CN112453753A - 一种柔性变形钎料及其自动化制备装置和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性变形钎料及其制备装置和制备方法，其成分包含Bi、In、Ag和Sn；制备装置包括中频炉、盖体、真空调节系统和控制系统；中频炉的底端设有流嘴，流嘴上设有与控制系统相连接的电磁阀，炉壁底部设有细管；所述盖体上分别设置有定压阀、双轴机械搅拌装置和热电偶，双轴机械搅拌装置包括电动机、减速器和两个搅拌棒，电动机和热电偶均与控制系统相连接，所述真空调节系统包括高压气体装置、压力传感器和真空泵。本发明的柔性变形钎料熔化温度低、润湿性好、塑性强，延伸性好，可加工性强。本发明装置可实现柔性变形钎料的高度自动化生产。本发明的制备方法简单，易操作，且生产效率高，产品质量可靠。

Description

一种柔性变形钎料及其自动化制备装置和制备方法
技术领域
本发明涉及钎料及其制备方法技术领域，具体涉及一种柔性变形钎料及其自动化制备装置和制备方法。
背景技术
钎焊已经广泛应用于两种材料的连接，随着科技的发展越来越多行业向着自动化方向发展，现如今已经有许多自动化加工装置，也有许多半自动化或者全自动化的钎焊机器人，钎料自身的塑性差，可加工性差，增加自动化钎焊和高效钎焊的难度。
为解决钎料自身塑性差，可加工性能差也提出了许多方案，如粉状、浆状和膏状钎料，但使用起来遇到很多问题，如焊后粉状、浆状和膏状钎料容易堵塞零件的孔结构，钎焊时钎料用量不易控制等；也有提出粘带钎料，但是粘带中合金粉末分布不均匀，导致接头力学性能达不到预期标准，合金粉末也容易混入杂质等问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现存的钎料塑性差、可加工性差的问题，提供一种柔性变形钎料及其自动化制备装置和制备方法。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种柔性变形钎料，其成分含量为：Bi的含量为39～45wt％，In的含量为2～4wt％，Ag的含量为0.1～0.3wt％，Sn为余量；所述的Bi的纯度≥99.9％，In的纯度≥99.99％，Ag的纯度≥99.99％，Sn的纯度≥99.999％。
一种柔性变形钎料的自动化制备装置，包括中频炉、盖体、真空调节系统和控制系统；所述中频炉底部具有锥度，中频炉的底端设有流嘴，流嘴上设有与控制系统相连接的电磁阀，中频炉的炉壁顶部设有进气管和排气管，炉壁底部设有细管；所述盖体设置在中频炉顶端，盖体上分别设置有定压阀、双轴机械搅拌装置和热电偶，双轴机械搅拌装置包括电动机、减速器和两个搅拌棒，电动机和热电偶均与控制系统相连接，且热电偶与中频炉的中频线圈相连以监控中频炉内温度；所述真空调节系统包括高压气体装置、压力传感器和真空泵，高压气体装置通过进气管与中频炉相连通，真空泵通过排气管与中频炉相连通，压力传感器设置在中频炉内侧，真空泵将中频炉抽真空后压力传感器反馈至控制系统，控制系统控制高压气体装置通入高压气体至指定压力，压力传感器再次反馈至控制系统使高压气体装置停止通入高压气体；所述控制系统还可以控制定压阀释放多余的压力。
作为本发明一种柔性变形钎料的自动化制备装置的进一步优化，所述的中频炉尾部锥度为5：1～10：1。
作为本发明一种柔性变形钎料的自动化制备装置的进一步优化，所述的搅拌棒的搅拌叶片线速度不超过2m/s，且两个搅拌棒的搅拌叶片旋转方向相反。
作为本发明一种柔性变形钎料的自动化制备装置的进一步优化，所述的搅拌叶片为石英叶片。
作为本发明一种柔性变形钎料的自动化制备装置的进一步优化，所述的高压气体为保护气体或还原性气体，保护气体为氮气、氩气或氦气其中的一种，还原性气体为氢气或一氧化碳其中的一种。
作为本发明一种柔性变形钎料的自动化制备装置的进一步优化，所述高压气体为氮气。
作为本发明一种柔性变形钎料的自动化制备装置的进一步优化，所述的控制系统为计算机或工控机。
