CN104148759A - 真空钎焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种真空钎焊方法，属于金属加工技术领域。该真空钎焊方法中，由于其在进行钎焊前清洁了零件表面，因而能有效防止产品存在杂质，避免产品使用中的杂质挥发，同时，在装配过程中，使零件与钎料紧密贴合，有效保证钎焊部位的焊缝密合，从而使其中的水道密封性良好，且本发明的真空钎焊方法，工艺较为简单，能够广泛应用于各类金属焊接加工，特别是Mount Base零件生产中，且实施成本也相当低廉。

Description

真空钎焊方法
技术领域
本发明涉及金属加工技术领域，特别涉及钎焊技术领域，具体是指一种真空钎焊方法。
背景技术
钎焊(Brazing)是利用熔点比母材(被钎焊材料)熔点低的填充金属(称为钎料或焊料)，在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接方法。
现有的钎焊的工艺方法分类：
烙铁钎焊：用于细小简单或很薄零件的软钎焊。
波峰钎焊：用于大批量印刷电路板和电子元件的组装焊接。施焊时，250℃左右的熔融焊锡在泵的压力下通过窄缝形成波峰，工件经过波峰实现焊接。这种方法生产率高，可在流水线上实现自动化生产。
火焰钎焊：用可燃气体与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接。火焰钎焊设备简单、操作方便，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。这种方法适用于自行车架、铝水壶嘴等中、小件的焊接。
浸沾钎焊：将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或只有熔盐的盐浴槽中加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确，适合于大批量生产和大型构件的焊接。盐浴槽中的盐多由钎剂组成。焊后工件上常残存大量的钎剂，清洗工作量大。
感应钎焊利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。高频加热适合于焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊。
炉中钎焊：将装配好钎料的工件放在炉中进行加热焊接，常需要加钎剂，也可用还原性气体或惰性气体保护，加热比较均匀。
真空钎焊：工件加热在真空室内进行，主要用于要求质量高的产品和易氧化材料的焊接。
Mount Base零件是一种用在半导体离子刻蚀机的工作腔体内的核心零部件。装配此零件的中微离子刻蚀机核心腔体是生产该零件的主要技术难点。其困难在于，该零件是在真空高温高洁净环境下工作，零件整体需要持续冷却。因为此零件需要自身有冷却水道。由因为此零件是和芯片在同一真空腔室内工作，所以对水道的密封性要求极高，同时零件在高温工作过程中不能产生任何杂质的挥发以免污染芯片。
采用传统的钎焊工艺生产的零件，其水道密封性和杂质挥发情况都不能满足这种零件的生产要求，因此，如何实现一种既能够保证水道密封性，又能防止杂质挥发污染芯片，且工艺简单，实现成本低廉的钎焊方法，成为Mount Base零件生产中亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种既能够有效保证水道密封性，又能最大限度地防止杂质挥发污染芯片，且工艺简单，实现成本低廉，能够广泛应用于各类金属焊接加工，特别是Mount Base零件生产中的真空钎焊方法。
为了实现上述的目的，本发明的真空钎焊方法包括以下步骤：
(1)对待钎焊的零件进行预处理，清洁零件表面；
(2)将所述零件与钎料进行装配，使零件与钎料紧密贴合；
(3)将装配后的零件与钎料放入真空钎焊炉内；
(4)将所述的真空钎焊炉内抽真空，使炉内真空度达到1×10-4帕；
(5)利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，完成焊接。
该真空钎焊方法中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)将毛坯材料加工成型为零件；
(12)将所述零件打磨光滑；
(13)对所述零件进行化学清洗。
该真空钎焊方法中，所述的步骤(13)具体包括以下步骤：
(13-1)利用脱脂剂去除所述零件表面的油污；
(13-2)利用碱蚀去除所述零件表面的自然氧化物；
(13-3)利用酸蚀去除所述零件表面的一类新氧化物；
(13-4)利用酸洗去除所述零件表面的二类新氧化物。
该真空钎焊方法中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)将所述的零件与钎料根据加工要求进行组装；
