CN112775510A - 铝基金属的接合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝基金属的接合方法，其包括以下步骤：步骤(a)：提供第一铝基母材、第二铝基母材以及铝合金焊料，将该铝合金焊料设置于该第一铝基母材以及该第二铝基母材之间，以形成叠层结构；其中，该铝合金焊料含有铝、硅及添加成份，该添加成份是选自于下列金属所组成的群组中的至少二种：铜、锗、锌、锡以及铼，其中，以整体铝合金焊料的总重量为基准，该添加成份的含量是介于2重量百分比至50重量百分比；以及步骤(b)：于真空中加热使该第一铝基母材和该第二铝基母材进行硬焊接合；其中，该加热温度为480℃至570℃。
Description
技术领域
本发明是关于一种铝基金属的接合方法，尤指一种铝基材料组件的硬焊接合方法。
背景技术
铝以及铝合金(例如编号6061、7075以及2024等铝合金)由于具有密度小、强度高与耐腐蚀等优良的特性，因而广泛应用于汽车、航太以及军事工业等领域。据此，铝以及铝合金结构件之间的接合工艺，一直是受到相当重视的研究课题及重要的关键技术。
一般来说，由铝或铝合金制成的构件之间的接合是选用硬焊接合的方法。硬焊接合泛指一种加热温度须高于450℃的接合技术，在实施时通常需要选用一焊料进行加热，因该焊料的熔点低于欲连接的构件，使该焊料具有足够的流动性，并利用毛细作用充分的填充于欲连接的两构件之间，待其冷却凝固后即完成构件之间的接合，其中，焊料的选择是为该接合工艺的关键因素之一。
用于铝或铝合金制成的母材之间的硬焊接合的商用焊料主要是铝基焊料，其中，铝硅(Al-Si)系列焊料(例如编号4043、4045以及4047等铝硅合金)含有约5％至12％的硅元素，因其具有良好的润湿性、流动性、抗腐蚀性以及可加工性，因而成为最广泛应用的一种铝基焊料。然而，由于Al-Si系列焊料的熔点温度太接近母材的固相线温度时，极容易引起母材晶粒长大、熔融等问题，造成母材性质的改变，进而影响焊接处的力学性能。
发明内容
由于原有商用焊料有技术缺陷，本发明的目的在于提供一熔点较低的铝合金焊料，使铝基材料组件的硬焊接合的工艺能在较低的加热温度下进行。
本发明的另一目的在于提供一种铝基金属的接合方法，经由该接合方法接合的二铝基母材之间的接合处，其介面无孔洞或裂痕，且具有良好的接合品质和结构特性。
为达成前述目的，本发明提供一种铝基金属的接合方法，包括以下步骤：步骤(a)：提供第一铝基母材、第二铝基母材以及铝合金焊料，该第一铝基母材具有第一接合面，该第二铝基母材具有第二接合面，将该铝合金焊料设置于该第一铝基母材以及该第二铝基母材之间，使该铝合金焊料与该第一接合面以及该第二接合面相接触，以形成叠层结构；其中，该铝合金焊料含有铝、硅及添加成份，该添加成份是选自于下列金属所组成的群组中的至少二种：铜(Cu)、锗(Ge)、锌(Zn)、锡(Sn)以及铼(Re)，其中，以整体铝合金焊料的总重量为基准，该添加成份的含量是大于或等于2重量百分比且小于或等于50重量百分比；以及步骤(b)：将该叠层结构置于真空环境中加热，使该第一铝基母材和该第二铝基母材进行硬焊接合；其中，加热温度是480℃至570℃。
通过选用含有特定添加成份及其含量的铝合金作为焊料，可使所述铝合金焊料能在较低的温度下即具有足够的流动性，因此能降低进行硬焊接合所需的加热温度，相较于现有方法不仅可减少能源消耗，同时能降低高温加热对铝基母材的影响，进而使得焊接完成的焊接处介面可具有良好的接合品质和结构特性，而不会产生孔洞或裂痕。
较佳的，该步骤(b)中进行硬焊接合的加热温度是500℃至570℃。
较佳的，以所述铝合金焊料的总重量为基准，硅的含量是大于或等于5重量百分比且小于或等于25重量百分比；铝的含量是大于或等于50重量百分比且小于或等于90重量百分比。
较佳的，所述铝合金焊料含有铝、硅及添加成份，且该添加成份是铜和选自于下列金属所组成的群组中的至少一种：锗、锌、锡以及铼。
较佳的，以所述铝合金焊料的总重量为基准，铜的含量是大于或等于8重量百分比且小于或等于18重量百分比。
依据本发明，所述铝合金焊料的型态没有限制。在一些实施例中，该铝合金焊料为铝合金片；在另一些实施例中，该铝合金焊料为铝合金粉末。
