；步骤二中钎剂选用的种类是根据已选钎料查钎焊手册确定；步骤三中进行钎焊的温度是根据所选钎料并查阅钎焊手册确定。
2.根据权利要求1所述的一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法，其特征在于步骤一中高熔点母材金属表面进行物理清理和化学清洗为依次采用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂纸逐级预磨，然后采用丙酮超声清洗15min，再烘干。
3.根据权利要求2所述的一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法，其特征在于步骤一中工作电压为20～80kV，注入离子剂量为1016～1019ions/cm2。
4.根据权利要求2所述的一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法，其特征在于步骤一中工作电压为50kV，注入离子剂量为1018ions/cm2。
5.根据权利要求3或4所述的一种离子注入沉积前处理钎焊异种难焊金属的方法，其特征在于步骤二中低熔点母材金属进行物理清理和化学清洗为依次采用400#、500#、600#、800#和1000#金相砂纸逐级预磨，然后在50～60℃下采用质量浓度为5％的NaOH溶液清洗10～15s，用清水冲洗3～5次，再采用体积浓度为25％的稀硝酸溶液浸泡5～10s，用蒸馏水清洗3～5次，然后用酒精擦拭表面。
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