CN105269105A - 一种声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法 - Google Patents

一种声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料焊接与连接技术领域，具体地涉及是一种多物理场耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法。本发明是要解决在焊接高硅铝合金的过程中，由于铝和氧亲和力强而产生的难熔物氧化膜对焊缝熔合的不利影响，以及高硅铝合金中含有大量的硅所导致的硅裂和团聚长大等问题。本发明方法为：使用钎料，大气条件下，外加热源和超声作用，对高硅铝合金进行中低温焊接，通过声-热耦合使高硅铝合金中的增强相Si进入焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝结构，进而实现难焊的高硅铝合金的高强、可靠连接。

Description

一种声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法
技术领域
本发明属于材料焊接与连接技术领域，特别是一种多物理场耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法。
背景技术
高硅铝合金具有热膨胀系数小、机械性能良好、易于精密加工，尺寸稳定等诸多优点,这些优异的合金特性就决定了高硅铝合金会在很多领域有着广泛的发展应用。目前为止。高硅铝合金已广泛应用于航天、航空、汽车、空间技术等高科技领域，并且在制造微电路封装壳体、基板及其盖板的热管器件、活塞、发动机气缸等耐磨部件中也有广泛的应用。例如具有重量轻、耐磨性能好、热膨胀系数小等Al-25％Si合金就广泛应用于活塞的制造，同时国内外都把高硅铝合金作为新型电子封装材料进行了深入研究，因为高硅铝合金的出现满足了电子封装材料较低的热膨胀系数、较高的热导率(＞100W/(m·K))、较低的密度(＜3g/cm3、合理的刚度(＞100GPa)以及具有稳定的化学性质的要求。因此高硅铝的高效、优质连接问题成为焊接领域的重点之一。
(解立川，彭超群，王日初，王小锋，蔡志勇，刘兵.高硅铝合金电子封装材料研究进展.中国有色金属学报,2012年9月第22卷第9期)
在高硅铝的焊接过程中，常见的焊接缺陷有夹渣、气孔等，除此之外高硅铝的合金中硅含量高，受热之后硅相会变粗大，对合金的韧性和塑性产生不利影响，易产生应力变形和裂纹。在以上缺陷中，如何有效地避免高硅铝合金中铝氧化产生的夹渣是目前重要的研究方向。在焊接过程中，铝氧化形成的致密氧化膜很难去除，这层氧化铝严重影响着金属间的结合且容易造成夹渣。目前，为了防止夹渣的出现可以采取一些措施，常见的有在焊接前清除表面的氧化膜，可以用机械清理法，也可采取化学清理法，但是都不能完全的破坏高硅铝合金表面的氧化膜。高硅铝合金的连接仍需要能够有效破除致密氧化膜的方法。目前常见的连接高硅铝合金的焊接方法有激光焊和钎焊。
激光焊是通过电子碰撞直接激发和共振转移激发，使产生的光束集中在聚焦装置中，聚集出能量巨大的激光束，将激光束的焦点靠近工件，使工件熔化，从而完成焊接的一种新型焊接方法。在激光焊高硅铝合金过程中，由于激光束可在短时间内聚集巨大能量，致使高硅铝合金经受了剧烈的加热和冷却过程，在此过程中材料经历重熔、硅含量的重新分配、内部应力状态的急剧变化。经过重新分配后，靠近母材中硅含量较高的区域往往是裂纹的主要发生部位所在。同时，急剧加热和冷却作用也会导致部分氢逸出，易造成气孔缺陷。
(周明智，雷党刚，李正.高硅铝合金壳体激光封焊缺陷及机制分析.电子机械工程.2013年12月第29卷第6期)
钎焊是用熔点比母材低的填充材料作为添加金属即钎料，在低于母材熔点而高于钎料熔点的温度下进行焊接，用熔化的钎料毛细填充母材间的间隙，冷却后形成牢固的焊接接头。但高硅铝合金中的铝易于氧化生成一层很难去除的氧化膜，这就要求钎焊过程要在真空环境中进行，而钎料对母材的润湿性也是需要解决的问题，有研究人员在真空环境通过提高钎焊温度来改变母材的润湿性，但这也存在一定的限制性，要考虑钎焊温度对焊件使用性能的影响。(侯玲徐道荣陈潇潇.SiCp/Al复合材料与高Si/Al合金的钎焊性能试验研究。(2011年安徽省科协年会——机械工程分年会论文集，p174-177)
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提出一种声-热耦合调控形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，该方法在大气环境下，当待焊试件加热到预定温度后，同时施加超声波，利用超声波的空化作用击碎氧化膜，并改善钎料对母材的润湿性，而声-热耦合也会使高硅铝合金(硅质量含量10％-90％)中的增强相Si进入焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝结构。这种方法在大气环境下进行，既改善了氧化膜对焊缝组织的影响又提高了钎料对母材的润湿性，又改变了其它焊接方法中硅含量过高易于造成焊接裂纹的情况，反而使之成为焊接结构中的增强相，实现了难焊的高硅铝合金(硅含量10％-90％)的高强、可靠的连接。图1为实施例1-14的声-热耦合调控焊接高硅铝合金示意图。当作为母材的高硅铝合金装夹完毕后，用外加热源加热到预热温度后，将超声波振头施加于母材之上，施加超声作用一段时间后，移除超声振头和外加热源，冷却至室温之后，完成焊接。图2为以Zn-Al系合金为钎料，使用声-热耦合调控焊接高硅铝合金后焊缝的微观组织结构图。
本发明声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，利用超声波和外加热源的耦合使高硅铝合金，高硅铝合金中的增强相Si进入焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝结构，其步骤如下：
1)焊接前用砂纸将钎料和待焊高硅铝合金表面的油杂物、氧化膜去除后，进行抛光，再用丙酮擦洗表面；
2)对步骤1)得到的待焊高硅铝合金和钎料进行装夹；
3)将按步骤2)所装夹的待焊高硅铝合金和钎料用外加热源加热；
