CN112620855A - 钎涂方法及其获得的钎涂后待焊母材 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钎涂方法及其获得的钎涂后待焊母材，钎涂方法包括以下步骤：将钎料放置于钎料池中，对所述钎料池进行加热，以使所述钎料熔化形成液态钎料；将待焊母材置于所述液态钎料中，向钎料池和/或待焊母材施加超声波，施加超声波的同时将待焊母材向钎料池的池壁上施加压力，取出待焊母材，冷却至室温20～25℃，得到钎涂后待焊母材。本发明的钎涂方法是通过施加超声波对待焊母材进行钎涂，可以破除液态金属表面的氧化膜，将难焊材料的焊接问题转化成易焊材料的焊接问题，提高焊接效率。对设备要求不高，成本低，可以在不使用真空环境条件下完成焊接。涂覆完成之后的材料，本身能作为产品。

Description

钎涂方法及其获得的钎涂后待焊母材
技术领域
本发明属于材料焊接与连接技术领域，具体来说涉及一种钎涂方法及其获得的钎涂后待焊母材。
背景技术
随着现代化工业的快速发展，由于具有优良的性能，陶瓷、石墨、不锈钢、TC4合金等材料在工程上得到越来越广泛的应用，就不可避免的需要对这些材料进行焊接。然而由于陶瓷、石墨存在难以加工成形的问题，不锈钢、TC4合金表面存在天然的氧化膜，都阻碍了可靠的焊接接头形成。因此，对需要焊接的材料进行钎涂，将难焊接材料的焊接问题转化为易焊接材料的焊接问题。目前研究所采用的钎涂方法，主要有化学气相沉积(CVD)、电弧离子镀、真空蒸镀、磁控溅射等方法。
化学气相沉积(CVD)主要是通过气体之间发生化学反应，在待涂材料的表面沉积形成涂层，通过这种方法进行钎涂的的涂层优点是：结晶度高、涂层与基体结合较强、附着性好。但由于CVD技术需要在较高的温度下进行，气体成本高、制备的膜层应力大和环境污染等缺陷，严重阻碍了该技术的拓展和应用。(吕延伟.化学气相沉积纯钨材料晶体生长习性及其应用性能研究.稀有材料工程[J].2017.46(9):2500)。
电弧离子镀(Arc Ion Plating,AIP)属于一种PVD(物理气相沉积)技术，是在一定的真空环境下，利用弧光放电的原理，通过在靶材表面形成高能弧斑，并将靶材蒸发、气化，形成的粒子从靶材表面逃脱并扩散至待涂表面，发生吸附、迁移、形核并生长成膜。AIP的主要优点有：(1)靶材金属离化率高，可达到80％～90％；(2)涂层结构紧密；(3)涂层与基体结合较强；(4)沉积速率快。但是，AIP技术也有缺点：制备的涂层表面会产生大颗粒，这是由于电弧能量高、离子束密度较大，使得靶材表面出现金属液滴，当液滴飞溅并附着在待涂材料表面时就形成了大颗粒，使得涂层表面的凹凸不平；另外，可适用靶材种类少，用AIP技术沉积涂层需要靶材具有导电性，这就导致靶材适用性减少。(K.K Sun,V.V Le,P.V Vinh,etal,Effect of cathode arc current and bias voltage on the Mechanicalproperties of CrAlSiN thin films,Surface&Coatings Technology,2008,202(22-23):5400-5404.)