(22)利用重力夹具固定组装后的零件与钎料，使所述零件与钎料之间紧密贴合。
该真空钎焊方法中，所述的钎料为复合钎料，所述的复合钎料包括芯材和包裹于所述芯材之外的复合层，所述的复合层的厚度为所述芯材厚度的10％±3％。
该真空钎焊方法中，所述的步骤(3)具体为：将装配后的零件与钎料连同所述的重力夹具放入真空钎焊炉内。
该真空钎焊方法中，所述的步骤(5)具体为：利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，并维持一定时间，同时维持炉内真空度不大于3×10-3帕，直至焊接完成。
该真空钎焊方法中，所述的利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，具体为：所述的利用热辐射方法阶梯式加热所述真空钎焊炉的炉内温度，使炉内各点的温度均逐步达到钎料熔点温度。
该真空钎焊方法中，所述的利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度的同时，维持所述的炉内真空度为2.5×10-3帕。
该真空钎焊方法中，所述的方法还包括以下步骤：
(6)利用超声波水浸C扫描方法检测焊接质量。
采用了该发明的真空钎焊方法，由于其在进行钎焊前清洁了零件表面，因而能有效防止产品存在杂质，避免产品使用中的杂质挥发，同时，在装配过程中，使零件与钎料紧密贴合，有效保证钎焊部位的焊缝密合，从而使其中的水道密封性良好，且本发明的真空钎焊方法，工艺较为简单，能够广泛应用于各类金属焊接加工，特别是Mount Base零件生产中，且实施成本也相当低廉。
附图说明
图1为本发明的真空钎焊方法的步骤流程图。
图2为本发明的真空钎焊方法在实际应用中的工艺流程示意图。
图3为利用本发明的真空钎焊方法进行钎焊加工的Mount Base零件的结构示意图。
图4为本发明的真空钎焊方法中热辐射加热时的炉内温度变化曲线图。
图5为超声波水浸C扫描方式检测本发明的真空钎焊方法所加工的零件质量的扫描图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的真空钎焊方法的步骤流程图。
在一种实施方式中，该真空钎焊方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)对待钎焊的零件进行预处理，清洁零件表面；
(2)将所述零件与钎料进行装配，使零件与钎料紧密贴合；
(3)将装配后的零件与钎料放入真空钎焊炉内；
(4)将所述的真空钎焊炉内抽真空，使炉内真空度达到1×10-4帕；
(5)利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，完成焊接。
在一种较优选的实施方式中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)将毛坯材料加工成型为零件；
(12)将所述零件打磨光滑；
(13)对所述零件进行化学清洗。
其中，所述的步骤(13)具体包括以下步骤：
(13-1)利用脱脂剂去除所述零件表面的油污；
(13-2)利用碱蚀去除所述零件表面的自然氧化物；
(13-3)利用酸蚀去除所述零件表面的一类新氧化物；
(13-4)利用酸洗去除所述零件表面的二类新氧化物。
在另一种较优选的实施方式中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)将所述的零件与钎料根据加工要求进行组装；
(22)利用重力夹具固定组装后的零件与钎料，使所述零件与钎料之间紧密贴合。
其中，所述的钎料为复合钎料，所述的复合钎料包括芯材和包裹于所述芯材之外的复合层，所述的复合层的厚度为所述芯材厚度的10％±3％。
且所述的步骤(3)具体为：将装配后的零件与钎料连同所述的重力夹具放入真空钎焊炉内。
在又一种较优选的实施方式中，所述的步骤(5)具体为：利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，并维持一定时间，同时维持炉内真空度不大于3×10-3帕，直至焊接完成。
其中，所述的利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，具体为：所述的利用热辐射方法阶梯式加热所述真空钎焊炉的炉内温度，使炉内各点的温度均逐步达到钎料熔点温度。且所述的利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度的同时，维持所述的炉内真空度为2.5×10-3帕。
在更优选的实施方式中，所述的方法还包括以下步骤：
(6)利用超声波水浸C扫描方法检测焊接质量。
在本发明的实际应用中，其工艺流程大致如图2所示。
在钎焊前，先将各零件通过CNC机械加工完成，保证各零件钎焊面的平面度及平行度，确保零件装配各焊接面贴合无缝隙。
