CN105499733B - 一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法 - Google Patents

一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法 Download PDF

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Abstract

一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，本发明的目的是要解决使用低温玻璃钎料钎焊的过程中，由于钎料与母材化学相容性差或钎焊温度低、熔融玻璃钎料粘度大而导致的铺展润湿不充分，钎焊接头强度较低的问题。钎焊方法：一、将低温封接玻璃粉与粘接剂混合，得到焊膏；二、将待焊母材切割成型；三、对焊件进行超声清洗和打磨；四、对焊件进行微弧氧化及封孔处理；五、焊膏涂覆在微弧氧化后的焊件表面；六、组成待焊件；七、在氩气氛围或负压条件下进行高温焊接。本发明使用的低温封接玻璃的封接温度低，线膨胀系数小，获得的钎焊接头无裂纹、气孔，残余应力小，强度高，气密性好，同时微弧氧化形成的致密陶瓷膜层对母材有良好的保护作用。

Description

一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种微弧氧化辅助低温玻璃钎焊的方法。
背景技术
低温封接玻璃是指将玻璃、陶瓷、金属及复合材料等相互间封接起来的中间层玻璃。由于具有较低的熔制温度和封接温度，良好的化学稳定性和耐热性及较高的机械强度，常被用于玻璃、陶瓷、金属及复合材料之间的相互封接，在电真空和微电子技术、激光和红外技术、高能物理、能源、宇航、汽车、化工和工业测试等众多领域有广泛应用。
微弧氧化技术是通过电解液与相应电参数的组合，在金属及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。该技术具有操作简单和易于实现膜层功能调节的特点，而且工艺相对简单，不会造成环境污染，是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术。
当前，使用低温玻璃进行钎焊的主要问题是在钎焊过程中，由于钎料与母材化学相容性差或钎焊温度较低，熔融玻璃钎料的粘度大而导致熔融玻璃钎料在复合材料的表面铺展润湿不充分，影响钎焊接头的成形，从而使钎焊接头的强度和气密性下降。
发明内容
本发明的目的是要解决在使用低温玻璃钎料钎焊的过程中，由于钎料与母材化学相容性差或钎焊温度低、熔融玻璃钎料粘度大而导致的铺展润湿不充分，钎焊接头强度较低的问题，而提出一种兼具提高母材耐腐蚀性能的微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法。
本发明微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法按以下步骤进行：
一、将低温封接玻璃粉与粘接剂混合后置于焊膏搅拌机中，在100～130r/min的转速下搅拌1～2h，得到低温玻璃钎料焊膏；
二、利用切割设备将待焊母材切割成型，得到焊件；
三、使用水砂纸对步骤二得到的焊件进行机械打磨，然后置于酸洗液中进行酸洗，酸洗后的焊件最后置于丙酮中，在室温条件下超声清洗得到预处理的焊件；
四、将预处理的焊件接直流电源阳极，不锈钢板接直流电源阴极，同时浸没在碱性电解液中，在电解液的温度为20～60℃的条件下采用控制电流法进行微弧氧化，电流密度为2～15A/dm2，通电时间为10～90min，然后进行封孔处理，用无水乙醇冲洗后得到微弧氧化及封孔后的焊件；
五、采用丝网印刷的方法将低温玻璃钎料焊膏均匀涂覆在微弧氧化及封孔后的焊件表面的预连接位置，得到涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件；
六、将两块涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件的预连接处接触并对齐，组成待焊件；
七、将步骤六得到的待焊件放置于具有氩气氛围或氩气保护负压条件下的钎焊炉中，施加0.5～1MPa的焊接压力，然后以10～20℃/min的升温速率从室温升温至300℃，并在300℃下保温10～30min，再以5～10℃/min的升温速率从300℃升温至420～480℃，然后保温10～15min，随炉自然冷却至室温，完成微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊过程。
本发明微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法包含以下优点：
一、本发明采用微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，连接温度低(低于500℃)且操作方便，无需钎剂且可实现批量生产，在很大程度上降低了成本和钎焊工艺的复杂程度。
二、本发明通过微弧氧化在钎焊母材表面形成了一层致密的以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层，具有与低温玻璃钎料相同的离子-共价复合价键结构，能够实现熔融玻璃钎料焊膏在钎焊母材上的有效铺展润湿，提高接头强度和气密性。