真空蒸镀是一种传统的PVD方法，在真空环境下，将镀膜材料加热使其蒸发并气化，粒子飞至待涂的材料上形成涂层。真空蒸镀技术是使用较早，应用比较广泛的涂层技术，其特点是方法比较简单，涂层纯度和致密性高。缺点是该技术必须在真空环境下才能进行，且不适用于高熔点材料,如钼,钨等材料，因为熔点高,蒸发太慢，所需时间较长。另外真空蒸镀不能控制涂层的厚度，无法适应大规模的生产。(冯世杰，梁伟,薛晋波.AZ91D镁合金表面真空蒸镀锌铝复合涂层的研究[J].稀有金属2010.34(5):678-682)
磁控溅射也属于一种PVD技术，通过引入磁场，在电场和交变磁场的作用下，被加速的氩气和氧气混合气体中的等离子体轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面形成涂层。磁控溅射优点是适宜于熔点较低的材料，涂层的附着性好，适合大面积进行涂层。缺点是需要在真空环境下进行，对设备要求较高，价格昂贵，另外抽真空时间较慢，影响产出的效率。(覃爽，林健，卞亓，马丽娜.玻璃表面功能化纳米改性技术的研究进展[J].材料导报.2008.22(10):9-12)
综上所示，需要找到一种低成本、大气环境中使用且环境友好型、应用广泛、高效和能够大批量生产的钎涂方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钎涂方法。
本发明的另一目的是提供基于上述钎涂方法获得的钎涂后待焊母材。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种钎涂方法，包括以下步骤：
1)准备待焊母材和钎料，去除所述待焊母材和钎料的表面油污和氧化膜；
在上述技术方案中，去除所述待焊母材和钎料的表面油污和氧化膜的方法为：先后依次进行打磨、抛光、清洗和烘干。
在所述步骤1)中，所述待焊母材为陶瓷、石墨、不锈钢、钛合金、镁合金、Al-Si合金、Al-SiC颗粒复合材料、Al-SiC晶须复合材料或Cu基记忆合金。
在所述步骤1)中，所述钎料为Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Ti合金、Ag-Cu合金、Ag-Cu-Ti合金、Sn-Zn合金、Sn-Zn-Al合金、Sn-In合金、Sn-Bi合金、Zn、Zn-Al合金、Zn-Al-Cu合金或Al-Si合金。
在所述步骤1)中，所述打磨依次采用400#、800#、1500#、2000#的SiC水砂纸。
在所述步骤1)中，所述抛光采用1.0μm粒径的金刚石抛光剂，抛光的转速为500～600转/min。
在所述步骤1)中，所述清洗的步骤为：在乙醇中超声10～20min。
2)将步骤1)所述钎料放置于钎料池中，对所述钎料池进行加热，以使所述钎料熔化形成液态钎料；
在所述步骤2)中，所述钎料池为一容器，其材质为TC4、不锈钢或陶瓷。
在所述步骤2)中，所述钎料池的加热温度＝所述钎料的熔点+N，N为0～20℃。
3)将步骤1)中待焊母材置于所述液态钎料中，向钎料池和/或待焊母材施加超声波，施加超声波的同时将待焊母材向钎料池的池壁上施加压力，取出待焊母材，冷却至室温20～25℃，得到钎涂后待焊母材。
在所述步骤3)中，所述压力的压强为0.1～5MPa，优选为0.1～3MPa。
在所述步骤3)中，施加超声波的时间为0.1～10000s，优选为10～30s。
在所述步骤3)中，所述超声波的功率为0～500W，优选为100～300W；所述超声波的频率为20～80kHz，优选为20～60kHz；所述超声波的振幅为1～15μm，优选为6～12μm。
本发明的钎涂方法是通过施加超声波对待焊母材进行钎涂，可以破除液态金属表面的氧化膜，将难焊材料的焊接问题转化成易焊材料的焊接问题，提高焊接效率。对设备要求不高，成本低，可以在不使用真空环境条件下完成焊接。涂覆完成之后的材料，本身能作为产品。
上述钎涂方法获得的钎涂后待焊母材。
