CN106695141B - 一种利用纳米多层膜自蔓延反应辅助激光高温钎焊的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用纳米多层膜自蔓延反应辅助激光高温钎焊的方法属于激光焊接技术领域，在基底上采用磁控溅射方法交替沉积双金属的纳米膜；将沉积的双金属纳米多层膜从基底上剥离；将剥离的多层膜置于两层钎料中间，成为复合中间层；将待焊接的母材进行表面预处理；将复合中间层置于得到的母材之间，焊接采用搭接方式，采用激光对复合中间层进行扫描焊接。纳米多层膜在激光的引燃后会发生自蔓延反应，反应放出大量热量可熔化低熔点钎料，使得焊接过程不仅在搭接接头处形成连接，在整个搭接面都形成连接，增大接头的连接强度，完成材料的连接。本发明可改善激光作为局部热源的加热不均匀性，使其形成更均匀的界面反应，可提高接头致密度。

Description

一种利用纳米多层膜自蔓延反应辅助激光高温钎焊的方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及采用纳米多层膜自蔓延反应作为热源辅助激光高温钎焊。
背景技术
自蔓延高温合成是一种利用反应物之间高化学反应热的自放热和自传导作用来合成材料的技术，可用于制备某些先进陶瓷，金属间化合物及复合材料，作为传统炉技术的替代获得了广泛的关注。
具有特定纳米结构的多层膜在外加能量的诱导下，可进行自蔓延反应，反应放热瞬间可获得1000～3000℃的高温，一方面可熔化钎料，另一方面可直接借助其反应产物实现材料的连接。
由于纳米结构膜的厚度较薄，通常在几微米到几十微米之间，其极快的降温速度可保证被连接材料的原始形态不被破坏，因此纳米多层膜可作为面向微纳米单元连接的潜力热源。
另外，纳米多层膜自蔓延过程所需要的引燃能量较低，连接过程在反应结束后完成，节约能源且连接效率高，可以实现具有不同热膨胀系数的母材连接，有效降低焊接过程中产生的热应力，改善传统钎焊的不足。
在异种材料连接中，熔点差异较大的金属如Mg(649℃)，Ti(1678℃)，相互之间几乎不发生冶金反应，传统的熔焊手段很难实现Mg/Ti的可靠连接。尤其在快速加热和冷却的条件下，元素之间的扩散受到限制，实现这类相互间不发生冶金反应的异种材料连接更加困难。
针对这些问题，目前的主要解决方法有激光焊，液相扩散焊，搅拌摩擦焊等。激光钎焊异种材料主要有两种连接方式，对接接头与搭接接头。目前多采用激光填丝熔钎焊的方法对异种金属实施激光搭接焊，铝箔也可作为中间过渡层对异种金属实施焊接。
对于Mg/Ti的搭接熔钎焊来说，未添加中间层时，由于激光钎焊的快速加热冷却的特点，产生界面冶金结合前钎料与被钎焊的母材间的热传导较慢，不能通过热传导达到良好润湿。而中间层Al箔的添加虽然能改善Mg/Ti界面的润湿铺展，促进界面的冶金反应，并在反应界面形成一定厚度的AlTi3相。但同时激光的局部加热特性也造成了界面反应的不均匀性。焊接过程中，在激光局部高能量密度的辐照下，接头上部的镁合金可能出现过烧或烧穿。不仅上部镁合金、Al中间层熔化，下部钛合金也会发生局部微熔，反应凝固后形成凹坑。而在凹坑之外的其他区域，由于激光能量不足以使Ti大量熔化，Al熔化后无法与Ti混合而反应，无法形成明显的反应层。
本发明目的在于提供一种简单高效的可用于辅助激光钎焊形成高强度连接界面的方法。本发明采用纳米多层膜与钎料同时作为中间层，采用激光诱导自蔓延反应且作为辅助加热源对异种材料进行高温钎焊，有利于钎料层的完全熔化且润湿母材表面，提高连接效率，形成高强度的结合界面。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的异种材料激光钎焊连接技术的不足。提供一种简单高效可用于辅助激光钎焊形成高强度连接界面的方法。
本发明所提供的方法包括以下步骤：
1)将基底分别在酒精和纯水中超声清洗5min。清洗后干燥。
2)在基底上采用磁控溅射方法交替沉积Ti和Ni的纳米膜。
3)将沉积的TiNi纳米多层膜从基底上剥离。
4)将步骤2)所剥离的多层膜置于两层钎料中间，成为复合中间层。
5)将待焊接的母材进行表面预处理。