4)大气环境下，外加超声作用，将超声头放置在高硅铝合金表面，超声波处理，超声施加完毕，焊缝完成后停止加热，待焊缝冷却后关闭超声作用，得到复合焊缝组织的焊接接头，完成高硅铝合金的连接。
步骤1)所述钎料可选为Zn-xAl，x＝0-50；Sn-xZn，x＝0-80；Sn-In；Sn-Bi；Sn-Ag-Cu；Sn-Pb或BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)。
步骤1)所述高硅铝合金中，硅质量含量为10％-90％。
所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，
(1)步骤1)所述钎料可选为Zn-xAl，x＝0-50时，所需加热到的预定温度为330-470±10℃；
(2)步骤1)所述钎料可选Sn-xZn，x＝0-80时，所需加热到的预定温度为150-280±10℃；
(3)步骤1)所述钎料可选Sn-In时，所需加热到的预定温度为70-270±10℃；
(4)步骤1)所述钎料可选Sn-Bi时，所需加热到的预定温度为90-330±10℃；
(5)步骤1)所述钎料可选Sn-Ag-Cu时，所需加热到的预定温度为180-300±10℃；
(6)步骤1)所述钎料可选BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)时，所需加热到的预定温度为550-720±10℃；
(7)步骤1)所述钎料可选Sn-Pb时，所需加热到的预定温度为130-330±10℃。
步骤1)所述钎料选为Zn-xAl，当x＝0时，为纯锌，形态为箔状或片状；
步骤1)所述钎料选为Sn-xZn时，当x＝0时,为纯锡，形态为箔状或片状。
步骤3)所述外加热源，选用电弧、激光、电子束或通过热传导和热辐射使待焊件和钎料加热到预定温度。
所述BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)熔点为591℃。
步骤1)在所述大气环境下，外加超声作用。
步骤4)所述超声频率为20～100kHz，超声振幅为1～20μm。
步骤4)所述超声波处理0.5～500s。
本发明主要特点如下：
1.施加超声波，由于超声波空化等作用，能有效破除高硅铝合金表面氧化膜；也有助于钎料在高硅铝合金(硅含量10％-90％)表面的润湿、铺展，附着在母材表面；
2.在大气环境下进行焊接，且不需要提高温度来改善润湿性，降低能耗，并且在一定程度上不使用钎剂，进而降低或避免了钎剂对人员的毒副作用；
3.如图2所示，采用声-热耦合辅助钎焊的方法焊接高硅铝合金，高硅铝合金(硅含量10％-90％)中的增强相Si进入焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝结构，这就实现难焊的高硅铝合金的高强、可靠连接。
附图说明
图1为实施例1-14的声-热耦合调控焊接高硅铝合金示意图
图2为以Zn-Al系合金为钎料，使用声-热耦合调控焊接高硅铝合金后焊缝的微观组织结构图
具体实施方式
实施例1
一种声-热耦合调控形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，利用超声波和外加热源的耦合使硅质量含量30％的高硅铝合金中的增强相Si颗粒进入焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝结构，步骤如下：
一、焊接前用砂纸将钎料Sn9Zn和待焊硅质量含量30％的高硅铝合金表面的油杂物、氧化膜去除后，进行抛光，再用丙酮擦洗表面；
二、对步骤1)得到的待焊硅质量含量30％的高硅铝合金和钎料按图1所示的方式进行装夹；
三、将按步骤2)所装夹的待焊高硅铝合金和钎料用外加热源加热至预定温度320±10℃；
四、按图1所示，大气环境下，外加超声作用，将超声头放置在高硅铝合金表面，在频率为100kHz、振幅为20μm的条件下，超声波处理50s，超声施加完毕，焊缝完成后停止加热，待焊缝冷却后关闭超声作用，得到复合焊缝组织的焊接接头，完成高硅铝合金的连接。
实施例2：本实施例与实施例1不同的是：步骤一Sn-xZn钎料改为Zn-Al(x＝0-50)钎料，加热至预定温度330-470±10℃，其它步骤与实施例一相同；
实施例3：本实施例与实施例一至二之一不同的是：步骤一钎料为Sn-In，加热至预定温度70-270±10℃，其它与实施例一至二相同；
实施例4：本实施例与实施例一至三之一不同的是：步骤一钎料为Sn-Bi，加热至预定温度90-320±10℃。其它与实施例一至三相同；
实施例5：本实施例与实施例一至四之一不同的是：步骤一钎料Sn-Ag-Cu，加热至预定温度180-300±10℃。为其它与实施例一至四相同；
实施例6：本实施例与实施例一至五之一不同的是：步骤一钎料Sn-Pb，加热至预定温度130-280±10℃。其它与实施例一至五之一相同。
实施例7：本实施例与实施例一至六之一不同的是：步骤一钎料BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)，加热至预定温度550-720±10℃。其它与实施例一至六之一相同；
实施例8：本实施例与实施例一至七之一不同的是：步骤一钎料锌箔。其它与实施例一至七之一相同；
实施例9：本实施例与实施例一至八之一不同的是：步骤一钎料锡箔。其它与实施例一至八之一相同。
实施例10：本实施例与实施例一至九之一不同的是：步骤四在频率为80kHz、振幅为16μm的条件下，超声波处理50-150s。其它与实施例一至九之一相同。
实施例11：本实施例与实施例一至十之一不同的是：步骤四在频率为60kHz、振幅为12μm的条件下，超声波处理150-250s。其它与实施例一至十之一相同。
实施例12：本实施例与实施例一至十一之一不同的是：步骤四在频率为40kHz、振幅为8μm的条件下，超声波处理250-350s。其它与实施例一至九之一相同。
实施例13：本实施例与实施例一至十二之一不同的是：步骤四在频率为20kHz、振幅为1μm的条件下，超声波处理350-500s。其它与实施例一至十二之一相同。
实施例14：本实施例与实施例一至十三之一不同的是：步骤一中硅质量含量为90wt％。其它与实施例一至十二之一相同。
实施例15：本实施例与实施例一至十四之一不同的是：步骤一中硅质量含量为10wt％。其它与实施例一至十二之一相同。