较佳的，当该铝合金焊料为铝合金粉末时，在该步骤(a)的“将该铝合金焊料设置于该第一铝基母材以及该第二铝基母材之间，使该铝合金焊料与该第一接合面以及该第二接合面相接触，以形成该叠层结构”的步骤中更包括：将该铝合金粉末喷涂于该第一接合面上形成一涂层，并使该涂层与该第二接合面相接触，以形成该叠层结构。
所述喷涂是采用热喷涂或冷喷涂(Cold spray)；其中，所述热喷涂可以是电浆熔射(Plasma spray)、电弧熔射(Arch spray)、火焰熔射(Flame spray)或高速火焰熔射(High velocity oxygen fuel spraying,HVOF)，但不限于此。另外，所述冷喷涂是在不大于600℃下以压缩气体作为加速气流带动粉末颗粒碰撞欲涂布的表面，其中，所述压缩气体可为氮气(N2)或氩气(Ar)等，但不限于此。
较佳的，当该铝合金焊料为铝合金粉末时，在该步骤(a)的“将该铝合金焊料设置于该第一铝基母材以及该第二铝基母材之间，使该铝合金焊料与该第一接合面以及该第二接合面相接触，以形成该叠层结构”的步骤中更包括：先将该铝合金粉末与一黏着剂均匀混合以形成一浆料，再将该浆料涂抹于该第一接合面上形成一涂层，并使该涂层与该第二接合面相接触，以形成该叠层结构。
依据本发明，所述铝合金粉末可透过以下方式获得：将铝合金块体置于一真空炉中，以600℃至900℃的加热温度持温2小时至4小时进行熔炼步骤，接着利用氩气以雾气压力为0.5百万帕(MPa)至15.0MPa、该铝合金熔汤流速为每分钟0.5公斤至5.0公斤的条件，喷出该铝合金熔汤以形成铝合金粉末，再通过适当筛孔大小的筛网，以获得可适用于硬焊接合的铝合金粉末。
较佳的，该铝合金粉末的粒径大小是3μm至160μm。更佳的，该铝合金粉末的粒径大小是20μm至60μm。
依据本发明，该铝合金片可透过以下方式获得：将铝合金料块(铝、硅以及添加成份，该添加成份是选自于下列金属所组成的群组中的至少二种：铜、锗、锌、锡以及铼)置入一坩埚中并送入一真空炉中，接着以600℃至900℃的加热温度持温2小时至4小时进行熔炼，完成后浇铸取出，随后以加热温度300℃至600℃持温1小时至4小时进行热均质处理，再透过热滚轧工艺及冷轧工艺，最终得到该铝合金片。
当该铝合金焊料为铝合金片时，较佳的，该铝合金片的厚度是5μm至1000μm。更佳的，该铝合金片的厚度是10μm至300μm。通过控制该铝合金片的厚度于上述的范围中，能提升接合介面的接合强度。
依据本发明，第一和第二铝基母材是由铝金属或铝合金制成。较佳的，铝基母材是包含以铜、镁为主要添加元素的铝合金、以硅镁为主要添加元素的铝合金或以锌为主要添加元素的铝合金。
较佳的，该步骤(b)中进行硬焊接合的时间是10分钟至120分钟。更佳的，该步骤(b)中进行硬焊接合的时间是15分钟至80分钟。在加热至该步骤(b)所述的温度范围后，控制进行硬焊接合的时间于上述范围内，能够增加焊接处介面的气密性以及拉伸强度。
较佳的，该步骤(b)中的真空环境的压力是10-5托耳(torr)至10-2torr。在真空环境下进行硬焊接合，可避免加热升温的过程中发生氧化反应，进一步防止焊接处介面生成裂缝及孔洞。
在本发明的一些实施态样中，该第一铝基母材和该第二铝基母材是以头对头的方式透过铝合金焊料相互接触，形成所述的叠层结构。在本发明的另一实施态样中，该第一铝基母材和该第二铝基母材是以侧对侧的方式透过铝合金焊料相互接触，形成所述的叠层结构。
在说明说书中，由“小数值至大数值”表示的范围，如果没有特别指明，则表示其范围为大于或等于该小数值至小于或等于该大数值。例如：480℃至570℃，即表示其范围为“大于或等于480℃至小于或等于570℃”。
依据本发明，由于铝合金焊料中含有特定元素组成，因此能降低进行硬焊接合所需的加热温度，使得铝基母材不会因为温度过于接近其固、液相线温度而影响铝基母材原有的特性，故而能获得该焊接处介面不会产生孔洞与裂痕且能具有良好的接合品质与结构特性等优点，进而提升本发明的硬焊接合方法应用于产业界的价值。
附图说明
图1A为该第一铝基母材以及该第二铝基母材间可适用的一种接合方式；
图1B为该第一铝基母材以及该第二铝基母材间可适用的另一种接合方式；
图2A为实施例4焊接处介面通过扫描式电子显微镜拍摄的照片；
图2B为实施例4焊接处介面通过扫描式电子显微镜以更高倍率拍摄的照片；