6)将步骤4)得到的复合中间层置于待步骤5)得到的母材之间，焊接采用搭接方式，将激光器光斑对焦在多层膜上，打开激光器，激光沿搭接缝隙扫描实施焊接。
所述的纳米多层膜材料可以是Ti和Ni，Ti和Al，或者Ni和Al等。
所述的基底也可以是盐晶体基底，PMMA基底等。
所述的基体尺寸可以按需要选择不同大小和形状。
所述的钎料可以是低熔点Sn基钎料或Al基钎料等。
本发明的原理：纳米多层膜在激光的引燃后会发生自蔓延反应，反应放出大量热量可熔化低熔点钎料，使得焊接过程不仅在搭接接头处形成连接，在整个搭接面都形成连接，增大接头的连接强度，完成材料的连接。
与现有技术相比：
1.本发明可以在整个搭接接头形成连接，增加接头面积，增大连接强度。
2.本发明可以减小钎焊过程对激光热输入的要求，多层膜自蔓延反应可为焊接过程提供部分热源，减小焊接过程的热影响区，避免热输入过大使接头产生较大的变形甚至烧穿现象。
3.与现有研究的搭接接头激光钎焊技术相比，采用纳米多层膜作为辅助热源可改善激光作为局部热源的加热不均匀性，使其形成更均匀的界面反应。
4.钎料受热熔化填充中间层缝隙，可提高接头致密度。
附图说明
图1是TiNi纳米多层膜自蔓延反应辅助激光钎焊主视图。其中，1为激光光源，2为上板母材，3为下板母材，4为钎料，5为TiNi纳米多层膜。
图2是TiNi纳米多层膜自蔓延反应辅助激光钎焊示意图，其中1为激光光源，2为上板母材，3为下板母材，4为钎料，5为TiNi纳米多层膜。箭头所示方向为激光光束扫描运行方向。
具体实施方式
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一、
1)将硅基底分别在酒精和纯水中超声清洗5min。清洗后干燥。
2)在基底上采用磁控溅射沉积Ti和Ni的纳米多层膜。磁控溅射沉积的工艺参数：沉积功率为250W，Ar气流量为40sccm，工作气压为0.5Pa，本底真空度为5*10-4Pa。Ti的沉积时间为60s，Ni的沉积时间为45s。交替沉积400周期。得到的多层膜厚度约为24μm。
3)将沉积的多层膜从硅基底上剥离。
4)将剥离的多层膜放置于两层30μm厚的SnAgCu钎料箔片之间，形成复合中间层。
5)将待焊接的母材进行表面预处理，分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸、#800砂纸和#1000砂纸逐层打磨至母材表面光滑平整，并将打磨后的母材放入无水乙醇中超声清洗5min-10min，取出后晾干。
6)将复合中间层置于下板母材，将上板母材与复合中间层形成搭接模式，将激光器光斑对焦在纳米多层膜上，打开激光器，引燃多层膜，并对母材进行扫描焊接。
7)激光钎焊的工艺参数：激光输出功率1.4kW，扫描速度0.5m/min，扫描宽度2mm。
本实施例的中间层放热来源于Ti和Ni纳米多层膜的反应Ti+Ni→TiNi3，生成单相TiNi3。产生的反应热可降低激光钎焊对所需激光功率的要求。其反应放热可以熔化两侧的低熔点SnAgCu(约200℃)钎料形成液相。熔化的钎料可与两侧的母材形成冶金结合，同时填充TiNi3产物的孔隙，提高接头的致密度，形成高强度的结合界面，强度可达44.5MPa。
本实施方式的优点：1.可以在整个搭接界面形成连接，增大连接强度。2.可以减小钎焊过程对激光能量的要求，多层膜自蔓延反应可为焊接过程提供部分热源，减小焊接过程的热影响区。3.与现有研究的搭接接头焊接技术相比，采用TiNi多层膜作为辅助热源可改善激光作为局部热源的加热不均匀性，使其形成更均匀的界面反应。4.钎料受热熔化填充中间层缝隙，可提高接头致密度。
实施例二、
本实施方式与实施例一不同的是：步骤二中所述的采用磁控溅射沉积Ti和Al的纳米多层膜。磁控溅射沉积的工艺参数：沉积功率为200W，Ti的沉积时间为70s，Al的沉积时间为40s，沉积周期为300周期，得到的多层膜厚度约为20μm。其他与实施例一相同。
实施例三、
本实施方式与实施例一或二不同的是：步骤二中所述的采用磁控溅射沉积Ni和Al的纳米多层膜。磁控溅射沉积的工艺参数：沉积功率为300W，Ni的沉积时间为60s，Al的沉积时间为50s，交替沉积400周期，得到的多层膜厚度约为28μm。其他与实施例一或二相同。