以加工Mount Base零件为例，如图3所示，包括上组件1、下组件2和位于上组件1与下组件2之间的复合钎料3。下组件2上具有水道4。
在完成上述零件的机械加工后，需要对零件进行化学清洗。包括以下内容：
油污可用脱脂剂去除；
自然氧化物则用碱蚀(NaOH)去除，但同产生新的氧化物；
新的氧化物则用酸蚀(HF或HNO3)去除，去除Si，但同产生新的氧化物MgO2、CuO、Fe2O3；
新的氧化物MgO2、CuO、Fe2O3则用酸洗(HNO3)去除，得到近乎纯Al表面。
清洗也按照铝表面清洗的工艺，先用弱碱性脱脂剂将零件表面的油污和自然氧化物去除，然后再硝酸和氢氟酸去除新生成的氧化物，最后再用硝酸去灰也叫出光，得到比较纯净的铝材表面。清洗工艺经过特殊要求适应半导体行业要求，清洗在无尘室中进行，所用的清洗材料是高洁净电子级材料，不会带入其他的杂质污染，清洗用的水是超纯水，通过该方法清洗的零件表面可以通过相关检测机构的离子测试。而一般清洗只能去除表面的油污，零件表面还留有很多氧化物，会对后续加工造成不良影响。
钎料采用4104铝合金复合板，Si含量复合板性能体现在钎料层的流动性、润湿性、间隙填充能力和焊接强度。在Al-S合金二元相图中，温度达577℃，w(Si)＝11.7％时，发生共晶反应。当w(Si)≤11.7％时，二元合金熔化温度随Si含量的升高而降低。所以，钎料层中Si含量高时，其熔点则低。Si含量过高时，虽然可使包覆层合金熔点降低、流动性好，间隙填充能力强，但当其扩散到被焊金属界面，且使固相成分达到一定程度时，导致被焊金属固相熔化，产生熔蚀。Si含量越高，浓度梯度越大，对基体合金的熔蚀倾向也越严重；Si含量过低时，则产生相反的效果。真空钎焊用复合板的钎料层为4104铝合金，其w(Si)的标准范围为9.0％～10.5％。Mg含量：包覆层合金中的Mg是真空钎焊必不可少的金属活化剂、吸气剂，同时在增强复合板耐蚀性方面可产生积极的影响。Mg在550℃以上时开始大量蒸发，在真空钎焊炉中形成含Mg的气氛。镁蒸气既可与钎焊气氛中剩余的氧或水蒸气中的氧结合，保护加热零件表面不致重新氧化，又能渗入到零件表面未清除干净的氧化膜中，将其去除。所以，相对于真空钎焊炉的真空度而言，真空度高时，标准含量的Mg可以起到足够的作用；而真空度低时，则需要将Mg含量控制在上限或者更高。4104铝合金的w(Mg)＝1.0％～2.0％。
复合板厚度及钎料层厚度的设定应与零件的承压要求相匹配，必须结合理论计算和生产实践来制定。钎料层厚度过薄时，易造成焊接强度低、焊接不牢、承压不达标等焊接缺陷；过厚时，则会造成芯层合金厚度过薄、承压不达标、甚至出现熔蚀现象导致泄漏。因此，钎料层厚度及其均匀性是衡量其质量的重要指标，也是影响钎焊质量的重要因素之一。实际应用中钎料层厚度一般控制在复合板厚度的(10±3)％为宜。
复合钎料在零件中的另一个作用是作通道隔板，也有承压要求。因此，不应有影响其承压的内在、外在缺陷。内在缺陷如芯层合金的气孔、夹渣、钎料层的焊合不良等；外在缺陷除上述表面处理不洁净外，还有在加工过程中的磕碰伤、划伤，当其深度超过钎料层厚度时，会直接破坏金属的连续性，导致承压能力下降。
零件在洁净室里装配后采用不锈钢重力夹具进行夹持，重力夹具各面通过机械加工保证平面度与平行度，与焊接零件贴平无缝隙。不锈钢夹具的热膨胀系数小于铝合金，所以夹紧力太大，易造成钎焊后零件扭曲变形；夹紧力太小，零件焊接面未贴合。根据具体零件的结构设计设定适宜的夹紧力，采用扭力扳手锁紧，使零件各点受力均匀。
在真空钎焊炉中，工件主要靠热辐射进行加热。真空加热所需时间约是空气炉的三倍。因此真空钎焊过程中，应尽可能采用如图4所示的阶梯式的缓慢加热方式(c为钎焊温度)，以使零件内外温度保持一致，否则直接影响钎焊质量。温度低时，钎料尚未达到必需的温度，钎料的流动性、浸润性均较差，易产生钎缝内部气孔、钎缝不连续、虚焊等缺陷，使钎焊接头强度降低，承压能力不达标而产生泄漏，严重时甚至会撕裂；温度高时，钎料完全熔化且流动性过大，易产生钎料氧化形成气孔和对焊缝的毛细力作用变差，造成钎料流失、熔蚀、弯曲等缺陷。适当的温度，能使钎料在毛细力作用下较好地填充钎焊间隙，并能与被焊金属产生良好的合金化作用，形成高强度接头。
高温状态下的真空度较低时，炉内残留的O2、H2O等氧化性气体易与Al起化学反应，生成质硬的氧化膜，即Al2O3。Al2O3组织致密、稳定、熔点高，在普通钎焊温度下不易分解。钎料氧化后使其流动性、浸润性变坏；被焊金属氧化后变得难以浸润，从而导致焊料与基体间的焊接性能恶化。故需要尽可能提高钎焊时的真空度，减少O2、H2O等氧化性气体的含量，从而控制Al2O3的生成量。一般要求，钎焊炉采用多温区控温，炉温均匀性为±5℃，工作真空度应保证不大于3.0×10-3Pa，预抽真空的极限真空度必须在10-4Pa。
钎焊完成后，为了了解钎焊层焊接质量，在不破坏零件的前提下，可以领用先进的超声波水浸C扫描，直观了解焊接质量。