上述钎涂后待焊母材的焊接方法，包括：对2个母材采用真空扩散焊或超声辅助钎焊进行焊接，其中，焊接温度为温度T，2个母材焊接时相互挤压，2个母材中至少一个为所述钎涂后待焊母材，每个所述钎涂后待焊母材的钎料与另一个所述母材相接触。
在2个母材中，当任意所述待焊母材和所述钎料能够发生共晶反应时，所述温度T＝N+所述待焊母材和钎料的共晶反应温度。
在2个母材中，当每个所述待焊母材和任意钎料不能够发生共晶反应时，所述温度T＝N+所述钎料的熔点。
在上述技术方案中，当采用真空扩散焊时，所述焊接时2个母材于温度T保温且所述保温位于真空环境。
在上述技术方案中，当采用超声辅助钎焊时，所述焊接时对2个母材施加超声波且于温度T不保温。
本发明的主要特点如下：
上述焊接方法快速破坏钎料与待焊母材接触表面的氧化膜，新鲜金属与钎料接触，产生扩散，加速润湿，能避免软化、氧化、润湿性差、破坏母材、不安全的问题；将难焊材料的焊接问题，转化成易焊材料的焊接问题；用钎涂后待焊母材焊接的焊缝饱满，缺陷少，组织均匀，剪切强度明显提高。
附图说明
图1为钎涂方法的实现方式，其中，1：超声波振头，2：待焊母材，3：外加热源，4：液态钎料，5：钎料池；
图2为实施例7所得钎涂后待焊母材的金相结果；
图3为实施例2所得钎涂后待焊母材的金相结果；
图4为实施例8所得钎涂后待焊母材的金相结果；
图5为实施例1所得钎涂后待焊母材的金相结果；
图6为焊接试样接头强度测试示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例中待焊母材的尺寸为10mm×10mm×5mm。
下述实施例中去除待焊母材和钎料的表面油污和氧化膜的方法为：先后依次进行打磨、抛光、清洗和烘干。打磨依次采用400#、800#、1500#、2000#的SiC水砂纸。抛光采用1.0μm粒径的金刚石抛光剂，抛光的转速为500转/min，抛光至镜面。清洗的步骤为：在乙醇中超声20min。
304不锈钢：成分为C：0.06wt.％，Si：0.80wt.％，Mn：1.80wt.％，P：0.04wt.％，S：0.01wt.％，Ni：10.0wt.％，Cr：19wt.％，余量为Fe。
316不锈钢：成分为C：0.06wt.％，Si：0.80wt.％，Mn：1.80wt.％，P：0.035wt.％，S：0.01wt.％，Ni：11.5wt.％，Cr：16wt.％，Mo:2.0wt.％，余量为Fe。
Ti-6Al-4V(TC4)：成分为Al：6.15wt.％，V：4.00wt.％，余量为Ti。
Al-50Si合金：Si：49wt.％，Fe：0.2wt.％，余量为Al。
AZ31B镁合金：Al：3wt.％，Zn：1wt.％，Mn：0.35wt.％，Si：0.005wt.％，余量为Mg。
Sn3Ag0.5Cu：成分为：Sn：96.50wt.％，Ag：3.00wt.％，Cu：0.50wt.％。
Sn4Al0.7Cu：成分为：Sn：95.30wt.％，Al：4.00wt.％，Cu：0.70wt.％。
Sn9Zn2Al：成分为：Sn：89.00wt.％，Zn：9.00wt.％，Al：2.00wt.％。
Zn5Al3Cu：成分为：Zn：92.00wt.％，Al：5.00wt.％，Cu：3.00wt.％。
Ag-28Cu：成分为：Ag：72wt.％，Cu：28wt.％。
Ag-Cu-Ti：成分为：Ag：70.5wt.％，Cu：26.5wt.％，Ti：3wt.％。
Zn-5Al：成分为：Zn：95wt.％，Al：5wt.％。
Sn-52In：成分为：Sn：48wt.％，In：52wt.％。
Sn-58Bi：成分为：Sn：42wt.％，Bi：58wt.％。
实施例1～16
一种钎涂方法，包括以下步骤：
1)准备待焊母材和钎料，待焊母材和钎料的选取见表1，去除待焊母材和钎料的表面油污和氧化膜。
2)将步骤1)钎料放置于钎料池5中，钎料池为一材质为TC4的容器。对钎料池进行加热，以使钎料熔化形成液态钎料4，钎料池的加热温度＝钎料的熔点+N；