实施例四、
本实施方式与实施例一至三之一不同的是：步骤二中所述的沉积功率为200W，Ti的沉积时间为45s，Ni的沉积时间为45s，交替沉积400周期，得到的多层膜厚度约为20μm。其他与实施例一至三之一相同。
实施例五、
本实施方式与实施例一至四之一不同的是：步骤二中所述的沉积功率为300W，Ti的沉积时间为60s，Al的沉积时间为50s，沉积周期为400周期，得到的多层膜厚度约为30μm。其他与实施例一至四之一相同。
实施例六、
本实施方式与实施例一至五之一不同的是：步骤二中所述的沉积功率为250W，Ni的沉积时间为70s，Al的沉积时间为60s，交替沉积3400周期，得到的多层膜厚度约为25μm。其他与实施例一至五之一相同。
实施例七、
本实施方式与实施例一至六之一不同的是：步骤四中将多层膜置于两层30μm厚的AlZnSr钎料箔片之间，形成复合中间层。步骤七的输出功率为2kW，扫描速度为0.8m/min，扫描宽度为1.5mm。其他与实施例一至六之一相同。
实施例八、
本实施方式与实施例一至七之一不同的是：步骤四中将多层膜置于两层40μm厚的SnAgCu钎料箔片之间，形成复合中间层，步骤七中的输出功率为5kW，扫描速度为2m/min，扫描宽度为1mm。其他与实施例一至七之一相同。
实施例九、
本实施方式与实施例一至八之一不同的是：步骤四中将多层膜置于两层40μm厚的AlZnSr钎料箔片之间，形成复合中间层，步骤七中的输出功率为1kW，扫描速度为0.3m/min，扫描宽度为1mm。其他与实施例一至八之一相同。
采用下述试验验证本发明的效果：
试验一：利用纳米多层膜自蔓延反应辅助激光高温钎焊TC4的方法，具体按以下步骤完成：
1)将硅基底分别在酒精和纯水中超声清洗5min。清洗后干燥。
2)在基底上采用磁控溅射沉积Ti和Ni的纳米多层膜。磁控溅射沉积的工艺参数：沉积功率为250W，Ar气流量为40sccm，工作气压为0.5Pa，本底真空度为5*10-4Pa。Ti的沉积时间为60s，Ni的沉积时间为45s。交替沉积400周期。得到的多层膜厚度约为24μm。
3)将沉积的多层膜从硅基底上剥离。
4)将剥离的多层膜放置于两层30μm厚的SnAgCu钎料箔片之间，形成复合中间层。
5)将待焊接的母材分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸、#800砂纸和#1000砂纸逐层打磨至母材表面光滑平整，并将打磨后的母材放入无水乙醇中超声清洗5min-10min，取出后晾干。
6)将复合中间层置于下板母材，将上板母材与复合层形成搭接模式，将激光器光斑对焦在纳米多层膜上，打开激光器，引燃多层膜，并对母材进行扫描焊接。
7)激光钎焊的工艺参数：输出功率1.4kW，扫描速度0.5m/min，扫描宽度2mm。
本试验中的钎料为Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)，焊接母材为TC4，接头强度为44.5MPa，润湿角为43°。
试验二：利用纳米多层膜自蔓延反应辅助激光高温钎焊TC4的方法，具体按以下步骤完成：
1)将硅基底分别在酒精和纯水中超声清洗5min。清洗后干燥。
2)在基底上采用磁控溅射沉积Ti和Ni的纳米多层膜。磁控溅射沉积的工艺参数：沉积功率为250W，Ar气流量为40sccm，工作气压为0.5Pa，本底真空度为5*10-4Pa。Ti的沉积时间为60s，Ni的沉积时间为45s。交替沉积300周期。得到的多层膜厚度约为18μm。
3)将沉积的多层膜从硅基底上剥离。
4)将剥离的多层膜放置于两层30μm厚的SnAgCu钎料箔片之间，形成复合中间层。
5)将待焊接的母材分别使用#200砂纸、#400砂纸、#600砂纸、#800砂纸和#1000砂纸逐层打磨至母材表面光滑平整，并将打磨后的母材放入无水乙醇中超声清洗5min-10min，取出后晾干。
6)将复合中间层置于下板母材，将上板母材与复合层形成搭接模式，将激光器光斑对焦在纳米多层膜上，打开激光器，引燃多层膜，并对母材进行扫描焊接。