图3A为实施例7焊接处介面通过扫描式电子显微镜拍摄的照片；
图3B为实施例7焊接处介面通过扫描式电子显微镜以更高倍率拍摄的照片。
具体实施方式
以下列举数种具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺者可经由本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且于不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。
本发明提供一种铝基金属的接合方法，其包含步骤(a)：设置第一铝基母材、铝合金焊料以及第二铝基母材形成叠层结构；以及步骤(b)：将该叠层于真空环境中加热，其中，步骤(a)的叠层是有两种接合方式。
如图1A所示，第一种接合方式是将第一铝基母材10与第二铝基母材20以头对头的方式，分别以第一接合面11、第二接合面21与铝合金焊料30的相对的两面相接触，形成的叠层结构。如图1A所示，第一铝基母材10、第二铝基母材20皆为长形薄层，所谓头对头是指铝合金焊料30夹置于第一铝基母材10的短侧及第二铝基母材20的短侧之间。
如图1B所示，第二种接合方式是将第一铝基母材10与第二铝基母材20以侧对侧的方式，分别以第一接合面11、第二接合面21与铝合金焊料30的相对的两面相接触，形成的叠层结构。如图1B所示，第一铝基母材10、第二铝基母材20也是长形薄层，所谓侧对侧是指铝合金焊料30夹置于第一铝基母材10的长侧与第二铝基母材20的长侧之间。
以下所列举的实施例1至7以及比较例1皆以上述第一种接合方式形成叠层。
实施例1
本发明提供一示例性的实施例1，其包含以下步骤：提供一厚度为30μm的铝合金片，所述铝合金片的材质为Al-Si-Cu-Ge-Re，其中，以整体铝合金片的总重量为基准，Si的含量为9.0重量百分比、Cu的含量为18.0重量百分比、Ge的含量为6.0重量百分比、Re的含量为0.2重量百分比，其余为Al。将该铝合金片设置于第一铝基母材以及第二铝基母材之间，其中，所述两个铝基母材为编号6061的铝合金母材(以下简称6061母材)，使该铝合金片相对的两面各自与该二个6061母材相接触，以形成叠层结构；将该叠层结构置于压力为10- 2torr的环境下并加热该叠层结构至温度为530℃，持续15分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
实施例2
本发明提供一示例性的实施例2，其包含以下步骤：提供一厚度为100μm的铝合金片，所述铝合金片的材质为Al-Si-Cu-Zn，其中，以整体铝合金片的总重量为基准，Si的含量为9.0重量百分比、Cu的含量为10.0重量百分比、Zn的含量为8.0重量百分比，其余为Al。将该铝合金片设置于第一铝基母材以及第二铝基母材之间，其中，该两个铝基母材为6061母材，使该铝合金片相对的两面各自与该二个6061母材相接触，以形成叠层结构；将该叠层结构置于压力为10-5torr的环境下并加热该叠层结构至温度为540℃，持续80分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
实施例3
本发明提供一示例性的实施例3，其包含以下步骤：提供一厚度为70μm的铝合金片，所述铝合金片的材质为Al-Si-Cu-Sn，其中，以整体铝合金片的总重量为基准，Si的含量为9.5重量百分比、Cu的含量为8.0重量百分比、Sn的含量为6.0重量百分比，其余为Al。将该铝合金片设置于第一铝基母材以及第二铝基母材之间，其中，该两个铝基母材为6061母材，使该铝合金片相对的两面各自与该二个6061母材相接触，以形成叠层结构；将该叠层结构置于压力为10-5torr的环境下并加热该叠层结构至温度为530℃，持续60分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
实施例4
本发明提供一示例性的实施例4，其包含以下步骤：将一厚度为200μm的铝合金片，所述铝合金片的材质为Al-Si-Cu-Re，其中，以整体铝合金片的总重量为基准，Si的含量为9.6重量百分比、Cu的含量为12.0重量百分比、Re的含量为2.0重量百分比，其余为Al。将该铝合金片设置于第一铝基母材以及第二铝基母材之间，其中，该两个铝基母材为6061母材，使该铝合金片相对的两面各自与该二个6061母材相接触，以形成叠层结构；将该叠层结构置于压力为10-5torr的环境下并加热该叠层结构至温度为500℃，持续15分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