三、通过微弧氧化在母材的非钎焊位置也可以形成一层致密的陶瓷膜层，对母材起到很好的保护作用，从而在使用环境中避免母材遭受点蚀、剥蚀、磨蚀等腐蚀形式的破坏。
四、在保护气体氛围条件下进行钎焊，避免了母材表面的二次氧化，得到的钎焊成品表面颜色均匀、美观。或在负压条件下进行钎焊，有利于钎焊接头中气泡的逸出，从而得到致密、成形良好的钎焊接头。
五、本发明使用的低温封接玻璃的封接温度低，线膨胀系数小，得到的钎焊接头残余应力小，有利于提高接头的强度和稳定性。
六、本发明得到的钎焊接头致密、无气孔缺陷且成形良好，气密性好，制得的钎焊焊接件在室温下的剪切强度可提高20％～40％。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法按以下步骤进行：
一、将低温封接玻璃粉与粘接剂混合后置于焊膏搅拌机中，在100～130r/min的转速下搅拌1～2h，得到低温玻璃钎料焊膏；
二、利用切割设备将待焊母材切割成型，得到焊件；
三、使用水砂纸对步骤二得到的焊件进行机械打磨，然后置于酸洗液中进行酸洗，酸洗后的焊件最后置于丙酮中，在室温条件下超声清洗得到预处理的焊件；
四、将预处理的焊件接直流电源阳极，不锈钢板接直流电源阴极，同时浸没在碱性电解液中，在电解液的温度为20～60℃的条件下采用控制电流法进行微弧氧化，电流密度为2～15A/dm2，通电时间为10～90min，然后进行封孔处理，用无水乙醇冲洗后得到微弧氧化及封孔后的焊件；
五、采用丝网印刷的方法将低温玻璃钎料焊膏均匀涂覆在微弧氧化及封孔后的焊件表面的预连接位置，得到涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件；
六、将两块涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件的预连接处接触并对齐，组成待焊件；
七、将步骤六得到的待焊件放置于具有氩气氛围或氩气保护负压条件下的钎焊炉中，施加0.5～1MPa的焊接压力，然后以10～20℃/min的升温速率从室温升温至300℃，并在300℃下保温10～30min，再以5～10℃/min的升温速率从300℃升温至420～480℃，然后保温10～15min，随炉自然冷却至室温，完成微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊过程。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是当步骤一所述的低温封接玻璃粉按质量份数由60份PbO、25份ZnO、6份B2O3、0.3份A12O3、0.2份SiO2和0.3份Li2O组成。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式低温封接玻璃粉为PbO-ZnO-B2O3体系，封接温度介于420～480℃，热膨胀系数75～90×10-7/℃，封接温度下的粘度为102～105Pa·s
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一所述的低温封接玻璃粉的粒径为25～80μm。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一所述的粘接剂按体积比为10：(1～10)由松油醇和无水乙醇组成。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式通过无水乙醇的量来控制焊膏粘度，无水乙醇量越多，焊膏粘度越小。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一按照质量比为10：(1～5)将低温封接玻璃粉与粘接剂混合后置于焊膏搅拌机中。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二所述的待焊母材为金属基陶瓷颗粒增强复合材料、铝、铝合金、钛、钛合金或可伐合金。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式母材为金属基陶瓷颗粒增强复合材料时，其陶瓷颗粒的体积分数为10～70％，可以是碳化硅颗粒增强铝基复合材料或碳化硅颗粒增强镁基复合材料。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三所述的酸洗液按体积比1：10由质量浓度为98％的硝酸与去离子水混合而成。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四所述的碱性电解液的pH为11～13，其中电解质的成分为4～15g/L的Na2SiO3，1～5g/L的KOH，2～3g/L的CH3COONa，1～3g/L的Na3VO3，0.5～1g/L的NaF。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
本实施方式是将电解质溶解于去离子水，得到该碱性电解液。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四所述的封孔处理过程是将微弧氧化后的焊件置于浓度为50g/L的硅酸钠溶液中，在95℃下加热10～15min，然后置于空气中冷却。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤五中低温玻璃钎料焊膏涂覆的厚度为40～200μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤七将得到的待焊件放置于具有氩气氛围条件下的钎焊炉中，钎焊过程中以150～200Nm3/h的气流量通入氩气。其他步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