一种柔性变形钎料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按照Bi的含量为39～45wt％，In的含量为2～4wt％，Ag的含量为0.1～0.3wt％，Sn为余量，称量原料，并先将混合均匀的Bi颗粒和Sn颗粒放入中频炉；
步骤二、先用真空泵将中频炉抽真空，压力传感器反馈至控制系统，控制系统打开高压气体装置通入高压气体使炉内气压大于0.1MPa，压力传感器再次反馈控制系统，控制系统关闭高压气体装置；
步骤三、将中频炉温度设置为350-400℃，保温5min，得到SnBi熔体A，随着温度升高，中频炉内压力增大，控制系统控制打开定压阀进行排压至预定压力；
步骤四、将原料In和Ag混合，得到混合粉，用氮气将混合粉通过中频炉底部的细管吹入SnBi熔体A中，同时开启双轴机械搅拌装置匀速搅拌，且混合粉吹入完成后的30min内始终开启双轴机械搅拌装置，吹入过程和搅拌过程由控制系统控制；
步骤五、制作完成后，待炉内温度下降至250℃，由控制系统打开电磁阀，将炉内液态钎料由流嘴浇注到模具中，得到柔性变形钎料。
作为本发明一种柔性变形钎料的制备方法的进一步优化，步骤四所述氮气的气体压力为0.2～0.4MPa，In粉和Ag粉的混合粉吹入速度为2～3g/s。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明的柔性变形钎料熔化温度低、润湿性好、塑性强，延伸性好，可加工性强，解决了传统钎料自身脆性大，不利于加工成为各种所需形状的难题，为今后自动化钎焊或者特殊情况下钎焊提供一种新的解决思路。本发明Sn-Bi钎料具有较好的润湿性和抗拉强度，其中Sn-42Bi合金的延展性最佳，Sn-Bi合金中加入少量Ag形成细小的ε-Ag3Sn组织，有效提高了合金的延展性，显著改善了Sn-Bi钎料的塑性。Sn-Bi-In合金基体中固溶的In原子降低了Sn基体内Bi原子含量，有效改善Sn基体的塑性。
二、本发明装置可自动调节熔炼温度、炉内气压、填料、出料和搅拌工序，热电偶和压力传感器实时为计算机反馈，实现更加精准的控制，可实现柔性变形钎料的高度自动化生产。
三、本发明的制备方法简单，易操作，且生产效率高，产品质量可靠。
附图说明
图1为本发明自动化制备装置的结构示意图的剖视图；
图2为本发明自动化制备装置的结构示意图的主视图；
图3为本发明自动化制备装置的控制模式示意图。
附图标记：1、电动机，2、减速器，3、压力传感器，4、进气管，5、热电偶，6、细管，7、定压阀，8、中频炉，9、中频线圈，10、搅拌棒，11、流嘴，12、电磁阀，13、真空泵，14、排气管，15、高压气体装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种柔性变形钎料，其成分含量为：Bi的含量为42wt％，In的含量为2.5wt％，Ag的含量为0.2wt％，Sn的含量为55.3wt％；所述的Bi的纯度≥99.9％，In的纯度≥99.99％，Ag的纯度≥99.99％，Sn的纯度≥99.999％。
一种柔性变形钎料的自动化制备装置，包括中频炉8、盖体、真空调节系统和控制系统；所述中频炉8底部具有锥度，中频炉8尾部锥度为8：1，中频炉8的底端设有流嘴11，流嘴11上设有与控制系统相连接的电磁阀12，中频炉8的炉壁顶部设有进气管4和排气管14，炉壁底部设有细管6；所述盖体设置在中频炉8顶端，盖体上分别设置有定压阀7、双轴机械搅拌装置和热电偶5，双轴机械搅拌装置包括电动机1、减速器2和两个搅拌棒10，搅拌棒10的搅拌叶片线速度不超过2m/s，且两个搅拌棒10的搅拌叶片旋转方向相反，所述的搅拌叶片为石英叶片；电动机1和热电偶5均与控制系统相连接，且热电偶5与中频炉8的中频线圈9相连以监控中频炉内温度；所述真空调节系统包括高压气体装置15、压力传感器3和真空泵13，高压气体装置15通过进气管4与中频炉8相连通，真空泵13通过排气管14与中频炉8相连通，压力传感器3设置在中频炉8内侧，真空泵13将中频炉8抽真空后压力传感器3反馈至控制系统，所述的控制系统为计算机，控制系统控制高压气体装置15通入高压气体至指定压力，压力传感器3再次反馈至控制系统使高压气体装置15停止通入高压气体；所述控制系统还可以控制定压阀7释放多余的压力。