3)如图1所示，将步骤1)中待焊母材置于液态钎料中(液态钎料的高度高于待焊母材的厚度，以使待焊母材完全浸入至液态钎料中)，使超声波振头1向待焊母材2施加超声波，施加超声波的同时超声波振头1将待焊母材压向钎料池的池壁上并施加压力，取出待焊母材(此时钎料涂覆在待焊母材表面)，冷却至室温20～25℃，得到钎涂后待焊母材，其中，钎料的熔点、N、钎料池的加热温度、施加超声波的时间、超声波的功率、超声波的频率、超声波的振幅和压力的压强见表1。
表1
Figure BDA0002227302220000051
Figure BDA0002227302220000061
Figure BDA0002227302220000071
图2为实施例7中所得钎涂后待焊母材的金相结果，涂覆Sn3Ag0.5Cu钎料至316不锈钢表面。由图可知，Sn3Ag0.5Cu钎料成功涂覆于316不锈钢表面，施加超声波能够促进钎料的润湿，且润湿效率高，润湿覆盖率大，钎涂厚度均匀。
图3为实施例2所得钎涂后待焊母材的金相结果，涂覆Sn3Ag0.5Cu钎料至氧化锆陶瓷表面。由图可知，Sn3Ag0.5Cu钎料在超声辅助润湿的条件下，被均匀涂敷在氧化锆陶瓷表面，饱满且润湿钎料厚度大，无气孔产生。
图4为实施例8所得钎涂后待焊母材的金相结果，涂覆Zn-5Al钎料至316不锈钢表面。由图可知，Zn-5Al钎料钎涂后呈银白色，在超声辅助钎涂作用下，润湿性同样优良，钎涂厚度小，未观察到缺陷产生。
图5为实施例1所得钎涂后待焊母材的金相结果，涂覆Zn5-Al钎料至氧化锆陶瓷表面。由图可知，钎涂的Zn-5Al钎料厚度均匀，但钎涂厚度较Sn3Ag0.5Cu薄，表明液态后的Zn-5Al钎料流动性大，粘稠度低。
上述钎涂后待焊母材的焊接方法，包括：将2个母材安装在焊接卡具中，置于真空扩散焊炉中，在真空环境下，采用真空扩散焊进行焊接：使2个母材于温度T保温且同时相互挤压，保温后冷却至室温20～25℃，其中，2个母材中一个为第一母材，另一个为第二母材，第一母材、第二母材、温度T、温度T的保温时间、挤压的压强和真空度见表2，每个钎涂后待焊母材的钎料与另一个母材相接触。
表2
Figure BDA0002227302220000081
Figure BDA0002227302220000091
上述钎涂后待焊母材的焊接方法，包括：将2个母材安装在焊接卡具中，置于高频感应加热炉中，采用超声辅助钎焊进行焊接：使2个母材相互挤压且同时施加超声波，于温度T进行焊接，冷却至室温20～25℃，其中，2个母材中一个为第一母材，另一个为第二母材，第一母材、第二母材、温度T、超声波的时间、挤压的压强、超声波的功率、超声波的频率和超声波的振幅见表3，钎涂后待焊母材的钎料与另一个母材相接触。
表3
Figure BDA0002227302220000092
Figure BDA0002227302220000101
Figure BDA0002227302220000111
如图6所示，将上述表2和表3焊接完成的焊接试样固定在强度测试卡具中，放置于电子式万能试验机工作台上；启动电子式万能试验机，设置1mm/min的加载速度；启动剪切强度测试，直到试样完全断裂，记录剪切强度数据，具体见表4。
表4
Figure BDA0002227302220000112
Figure BDA0002227302220000121
由表4可知，使用真空扩散焊以及超声辅助钎焊的方法，成功实现了所得钎涂后待焊母材的焊接。
如实施例22中为待焊母材为ZrO2陶瓷和316不锈钢的焊接，ZrO2陶瓷不导电，传统弧焊不能实现焊接，需要真空扩散焊或者钎焊实现，然而钎料的氧化仍然是阻碍ZrO2陶瓷焊接的限制因素，经过超声钎涂处理的陶瓷，避免了钎料的氧化问题，且钎料在陶瓷表面的润湿铺展良好，焊接得到的陶瓷接头具有可靠的强度。
如实施例34中为待焊母材为TC4钛合金的焊接，TC4钛合金在高温下自身极易氧化，很难实现焊接，经过制备成钎涂后待焊母材，成功实现焊接，且焊接接头强度高。