本实施方式通过氩气的保护作用避免母材的二次氧化，从而获得颜色均一、美观的钎焊成品。
具体实施方式十二：本实施方式本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤七将得到的待焊件放置于具有氩气保护负压条件下的钎焊炉中，钎焊过程通过真空泵作用使钎焊炉内负压介于0.04～0.06MPa之间。其他步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
本实施方式通过钎焊炉内的负压状态促进钎焊接头中气泡的逸出，从而获得致密、成形良好的焊缝。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是步骤七以20℃/min的升温速率从室温升温至300℃，并在300℃下保温20min，再以10℃/min的升温速率从300℃升温至450℃，然后保温15min。其它步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。
实施例一：本实施例微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法按以下步骤进行：
一、将低温封接玻璃粉与粘接剂混合后置于焊膏搅拌机中，在120r/min的转速下搅拌2h，得到低温玻璃钎料焊膏；
二、利用切割设备将待焊碳化硅颗粒增强铝基复合材料切割成型，得到焊件；
三、依次使用400#、600#、800#、1000#、1200#和1500#的水砂纸对步骤二得到的焊件进行机械打磨，然后置于酸洗液(质量浓度98％的硝酸与去离子水的体积比1：10)中进行酸洗50s，酸洗后的焊件最后置于丙酮中，在室温条件下超声清洗30min得到预处理的焊件；
四、将预处理的焊件接直流电源阳极，不锈钢板接直流电源阴极，同时浸没在碱性电解液中，通过搅拌和冷却装置使电解液的温度控制在25℃的条件下采用控制电流法进行微弧氧化，电流密度为3A/dm2，通电时间为20min，然后进行封孔处理，用无水乙醇冲洗后得到微弧氧化及封孔后的焊件；
五、采用丝网印刷的方法将低温玻璃钎料焊膏均匀涂覆在微弧氧化及封孔后的焊件表面的预连接位置，得到涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件；
六、将两块涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件的预连接处接触并对齐，组成待焊件；
七、将步骤六得到的待焊件放置于氩气氛围的钎焊炉中，炉内负压为0.05MPa，施加1MPa的焊接压力，然后以20℃/min的升温速率从室温升温至300℃，并在300℃下保温20min，再以10℃/min的升温速率从300℃升温至530℃，然后保温10min，随炉自然冷却至室温，完成微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊过程。
其中步骤一所述的低温封接玻璃粉为PbO-ZnO-B2O3体系低温封接玻璃粉体，按质量份数由由60份PbO、25份ZnO、6份B2O3、0.3份A12O3、0.2份SiO2和0.3份Li2O组成。步骤二所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒的体积分数为60％。
本实施例制备所得的微弧氧化膜层厚度为53～65μm，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐蚀性能提高，得到的钎焊接头致密，无裂纹、气孔等宏观缺陷，经过测试，其室温下的剪切强度为68MPa。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤四所述的电解液温度为35℃，电流密度为8A/dm2，通电时间为50min。
本实施例制备所得的微弧氧化膜层厚度为72～90μm，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐蚀性能提高，得到的钎焊接头致密，无裂纹、气孔等宏观缺陷，经过测试，其室温下的剪切强度为74MPa。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是步骤四所述的电解液温度为50℃，电流密度为12A/dm2，通电时间为70min。
本实施例制备所得的微弧氧化膜层厚度为95～110μm，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐蚀性能提高，得到的钎焊接头致密，无裂纹、气孔等宏观缺陷，经过测试，其室温下的剪切强度为82MPa。
实施例四：本实施例与实施例一不同的是步骤四所述的电解液温度为60℃，电流密度为15A/dm2，通电时间为90min。
本实施例制备所得的微弧氧化膜层厚度为130～146μm，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐蚀性能提高，得到的钎焊接头致密，无裂纹、气孔等宏观缺陷，经过测试，其室温下的剪切强度为86MPa。

