CN112338316B - 一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,所述铜母材待焊部位预先化学镀覆一层的镍磷层,该镍磷层不连续,沿长度方向在宽度中心部位设一排均布的分割孔,孔内无镍磷层;工艺参数:钎料为ZnAlIn片,外表层涂覆一层钎剂;加热功率为15‑20kw,焊接时间为10‑15s,钎缝间隙为0.15‑0.2mm;钎焊完成后自然冷却至室温。本发明钎焊工艺一定程度消除大量脆性相的危害作用,又利用了少量脆性相的增强作用,起到弥散增强作用,整体上通过调控接头界面结构,既降低接头脆性,又提高接头强度和韧性。
Description
技术领域
本发明涉及铜铝钎焊技术领域,具体涉及一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺。
背景技术
铜及其合金具有优良的导电、导热、耐腐蚀和良好的加工成形性能,铝及其合金同样具有密度低、比强度高、低温性能好、热导率和电导率高以及加工性能好等优良品质。目前在汽车、制冷、电力、电子、家电等领域,为发挥铜铝各自的性能优势,又能节约铜材、降低重量和成本,以铝代铜取得了可喜的成就,这些成就的取得很大程度依赖于铜铝焊接技术的发展,尤其是铜铝钎焊技术的不断进步。
目前,铜铝钎焊存在接头韧性差、强度低的问题,限制了其应用范围。铜铝之间物理、化学性质差异较大,二者冶金相容性差,钎焊时铜铝原子相互扩散,导致铜侧产生较厚的连续脆性化合物层,造成接头脆性大、韧性差、易在铜母材侧撕裂。另外,若接头中一点脆性相都无,起不到弥散强化作用,反而会削弱接头强度。因此,如何调控接头中脆性相的分布和含量是铜铝钎焊的技术难点之一。
Zn-Al钎料是铜铝钎焊的常用钎料,现有Zn-Al钎料中Al元素含量低,接头强度差。Al元素是Zn-Al钎料中常用强化元素,Al元素含量的提高可以显著提高接头强度。但是,Al元素含量的提高,同时也会导致钎料中脆性相增多,恶化钎料加工性能和接头韧性。因此,Zn-Al钎料成分上如何兼顾接头强度和韧性是铜铝钎焊的另一个技术难点。
公告号为CN1211179C的中国发明专利公开了一种铜、铝、不锈钢复合钎焊的方法,包括如下步骤:在铜与铝之间设置一过渡层,所述过渡层为一不锈钢片,其厚度为0.1-0.5mm;将所需钎焊的铜、铝、不锈钢工件清洗、除油后,在铝件两表面刷涂氟铝酸钾共晶钎剂、洒上铝硅共晶钎料,置于不锈钢工件的被焊表面上;在过渡层不锈钢片的一面涂上氟硼酸钾钎剂、洒上铜磷基钎料,将未涂钎剂、钎料的一面置于附有钎剂钎料的铝件上,再盖上铜片备焊;该发明由于采用了在铜与铝之间设置一不锈钢片作为过渡钎焊层,使铜、铝、不锈钢复合钎焊在工艺上形成了铜-不锈钢、不锈钢-铝、铝-不锈钢三个钎接面,从而克服了铜-铝直接触钎焊带来的钎接面产生铜、铝脆性化合物而导致焊接质量差的弊端、确保了产品的质量。但是,该专利利用铝硅钎料连接铝和不锈钢,利用铜磷钎料连接铜和不锈钢,在高频焊机上钎焊,两种钎料熔化形成接头,铝硅钎料熔点500多度,铜磷钎料熔点900多度,而铝母材的熔点600 度,当铜磷钎料熔化时会导致铝母材烧损。
发明内容
本发明目的是针对现有铜铝接头强度低、韧性差的问题,在研究中发现,接头总是在铜母材与钎料层的接合处断裂,说明铜侧界面是接头最脆弱处,从钎缝组织看,铜侧界面上总是生成连续的金属间化合物层,这些化合物是脆性相,受拉时易断裂,导致接头韧性较差。同时,铜铝钎焊常用的Zn-Al钎料不能同时兼顾强度和韧性,导致接头应用受限。为此,本发明提供了一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,所述铜母材待焊部位预先化学镀覆一层的镍磷层,该镍磷层不连续,沿长度方向在宽度中心部位设一排均布的分割孔,孔内无镍磷层;工艺参数:钎料为ZnAlIn片,外表层涂覆一层钎剂;加热功率为15-20kw,焊接时间为10-15s,钎缝间隙为0.15- 0.2mm;钎焊完成后自然冷却至室温。
优选地,所述的镍磷层厚度为15-20um。
优选地,所述的分割孔为等径圆 或者相同的方形孔。
优选地,所述的分割孔为等径圆 。
优选地,所述的等径圆 的直径为焊缝宽度的1/5-1/10,等径圆 之间间距为其直径的2-3倍。
优选地,所述的ZnAlIn片的化学成分及其重量百分比为:Zn 75-85%,In 0.8-2%,其余为Al。
优选地,所述的钎剂为氟铝酸铯和氟铝酸钾的混合物,二者质量比为1- 3:1。
优选地,所述的氟铝酸铯和氟铝酸钾质量比为2:1。