Claims (10)

1.一种声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，利用超声波和外加热源的耦合使高硅铝合金，高硅铝合金中的增强相Si进入焊缝，形成颗粒增强的复合焊缝结构，其步骤如下：
1)焊接前用砂纸将钎料和待焊高硅铝合金表面的油杂物、氧化膜去除后，进行抛光，再用丙酮擦洗表面；
2)对步骤1)得到的待焊高硅铝合金和钎料进行装夹；
3)将按步骤2)所装夹的待焊高硅铝合金和钎料用外加热源加热；
4)外加超声作用，将超声头放置在高硅铝合金表面，超声波处理，超声施加完毕，焊缝完成后停止加热，待焊缝冷却后关闭超声作用，得到复合焊缝组织的焊接接头，完成高硅铝合金的连接。
2.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，步骤1)所述钎料可选为Zn-xAl，x＝0-50；Sn-xZn，x＝0-80；Sn-In；Sn-Bi；Sn-Ag-Cu；Sn-Pb或BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)。
3.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，步骤1)所述高硅铝合金中，硅质量含量为10％-90％。
4.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，
(1)步骤1)所述钎料可选为Zn-xAl，x＝0-50时，所需加热到的预定温度为330-470±10℃；
(2)步骤1)所述钎料可选Sn-xZn，x＝0-80时，所需加热到的预定温度为150-280±10℃；
(3)步骤1)所述钎料可选Sn-In时，所需加热到的预定温度为70-270±10℃；
(4)步骤1)所述钎料可选Sn-Bi时，所需加热到的预定温度为90-330±10℃；
(5)步骤1)所述钎料可选Sn-Ag-Cu时，所需加热到的预定温度为180-300±10℃；
(6)步骤1)所述钎料可选BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)时，所需加热到的预定温度为550-720±10℃；
(7)步骤1)所述钎料可选Sn-Pb时，所需加热到的预定温度为130-330±10℃。
5.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，
(1)步骤1)所述钎料选为Zn-xAl，当x＝0时，为纯锌，形态为箔状或片状；
(2)步骤1)所述钎料选为Sn-xZn时，当x＝0时,为纯锡，形态为箔状或片状。
6.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，步骤3)所述外加热源，选用电弧、激光、电子束或通过热传导和热辐射使待焊件和钎料加热到预定温度。
7.根据权利要求2所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，所述BAl88Si(9-10.5)Mg(1-2)熔点为591℃。
8.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，步骤1)在所述大气环境下，外加超声作用。
9.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，步骤4)所述超声频率为20～100kHz，超声振幅为1～20μm。
10.根据权利要求1所述的声-热耦合形成颗粒增强焊缝的高硅铝合金焊接方法，其特征在于，步骤4)所述超声波处理0.5～500s。
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