7)焊接的工艺参数：输出功率1.8kW，扫描速度0.8m/min，扫描宽度为2mm。
本试验中的钎料为Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)，焊接母材为TC4，接头强度为40MPa，润湿角为50°。
在本发明实施例应用的接头强度均能达到40MPa以上。

Claims (1)

1.利用纳米多层膜自蔓延反应辅助激光高温钎焊的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底上采用磁控溅射方法交替沉积双金属的纳米膜；
(2)将沉积的双金属纳米多层膜从基底上剥离；
(3)将步骤(2)所剥离的多层膜置于两层钎料中间，成为复合中间层；
(4)将待焊接的母材进行表面预处理；
(5)将步骤(3)得到的复合中间层置于步骤(4)得到的母材之间，焊接采用搭接方式，采用激光对复合中间层进行扫描焊接；
步骤(1)中的双金属纳米多层膜材料是Ti和Ni，Ti和Al，或者Ni和Al；
步骤(1)中的基底是硅基底或盐晶体基底；
步骤(3)中钎料的选择是Sn基钎料或Al基钎料；
激光扫描焊接的工艺参数：激光功率范围为1kW-5kW，焊接速度为0.3m/min-2m/min,扫描宽度为1mm-2mm；
步骤(4)中的表面预处理是指对两块母材的焊接面及其周围区域进行机械打磨和化学清洗。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111674728B (zh) * 2020-05-27 2022-01-18 中国农业科学院农产品加工研究所 一种非水激发的食品自加热装置
CN112207424B (zh) * 2020-09-04 2021-10-01 上海交通大学 一种提高含能材料自蔓延反应速度的装置及方法
CN112410840A (zh) * 2020-09-22 2021-02-26 南昌航空大学 一种快速制备Cu/Ni反应性纳米多层膜的方法
CN112670190A (zh) * 2020-12-24 2021-04-16 湖北工业大学 一种固相键合连接方法
CN113894460B (zh) * 2021-04-19 2023-04-18 江苏博睿光电股份有限公司 自蔓延钎焊薄膜及其制备方法
CN115319259B (zh) * 2022-08-22 2024-06-07 中国航发北京航空材料研究院 用于TiAl合金/钢连接的Ti/Nb+V复合中间层及扩散焊方法
CN116493731B (zh) * 2023-06-29 2023-08-22 麦禹科技(河北)有限公司 一种空腔电子元器件焊接装置及焊接方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL152517A0 (en) * 2000-05-02 2003-05-29 Univ Johns Hopkins Method of making reactive multilayer foil and resulting product
US6736942B2 (en) * 2000-05-02 2004-05-18 Johns Hopkins University Freestanding reactive multilayer foils
CN106238851B (zh) * 2016-08-21 2018-10-09 北京工业大学 一种应用纳米多层膜自蔓延反应连接TiNi SMA与钛或钛合金的方法
CN106271214B (zh) * 2016-09-26 2019-03-05 北京工业大学 一种钎焊不锈钢用Ag-Cu/W纳米多层膜钎料的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cf/Al复合材料与TiAl电子束诱导自蔓延焊接机理及动力学研究;李卓然;《机械制造文摘（焊接分册）》;20130228(第1期);第24-25页 *

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