在钎缝界面结构方面,通过研究发现,铜母材待焊部位预先镀覆一定厚度的镍磷层,镍磷化学镀层制备方便,且镀层致密度高,硬度高,可很好阻隔铜铝原子的相互扩散,可以起到屏障作用,从而杜绝钎缝中铜铝脆性相的产生。但是,一点脆性相也没有,反而会牺牲一部分接头强度,这是因为铜铝脆性相在钎缝中的弥散分别有助于提高接头强度。因此,本发明通过设置间隔等径圆或者相同的方形孔,将镍磷层设置为不连续状,允许少部分铜原子的扩散,一方面打断了母材铜侧脆性相的连续分布,另一方面,使钎缝中保持有少量的弥散分布的脆性相,一定程度消除大量脆性相的危害作用,又利用了少量脆性相的增强作用,起到弥散增强作用,整体上通过调控接头界面结构,既降低接头脆性,又提高接头强度。
钎料成分方面,Zn-Al钎料是铜铝钎焊的常用钎料,但强度低,若提高Al 含量,钎料脆性大、难加工。本发明在Zn-Al钎料基础上,通过提高强化元素 Al含量和加入适量柔性元素In,兼顾了钎料的强度和韧性,进一步兼顾了接头的强度和韧性。
本发明的积极有益效果:
1.本发明通过在铜母材侧设置不连续镍磷层,有效调控了接头中脆性相的分布和含量,使钎缝铜侧脆性相不连续,且弥散分布有适量强化脆性相,获得的接头韧性好、强度高;
2、本发明在常规Zn-Al钎料成分上基础上,通过提高强化元素和添加适量柔性元素In,进一步兼顾了接头的强度和韧性。
附图说明
图1为本发明的铜母材待焊部位镀镍磷层的结构示意图;
图中:1-镀镍磷层,2-等径圆 ;
图2为本发明工艺与现有技术工艺所得钎焊接头弯折形貌结果图;
图3为本发明钎焊接头铜侧组织形貌图;
图4为现有技术钎焊接头铜侧组织形貌图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,参见图1,所述铜母材待焊部位采用化学镀工艺在其表面制备15um厚的镍磷层1,该镍磷层不连续,被焊缝中心的一排等径圆2分割开。
工艺参数:钎料成分为Zn含量75wt%、In含量0.8wt%、Al含量 24.2wt%;钎料表面涂覆一层钎剂;加热功率15kw,加热时间15s,钎缝间隙 0.15mm,钎焊完成后自然冷却即可。
其中,所述镍磷层中等径圆的直径为焊缝宽度的1/5,间距为圆径的2 倍。
其中,所述钎剂为氟铝酸铯与氟铝酸钾的混合物,二者质量比为2:1,采用适量酒精调制成膏状涂覆在钎料表面。
实施例2
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,参见图1,所述铜母材待焊部位采用化学镀工艺在其表面制备15um厚的镍磷层1,该镍磷层不连续,被焊缝中心的一排等径圆2分割开。
工艺参数:钎料成分为Zn含量78wt%、In含量1wt%、Al含量21wt%;钎料表面涂覆一层钎剂;加热功率18kw,加热时间12s,钎缝间隙0.2mm,钎焊完成后自然冷却即可。
其中,所述镍磷层中分割的等径圆直径为焊缝宽度的1/5,间距为圆径的3 倍。
其中,所述钎剂为氟铝酸铯与氟铝酸钾的混合物,二者质量比为1:1,采用适量酒精调制成膏状涂覆在钎料表面。
实施例3
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,参见图1,所述铜母材待焊部位采用化学镀工艺在其表面制备18um厚的镍磷层1,该镍磷层不连续,被焊缝中心的一排等径圆2分割开。
工艺参数:钎料成分为Zn含量80wt%、In含量2wt%、Al含量18wt%;钎料表面涂覆一层钎剂;加热功率20kw,加热时间10s,钎缝间隙0.15mm,钎焊完成后自然冷却即可。
其中,所述镍磷层中分割的等径圆直径为焊缝宽度的1/10,间距为圆径的 2倍。
其中,所述钎剂为氟铝酸铯与氟铝酸钾的混合物,二者质量比为2:1,采用适量酒精调制成膏状涂覆在钎料表面。
实施例4
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,参见图1,所述铜母材待焊部位采用化学镀工艺在其表面制备20um厚的镍磷层1,该镍磷层不连续,被焊缝中心的一排等径圆2分割开。
工艺参数:钎料成分为Zn含量85wt%、In含量1wt%、Al含量14wt%;钎料表面涂覆一层钎剂;加热功率20kw,加热时间10s,钎缝间隙0.15mm,钎焊完成后自然冷却即可。
其中,所述镍磷层中分割的等径圆直径为焊缝宽度的1/10,间距为圆径的 2倍。
其中,所述钎剂为氟铝酸铯与氟铝酸钾的混合物,二者质量比为3:1,采用适量酒精调制成膏状涂覆在钎料表面。
实施例5
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,参见图1,所述铜母材待焊部位采用化学镀工艺在其表面制备15um厚的镍磷层1,该镍磷层不连续,被焊缝中心的一排等径圆2分割开。
工艺参数:钎料成分为Zn含量80wt%、In含量1.5wt%、Al含量 8.5wt%;钎料表面涂覆一层钎剂;加热功率20kw,加热时间10s,钎缝间隙 0.2mm,钎焊完成后自然冷却即可。