为了使本发明具有更好的实施效果，所述的高压气体为保护气体或还原性气体，保护气体为氮气、氩气或氦气其中的一种，还原性气体为氢气或一氧化碳其中的一种。最优的，所述高压气体为氮气。
一种柔性变形钎料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按照Bi的含量为42wt％，In的含量为2.5wt％，Ag的含量为0.2wt％，Sn的含量为55.3wt％，称量原料，并先将混合均匀的Bi颗粒和Sn颗粒放入中频炉；
步骤二、先用真空泵将中频炉抽真空，压力传感器反馈至控制系统，控制系统打开高压气体装置通入高压气体氮气使炉内气压大于0.1MPa，压力传感器再次反馈控制系统，控制系统关闭高压气体装置；
步骤三、将中频炉温度设置为350℃，保温5min，得到SnBi熔体A，随着温度升高，中频炉内压力增大，控制系统控制打开定压阀进行排压至预定压力；
步骤四、将原料In和Ag混合，得到混合粉，用氮气将混合粉通过中频炉底部的细管吹入SnBi熔体A中，同时开启双轴机械搅拌装置匀速搅拌，其中氮气的气体压力为0.2MPa，In粉和Ag粉的混合粉吹入速度为2g/s，混合粉吹入完成后的30min内始终开启双轴机械搅拌装置，吹入过程和搅拌过程由控制系统控制；
步骤五、制作完成后，待炉内温度下降至250℃，由控制系统打开电磁阀，将炉内液态钎料由流嘴浇注到模具中，得到柔性变形钎料。
实施例2
一种柔性变形钎料，其成分含量为：Bi的含量为39wt％，In的含量为4wt％，Ag的含量为0.1wt％，Sn的含量为56.9wt％，余量为不可避免的杂质因素；所述的Bi的纯度≥99.9％，In的纯度≥99.99％，Ag的纯度≥99.99％，Sn的纯度≥99.999％。
一种柔性变形钎料的自动化制备装置，包括中频炉8、盖体、真空调节系统和控制系统；所述中频炉8底部具有锥度，中频炉8尾部锥度为5：1，中频炉8的底端设有流嘴11，流嘴11上设有与控制系统相连接的电磁阀12，中频炉8的炉壁顶部设有进气管4和排气管14，炉壁底部设有细管6；所述盖体设置在中频炉8顶端，盖体上分别设置有定压阀7、双轴机械搅拌装置和热电偶5，双轴机械搅拌装置包括电动机1、减速器2和两个搅拌棒10，搅拌棒10的搅拌叶片线速度不超过2m/s，且两个搅拌棒10的搅拌叶片旋转方向相反，所述的搅拌叶片为石英叶片；电动机1和热电偶5均与控制系统相连接，且热电偶5与中频炉8的中频线圈9相连以监控中频炉内温度；所述真空调节系统包括高压气体装置15、压力传感器3和真空泵13，高压气体装置15通过进气管4与中频炉8相连通，真空泵13通过排气管14与中频炉8相连通，压力传感器3设置在中频炉8内侧，真空泵13将中频炉8抽真空后压力传感器3反馈至控制系统，所述的控制系统为计算机，控制系统控制高压气体装置15通入高压气体至指定压力，压力传感器3再次反馈至控制系统使高压气体装置15停止通入高压气体；所述控制系统还可以控制定压阀7释放多余的压力。
一种柔性变形钎料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按照Bi的含量为39wt％，In的含量为4wt％，Ag的含量为0.1wt％，Sn的含量为56.9wt％，称量原料，并先将混合均匀的Bi颗粒和Sn颗粒放入中频炉；
步骤二、先用真空泵将中频炉抽真空，压力传感器反馈至控制系统，控制系统打开高压气体装置通入高压气体氮气使炉内气压大于0.1MPa，压力传感器再次反馈控制系统，控制系统关闭高压气体装置；
步骤三、将中频炉温度设置为375℃，保温5min，得到SnBi熔体A，随着温度升高，中频炉内压力增大，控制系统控制打开定压阀进行排压至预定压力；