实施例5
本发明提供一示例性的实施例5，其包含以下步骤：将一厚度为300μm的铝合金片，所述铝合金片的材质为Al-Si-Cu-Ge，其中，以整体铝合金片的总重量为基准，Si的含量为9.2重量百分比、Cu的含量为12.0重量百分比、Ge的含量为4.0重量百分比，其余为Al。将该铝合金片设置于第一铝基母材以及第二铝基母材之间，其中，该两个铝基母材为6061母材，使该铝合金片相对的两面各自与该二个6061母材相接触，以形成叠层结构；将该叠层结构置于压力为10-2torr的环境下并加热该叠层结构至温度为530℃，持续30分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
实施例6
本发明提供一示例性的实施例6，包含以下步骤：先提供一组成成份为Al-Si-Cu-Zn的铝合金块体，其中，以整体铝合金的总重量为基准，Si的含量为10.0重量百分比、Cu的含量为9.0重量百分比、Zn的含量为10.0重量百分比，其余为Al，随后将该铝合金块体置入真空炉内，并以加热温度750℃持温2小时进行熔炼步骤，接着利用氩气以雾气压力为1.5MPa、该铝合金熔汤流速为每分钟1.2公斤的条件，喷出该铝合金熔汤以形成铝合金粉末，再将该铝合金粉末通过筛孔大小为100μm的筛网，以获得可适用于喷涂的铝合金粉末。
随后，将1公斤的上述铝合金粉末以送粉量每分钟120克、送粉气体压力为100psi的条件，导入高速火焰熔射枪中，操作高速火焰熔射枪使该铝合金粉末于2500℃以上呈现熔融态或半熔融态后，喷涂于该相距枪口500mm的第一铝基母材的第一接合面上，以形成涂层，再将第二铝基母材的第二接合面与该涂层相接触，以形成叠层结构，其中，该第一、第二铝基母材皆为6061母材；将该叠层结构置于压力为10-2torr的环境下并加热该叠层结构至温度为550℃，持续30分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
实施例7
本发明提供一示例性的实施例7，其获得铝合金粉末的步骤与实施例6相同。随后，将1公斤的前述铝合金粉末以送粉量每分钟40克、送粉气体压力为10MPa、温度为400℃的条件进行冷喷涂，并于相距枪口500mm的第一铝基母材的第一接合面上，以形成涂层，再将第二铝基母材的第二接合面与该涂层相接触，以形成叠层结构，其中，该第一、第二铝基母材皆为6061母材；将该叠层结构置于压力为10-5torr的环境下并加热该叠层结构至温度为530℃，持续60分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
比较例1
本发明提供的参考例1是选用编号为4047的铝基焊料(以下简称4047焊料)进行硬焊接合，其包括以下步骤：将一厚度为100μm的4047焊料设置于第一铝基母材以及第二铝基母材之间，其中，该两个铝基母材为6061母材，使该4047焊料相对的两面各自与该二个6061母材相接触，以形成叠层结构；将该叠层结构置于压力为10-2torr的环境下并加热该叠层结构至温度为590℃，持续15分钟以进行硬焊接合；将温度冷却至室温以完成该二个6061母材之间的接合。
分析1：焊接介面的形貌分析
实施例1至7皆使用型号为Hitachi TM3030的扫描式电子显微镜(ScanningElectron Microscope,SEM)观察焊接处的介面。并可观察到不论是以铝合金片作为焊料的实施例1至5或是以铝合金粉末作为焊料的实施例6以及7，其所得的接合成品的焊接处介面皆不具孔洞以及裂痕。
以观察实施例4的焊接处介面的结果(如图2A)为例进行说明，第一铝基母材10与第二铝基母材20之间接合紧密且接合良好，并无明显观察到任何孔洞以及裂痕；再以更高放大倍率进行观察，如图2B所示，第一铝基母材10与铝合金焊料30间的第一接合面11或第二铝基母材20与铝合金焊料30间的第二接合面21皆相当完整，确实没有任何孔洞或裂痕。