其中,所述镍磷层中分割的等径圆直径为焊缝宽度的1/10,间距为圆径的 3倍。
其中,所述钎剂为氟铝酸铯与氟铝酸钾的混合物,二者质量比为2:1,采用适量酒精调制成膏状涂覆在钎料表面。
实施例6
一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,选用高频钎焊,参见图1,所述铜母材待焊部位采用化学镀工艺在其表面制备15um厚的镍磷层1,该镍磷层不连续,被焊缝中心的一排等径圆2分割开。
工艺参数:钎料成分为Zn含量83wt%、In含量2wt%、Al含量15wt%;钎料表面涂覆一层钎剂;加热功率20kw,加热时间10s,钎缝间隙0.2mm,钎焊完成后自然冷却即可。
其中,所述镍磷层中分割的等径圆直径为焊缝宽度的1/5,间距为圆径的2 倍。
其中,所述钎剂为氟铝酸铯与氟铝酸钾的混合物,二者质量比为2:1,采用适量酒精调制成膏状涂覆在钎料表面。
对比实施例1
为考察本所发明实施例6制备铜铝接头与现有钎焊工艺(采用市面上8515 钎料,也即Zn85Al15钎料匹配氟铝酸铯钎剂高频钎焊铜铝接头,加热功率、接头间隙均与实施例6一致)制备铜铝接头的性能区别,将两种接头在万能拉伸试验机上测量拉剪强度,并进行接头的90℃弯折试验,对比接头的强度和弯折断裂情况,见表1和图2,图2左侧为现有工艺制备接头,右侧为本发明实施例6制备接头。
表1钎焊接头性能对比情况
项目 | 接头平均拉剪强度/MPa | 90度弯折试验结果 |
本发明实施例6 | 45.5 | 不断裂 |
现有8515钎料 | 30.3 | 断裂 |
从表1和图2可以看出,本发明实施例6钎料接头的强度较高、韧性较好,进行90度弯折试验时,接头完好不断裂;现有8515钎料钎焊接头强度较低,接头韧性较差,一弯折就撕裂。
针对本发明实施例6中铜铝接头和现有钎焊工艺制备铜铝接头进行取样,制备金相,观察铜侧组织,现有钎焊工艺和本发明实施例6检测结果分别如图 3和图4所示。
从图3和图4可以看出,本发明实施例6铜铝钎焊接头中铜侧有镍磷层阻挡,没有脆性相,而现有工艺制备铜铝接头的铜侧有大量笋状脆性相向钎缝生长,该铜侧脆性相较厚,导致接头较脆。
对比实施例2
为考察本发明实施例6中钎料与现有8515钎料的韧性和强度,分别用该两种钎料进行拉伸试验,测量其拉伸强度和延伸率。试验方法参照GB/T 228.1- 2010,试验后对比钎料的拉伸强度和90度弯折次数,钎料的性能检测结果见表2。
表2两种钎料力学性能对比情况
项目 | 平均拉伸强度/MPa | 弯折次数/次 |
本发明实施例6 | 350 | 15 |
现有8515钎料 | 344 | 7 |
从表2可以看出,与现有8515钎料对比,本发明实施例6中钎料的拉伸强度好、弯折次数较多好、韧性较好。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,但本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,其特征在于,选用高频钎焊,铜母材待焊部位预先化学镀覆一层的镍磷层,该镍磷层不连续,沿长度方向在宽度中心部位设一排均布的分割孔,孔内无镍磷层;工艺参数:钎料为ZnAlIn片,外表层涂覆一层钎剂;加热功率为15-20kw,焊接时间为10-15s,钎缝间隙为0.15-0.2mm;钎焊完成后自然冷却至室温;
所述的镍磷层厚度为15-20um;
所述的分割孔为等径圆 或者相同的方形孔。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,其特征在于,所述的分割孔为等径圆 。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,其特征在于,所述的等径圆的直径为焊缝宽度的1/5-1/10,等径圆 之间间距为其直径的2-3倍。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,其特征在于,所述的ZnAlIn片的化学成分及其重量百分比为:Zn 75-85%,In 0.8-2%,其余为Al。
5.根据权利要求1所述的一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,其特征在于,所述的钎剂为氟铝酸铯和氟铝酸钾的混合物,二者质量比为1-3:1。
6.根据权利要求5所述的一种高强韧铜铝接头的钎焊工艺,其特征在于,所述的氟铝酸铯和氟铝酸钾质量比为2:1。
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