步骤四、将原料In和Ag混合，得到混合粉，用氮气将混合粉通过中频炉底部的细管吹入SnBi熔体A中，同时开启双轴机械搅拌装置匀速搅拌，其中氮气的气体压力为0.3MPa，In粉和Ag粉的混合粉吹入速度为2.5g/s，混合粉吹入完成后的30min内始终开启双轴机械搅拌装置，吹入过程和搅拌过程由控制系统控制；
步骤五、制作完成后，待炉内温度下降至250℃，由控制系统打开电磁阀，将炉内液态钎料由流嘴浇注到模具中，得到柔性变形钎料。
实施例3
一种柔性变形钎料，其成分含量为：Bi的含量为45wt％，In的含量为3wt％，Ag的含量为0.3wt％，Sn的含量为51.7wt％；所述的Bi的纯度≥99.9％，In的纯度≥99.99％，Ag的纯度≥99.99％，Sn的纯度≥99.999％。
一种柔性变形钎料的自动化制备装置，包括中频炉8、盖体、真空调节系统和控制系统；所述中频炉8底部具有锥度，中频炉8尾部锥度为10：1，中频炉8的底端设有流嘴11，流嘴11上设有与控制系统相连接的电磁阀12，中频炉8的炉壁顶部设有进气管4和排气管14，炉壁底部设有细管6；所述盖体设置在中频炉8顶端，盖体上分别设置有定压阀7、双轴机械搅拌装置和热电偶5，双轴机械搅拌装置包括电动机1、减速器2和两个搅拌棒10，搅拌棒10的搅拌叶片线速度不超过2m/s，且两个搅拌棒10的搅拌叶片旋转方向相反，所述的搅拌叶片为石英叶片；电动机1和热电偶5均与控制系统相连接，且热电偶5与中频炉8的中频线圈9相连以监控中频炉内温度；所述真空调节系统包括高压气体装置15、压力传感器3和真空泵13，高压气体装置15通过进气管4与中频炉8相连通，真空泵13通过排气管14与中频炉8相连通，压力传感器3设置在中频炉8内侧，真空泵13将中频炉8抽真空后压力传感器3反馈至控制系统，所述的控制系统为计算机，控制系统控制高压气体装置15通入高压气体至指定压力，压力传感器3再次反馈至控制系统使高压气体装置15停止通入高压气体；所述控制系统还可以控制定压阀7释放多余的压力。
一种柔性变形钎料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按照Bi的含量为42wt％，In的含量为2.5wt％，Ag的含量为0.2wt％，Sn的含量为55.2wt％，称量原料，并先将混合均匀的Bi颗粒和Sn颗粒放入中频炉；
步骤二、先用真空泵将中频炉抽真空，压力传感器反馈至控制系统，控制系统打开高压气体装置通入高压气体氮气使炉内气压大于0.1MPa，压力传感器再次反馈控制系统，控制系统关闭高压气体装置；
步骤三、将中频炉温度设置为400℃，保温5min，得到SnBi熔体A，随着温度升高，中频炉内压力增大，控制系统控制打开定压阀进行排压至预定压力；
步骤四、将原料In和Ag混合，得到混合粉，用氮气将混合粉通过中频炉底部的细管吹入SnBi熔体A中，同时开启双轴机械搅拌装置匀速搅拌，其中氮气的气体压力为0.4MPa，In粉和Ag粉的混合粉吹入速度为3g/s，混合粉吹入完成后的30min内始终开启双轴机械搅拌装置，吹入过程和搅拌过程由控制系统控制；
步骤五、制作完成后，待炉内温度下降至250℃，由控制系统打开电磁阀，将炉内液态钎料由流嘴浇注到模具中，得到柔性变形钎料。
性能测试
对实施例1-3得到的柔性变形钎料合金进行性能测试，分别得到其熔点、铺展率和延展率如下表所示：
Figure BDA0002777558690000071
Figure BDA0002777558690000081
由上表可知，本发明制备的柔性变形钎料熔化温度低、塑性强，延伸性好，可加工性强，解决了传统钎料自身脆性大，不利于加工成为各种所需形状的难题，为今后自动化钎焊或者特殊情况下钎焊提供一种新的解决思路。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种柔性变形钎料，其特征在于：其成分含量为：Bi的含量为39～45wt％，In的含量为2～4wt％，Ag的含量为0.1～0.3wt％，Sn为余量；所述的Bi的纯度≥99.9％，In的纯度≥99.99％，Ag的纯度≥99.99％，Sn的纯度≥99.999％。