再如实施例25中为待焊母材为镁合金的焊接，镁合金不仅高温下软化，氧化剧烈，且易燃，导致传统弧焊容易破坏镁合金基体，经过制备成钎涂后待焊母材，氧化明显减少，且略高于共晶温度点进行焊接，降低了焊接温度，不破坏镁合金基体，防止基体软化，安全焊接，接头强度高。
上述结果表明，本发明钎涂方法所得钎涂后待焊母材，不仅能成功实现难焊材料的焊接，且具有可靠强度，焊接时能够减少待焊母材软化、氧化、润湿性差、破坏待焊母材、产生气孔等缺陷的影响，短时间内实现焊接，将难焊接材料问题转变为易焊接材料问题。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钎涂方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备待焊母材和钎料，去除所述待焊母材和钎料的表面油污和氧化膜；
2)将步骤1)所述钎料放置于钎料池中，对所述钎料池进行加热，以使所述钎料熔化形成液态钎料；
3)将步骤1)中待焊母材置于所述液态钎料中，向钎料池和/或待焊母材施加超声波，施加超声波的同时将待焊母材向钎料池的池壁上施加压力，取出待焊母材，冷却至室温20～25℃，得到钎涂后待焊母材。
2.根据权利要求1所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述待焊母材为陶瓷、石墨、不锈钢、钛合金、镁合金、Al-Si合金、Al-SiC颗粒复合材料、Al-SiC晶须复合材料或Cu基记忆合金；
所述钎料为Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Ti合金、Ag-Cu合金、Ag-Cu-Ti合金、Sn-Zn合金、Sn-Zn-Al合金、Sn-In合金、Sn-Bi合金、Zn、Zn-Al合金、Zn-Al-Cu合金或Al-Si合金。
3.根据权利要求2所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述钎料池的加热温度＝所述钎料的熔点+N，N为0～20℃。
4.根据权利要求3所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述压力的压强为0.1～5MPa，优选为0.1～3MPa。
5.根据权利要求4所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤3)中，施加超声波的时间为0.1～10000s，优选为10～30s。
6.根据权利要求5所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述超声波的功率为0～500W，优选为100～300W；所述超声波的频率为20～80kHz，优选为20～60kHz；所述超声波的振幅为1～15μm，优选为6～12μm。
7.根据权利要求1所述的钎涂方法，其特征在于，去除所述待焊母材和钎料的表面油污和氧化膜的方法为：先后依次进行打磨、抛光、清洗和烘干；在所述步骤1)中，所述打磨依次采用400#、800#、1500#、2000#的SiC水砂纸；在所述步骤1)中，所述抛光采用1.0μm粒径的金刚石抛光剂，抛光的转速为500～600转/min。
8.根据权利要求1所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述清洗的步骤为：在乙醇中超声10～20min。
9.根据权利要求1所述的钎涂方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述钎料池为一容器，其材质为TC4、不锈钢或陶瓷。
10.如权利要求1～9中任意一项所述钎涂方法获得的钎涂后待焊母材。
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