Claims (9)

1.一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于是按下列步骤实现：
一、将低温封接玻璃粉与粘接剂混合后置于焊膏搅拌机中，在100～130r/min的转速下搅拌1～2h，得到低温玻璃钎料焊膏；
二、利用切割设备将待焊母材切割成型，得到焊件；
三、使用水砂纸对步骤二得到的焊件进行机械打磨，然后置于酸洗液中进行酸洗，酸洗后的焊件最后置于丙酮中，在室温条件下超声清洗得到预处理的焊件；
四、将预处理的焊件接直流电源阳极，不锈钢板接直流电源阴极，同时浸没在碱性电解液中，在电解液的温度为20～60℃的条件下采用控制电流法进行微弧氧化，电流密度为2～15A/dm2，通电时间为10～90min，然后进行封孔处理，用无水乙醇冲洗后得到微弧氧化及封孔后的焊件；
五、采用丝网印刷的方法将低温玻璃钎料焊膏均匀涂覆在微弧氧化及封孔后的焊件表面的预连接位置，得到涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件；
六、将两块涂覆有低温玻璃钎料焊膏的焊件的预连接处接触并对齐，组成待焊件；
七、将步骤六得到的待焊件放置于具有氩气氛围或氩气保护负压条件下的钎焊炉中，施加0.5～1MPa的焊接压力，然后以10～20℃/min的升温速率从室温升温至300℃，并在300℃下保温10～30min，再以5～10℃/min的升温速率从300℃升温至420～480℃，然后保温10～15min，随炉自然冷却至室温，完成微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊过程；
其中步骤一所述的低温封接玻璃粉按质量份数由60份PbO、25份ZnO、6份B2O3、0.3份A12O3、0.2份SiO2和0.3份Li2O组成。
2.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤一所述的粘接剂按体积比为10：(1～10)由松油醇和无水乙醇组成。
3.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤一按照质量比为10：(1～5)将低温封接玻璃粉与粘接剂混合后置于焊膏搅拌机中。
4.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤二所述的待焊母材为金属基陶瓷颗粒增强复合材料、铝、铝合金、钛、钛合金或可伐合金。
5.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤三所述的酸洗液按体积比1：10由质量浓度为98％的硝酸与去离子水混合而成。
6.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤四所述的碱性电解液的pH为11～13，其中电解质的成分为4～15g/L的Na2SiO3，1～5g/L的KOH，2～3g/L的CH3COONa，1～3g/L的Na3VO3，0.5～1g/L的NaF。
7.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤四所述的封孔处理过程是将微弧氧化后的焊件置于浓度为50g/L的硅酸钠溶液中，在95℃下加热10～15min，然后置于空气中冷却。
8.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤七将得到的待焊件放置于具有氩气氛围条件下的钎焊炉中，钎焊过程中以150～200Nm3/h的气流量通入氩气。
9.根据权利要求1所述的一种微弧氧化辅助的低温玻璃钎焊方法，其特征在于步骤七将得到的待焊件放置于具有氩气保护负压条件下的钎焊炉中，钎焊过程通过真空泵作用使钎焊炉内负压介于0.04～0.06MPa之间。
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