2.一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：包括中频炉(8)、盖体、真空调节系统和控制系统；所述中频炉(8)底部具有锥度，中频炉(8)的底端设有流嘴(11)，流嘴(11)上设有与控制系统相连接的电磁阀(12)，中频炉(8)的炉壁顶部设有进气管(4)和排气管(14)，炉壁底部设有细管(6)；所述盖体设置在中频炉(8)顶端，盖体上分别设置有定压阀(7)、双轴机械搅拌装置和热电偶(5)，双轴机械搅拌装置包括电动机(1)、减速器(2)和两个搅拌棒(10)，电动机(1)和热电偶(5)均与控制系统相连接，且热电偶(5)与中频炉(8)的中频线圈(9)相连以监控中频炉内温度；所述真空调节系统包括高压气体装置(15)、压力传感器(3)和真空泵(13)，高压气体装置(15)通过进气管(4)与中频炉(8)相连通，真空泵(13)通过排气管(14)与中频炉(8)相连通，压力传感器(3)设置在中频炉(8)内侧，真空泵(13)将中频炉(8)抽真空后压力传感器(3)反馈至控制系统，控制系统控制高压气体装置(15)通入高压气体至指定压力，压力传感器(3)再次反馈至控制系统使高压气体装置(15)停止通入高压气体；所述控制系统还可以控制定压阀(7)释放多余的压力。
3.如权利要求2所述的一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：所述的中频炉(8)尾部锥度为5：1～10：1。
4.如权利要求2所述的一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：所述的搅拌棒(10)的搅拌叶片线速度不超过2m/s，且两个搅拌棒(10)的搅拌叶片旋转方向相反。
5.如权利要求4所述的一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：所述的搅拌叶片为石英叶片。
6.如权利要求2所述的一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：所述的高压气体为保护气体或还原性气体，保护气体为氮气、氩气或氦气其中的一种，还原性气体为氢气或一氧化碳其中的一种。
7.如权利要求6所述的一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：所述高压气体为氮气。
8.如权利要求2所述的一种柔性变形钎料的自动化制备装置，其特征在于：所述的控制系统为计算机或工控机。
9.一种柔性变形钎料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、按照Bi的含量为39～45wt％，In的含量为2～4wt％，Ag的含量为0.1～0.3wt％，Sn为余量，称量原料，并先将混合均匀的Bi颗粒和Sn颗粒放入中频炉；
步骤二、先用真空泵将中频炉抽真空，压力传感器反馈至控制系统，控制系统打开高压气体装置通入高压气体使炉内气压大于0.1MPa，压力传感器再次反馈控制系统，控制系统关闭高压气体装置；
步骤三、将中频炉温度设置为350-400℃，保温5min，得到SnBi熔体A，随着温度升高，中频炉内压力增大，控制系统控制打开定压阀进行排压至预定压力；
步骤四、将原料In和Ag混合，得到混合粉，用氮气将混合粉通过中频炉底部的细管吹入SnBi熔体A中，同时开启双轴机械搅拌装置匀速搅拌，且混合粉吹入完成后的30min内始终开启双轴机械搅拌装置，吹入过程和搅拌过程由控制系统控制；
步骤五、制作完成后，待炉内温度下降至250℃，由控制系统打开电磁阀，将炉内液态钎料由流嘴浇注到模具中，得到柔性变形钎料。
10.如权利要求9所述的一种柔性变形钎料的制备方法，其特征在于：步骤四所述氮气的气体压力为0.2～0.4MPa，In粉和Ag粉的混合粉吹入速度为2～3g/s。
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