另以观察实施例7的焊接处介面的结果(如图3A)为例进行说明，第一铝基母材10与第二铝基母材20之间接合紧密且接合良好，同样没有观察到孔洞以及裂痕；再以更高放大倍率进行观察，如图3B所示，第一铝基母材10与铝合金焊料30间的第一接合面11或第二铝基母材20与铝合金焊料30间的第二接合面21已经几乎无法观察到明显的界线，显示接合相当良好且同样没有任何孔洞或裂痕。
由上述分析结果此可证实，通过本发明的接合方法完成接合的铝基材料组件，其焊接处介面不具孔洞以及裂痕，因而有良好的接合品质与结构特性。
分析2：硬焊接合强度分析
为进行接合强度的分析，使用型号为Shimadzu AGSX STD的拉力试验机，在室温下以每分钟1毫米的拉伸速率进行测试，量取硬焊接合处所能承受的最大强度，即代表焊接处所能承受的剪切力。
实施例1至7以及比较例1皆以上述方式测试焊接处的剪切力强度，结果列于下表1中。
表1：实施例1至7以及比较例1的焊接处的剪切力强度
由上表1的结果可知，依据本发明的接合方法，实施例1至7以特定元素组成的铝合金焊料进行硬焊接合后，由于所需的加热温度较低而未影响铝基母材的原有特性，其可以承受的剪切力强度同样可达到以商用焊料进行接合的强度(即比较例1)，其中，实施例2至7可承受的剪切力强度更高于比较例1，尤其，实施例2可承受的剪切力强度更达到33百万帕，显示透过本发明的接合方法可具有良好的接合强度。
综上所述，本发明选用包含特定元素组成的铝合金焊料取代商用的铝基焊料进行铝基母材间的硬焊接合，可使整体工艺所需的加热温度降低而不影响铝基母材自身的特性，使得焊接处介面不具有孔洞或裂痕，且有良好的接合品质与结构特性以及保有良好的接合强度；此外，由于进行硬焊接合所需的加热温度降低，不需要使用温度控制极精密的炉体以防止铝基母材受到影响，能进一步降低设备成本，因而能提升本发明的应用范围与价值。
Claims (10)
1.一种铝基金属的接合方法，包括以下步骤：
步骤(a)：提供第一铝基母材、第二铝基母材以及铝合金焊料；所述第一铝基母材具有第一接合面，所述第二铝基母材具有第二接合面，将所述铝合金焊料设置于所述第一铝基母材以及所述第二铝基母材之间，使所述铝合金焊料与所述第一接合面以及所述第二接合面相接触，以形成叠层结构；其中，所述铝合金焊料含有铝、硅及添加成份，所述添加成份是选自于下列金属所组成的群组中的至少二种：铜、锗、锌、锡以及铼，其中，以整体铝合金焊料的总重量为基准，所述添加成份的含量是大于或等于2重量百分比且小于或等于50重量百分比；以及
步骤(b)：将所述叠层结构置于真空环境中加热，使所述第一铝基母材和所述第二铝基母材进行硬焊接合；其中，加热温度是480℃至570℃。
2.如权利要求1所述的铝基金属的接合方法，其中，所述加热温度是500℃至570℃。
3.如权利要求1所述的铝基金属的接合方法，其中，以整体铝合金焊料的总重量为基准，硅的含量是大于或等于5重量百分比且小于或等于25重量百分比；铝的含量是大于或等于50重量百分比且小于或等于90重量百分比。
4.如权利要求1至3中任一项所述的铝基金属的接合方法，其中，所述铝合金焊料为铝合金片或铝合金粉末。
5.如权利要求4所述的铝基金属的接合方法，其中，当所述铝合金焊料为铝合金粉末时，所述步骤(a)的将所述铝合金焊料设置于所述第一铝基母材以及所述第二铝基母材之间，使所述铝合金焊料与所述第一接合面以及所述第二接合面相接触，以形成所述叠层结构的步骤中还包括：将所述铝合金粉末喷涂于所述第一接合面上形成涂层，并使所述涂层与所述第二接合面相接触，以形成所述叠层结构。
6.如权利要求4所述的铝基金属的接合方法，其中，所述铝合金粉末的粒径是3微米至160微米。
7.如权利要求4所述的铝基金属的接合方法，其中，所述铝合金片的厚度是5微米至1000微米。
8.如权利要求7所述的铝基金属的接合方法，其中，所述铝合金片的厚度是10微米至300微米。
9.如权利要求1至3中任一项所述的铝基金属的接合方法，其中，所述步骤(b)中进行硬焊接合的时间是10分钟至120分钟。
10.如权利要求1至3中任一项所述的铝基金属的接合方法，其中，所述步骤(b)中的真空环境的压力是10-5托耳至10-2托耳。
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