通过超声波水浸C扫描方式检测工件焊接层焊接质量以及水道通径，为零件质量评估以及工艺参数调整的参考。
检测参数为：
增益：51db；
闸门高度：17％；
扫描采样间距：0.2mm；
扫描速度：50mm/s。
具体零件扫描结果如图5所示，其中，零件总体深度区域介质均匀，水道(白色)部分与零件(深色)部分界线清晰，表示水道密封性良好。
钎焊完成后，还可以对零件进行焊后固溶处理，固溶处理是指将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体，使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力以便继续加工或成型。
固溶处理工艺可以采用以下步骤：将零件控制在三小时到达设定温度(530-535摄氏度)保温(4-5小时)然后立刻放入冷却水池中，水温控制在70度左右；时效处理：零件控制在1小时到1.5小时到达设定温度(175-180摄氏度)保温8小时。
利用上述真空钎焊方法生产的是Mount Base零件完全能够通过水道漏率测试和承压测试，符合设计要求。
采用了该发明的真空钎焊方法，由于其在进行钎焊前清洁了零件表面，因而能有效防止产品存在杂质，避免产品使用中的杂质挥发，同时，在装配过程中，使零件与钎料紧密贴合，有效保证钎焊部位的焊缝密合，从而使其中的水道密封性良好，且本发明的真空钎焊方法，工艺较为简单，能够广泛应用于各类金属焊接加工，特别是Mount Base零件生产中，且实施成本也相当低廉。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种真空钎焊方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)对待钎焊的零件进行预处理，清洁零件表面；
(2)将所述零件与钎料进行装配，使零件与钎料紧密贴合；
(3)将装配后的零件与钎料放入真空钎焊炉内；
(4)将所述的真空钎焊炉内抽真空，使炉内真空度达到1×10-4帕；
(5)利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)将毛坯材料加工成型为零件；
(12)将所述零件打磨光滑；
(13)对所述零件进行化学清洗。
3.根据权利要求2所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的步骤(13)具体包括以下步骤：
(13-1)利用脱脂剂去除所述零件表面的油污；
(13-2)利用碱蚀去除所述零件表面的自然氧化物；
(13-3)利用酸蚀去除所述零件表面的一类新氧化物；
(13-4)利用酸洗去除所述零件表面的二类新氧化物。
4.根据权利要求1所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)将所述的零件与钎料根据加工要求进行组装；
(22)利用重力夹具固定组装后的零件与钎料，使所述零件与钎料之间紧密贴合。
5.根据权利要求4所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的钎料为复合钎料，所述的复合钎料包括芯材和包裹于所述芯材之外的复合层，所述的复合层的厚度为所述芯材厚度的10％±3％。
6.根据权利要求4所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：
将装配后的零件与钎料连同所述的重力夹具放入真空钎焊炉内。
7.根据权利要求1所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体为：
利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，并维持一定时间，同时维持炉内真空度不大于3×10-3帕，直至焊接完成。
8.根据权利要求7所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度，达到钎料熔点温度，具体为：
所述的利用热辐射方法阶梯式加热所述真空钎焊炉的炉内温度，使炉内各点的温度均逐步达到钎料熔点温度。
9.根据权利要求7所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的利用热辐射方法加热所述真空钎焊炉的炉内温度的同时，维持所述的炉内真空度为2.5×10-3帕。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的真空钎焊方法，其特征在于，所述的方法还包括以下步骤：
(6)利用超声波水浸C扫描方法检测焊接质量。
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