CN117001093A - 连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，首先将铝合金制件的待焊接面打磨平整，Al‑Si基钎料预制于两个待焊接面之间，铝合金制件的非焊接面均匀涂覆阻焊剂并干燥，然后置于高温真空钎焊炉内；接着，以10℃/min的速率将高温真空钎焊炉加热至预热温度并保温一段时间；再以10℃/min的速率继续加热至连接温度并保温一段时间，保温开始时迅速对铝合金制件施加压力，将多余的液相钎料挤出；最后，保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至一定温度，液相钎料凝固与铝合金制件形成可靠连接，并随炉自然冷却至室温。该方法解决了钎料熔化堵塞微通道和降低微通道散热器腐蚀性能的问题，对待焊接面的表面粗糙度要求较低，无需酸碱清洗。
Description
技术领域
本发明属于铝合金钎焊连接技术领域，特别是涉及一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法。
背景技术
为了使电子封装模块获得更好的散热能力，以满足电路芯片等结构的散热需求，多层微通道散热器凭借高效的散热能力已被广泛应用于军事等诸多领域。由于铝合金成本低、质量轻、耐腐蚀且具有优异的导热性能，近年来众多研究机构提出采用铝合金材料制备多层微通道散热器。铝合金微通道复杂结构要求每条通道与盖板实现致密性连接且变形小，基于多层铝合金微通道复杂结构和铝合金材料的焊接特点，目前常用的焊接方法主要为钎焊与扩散焊。
铝合金或铝基复合材料在扩散焊过程中，连接表面的氧化膜会对界面处原子的扩散造成阻碍，容易使焊接接头强度降低甚至存在未焊合缺陷。采用扩散焊接工艺连接铝合金时，不仅焊前需使用对环境有害的酸碱溶液去除氧化膜，且酸碱洗后在装配过程中铝合金也会新生成氧化铝薄膜。此外，扩散焊连接方法对试样表面粗糙度要求较高，对于多层微通道复杂结构来说，往往需要施加较大的焊接压力使铝合金表面的氧化膜破碎、裸露基体金属并促进界面处孔洞闭合，而过高的焊接压力易导致焊接件变形量过大，致使产品失效报废。
针对连接铝合金多层微通道复杂结构的钎焊连接技术，需要降低真空钎焊工艺温度来防止母材出现过热而引起的熔化腐蚀，与此同时需要采用润湿性、流动性好的Al-Si基钎料来保证接头的可靠连接和强度。然而，真空钎焊存在的关键问题体现在如下三个方面：1)微通道空间较小，钎料极易流入通道内，阻碍工作介质流动，影响散热性能。2)钎料与母材存在较大的成分差异，微通道散热器在长期服役过程中会出现电化学腐蚀，致使接头开裂，缩短微通道散热器的使用寿命。3)微通道散热器使用过程中随着工作介质温度的变化会产生较大内压，因此要求接头具有较高的强度，而钎焊接头易存在未焊合缺陷，力学性能较差，且钎料流动致使钎缝厚度存在差异，导致微流道不同位置的性能不均匀，影响实际应用。
综上，针对铝合金微通道散热器的焊接要求和焊接存在的问题，本申请提出一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法。该方法焊前无需去除铝合金制件表面的氧化膜且对表面粗糙度要求低，在钎焊保温阶段施加压力挤出界面处的多余液相钎料来辅助连接，界面成型良好，可提高接头强度与抗腐蚀性能，实现铝合金微通道复杂结构的精密连接。
本发明解决所述技术问题采用如下的技术方案：
一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
步骤1：将两个铝合金制件的待焊接面打磨平整，Al-Si基钎料预制于两个铝合金制件的待焊接面之间，铝合金制件的非焊接面均匀涂覆阻焊剂并干燥，并将两个铝合金制件作为整体置于高温真空钎焊炉内；
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降至1.5×10-3Pa以下，以10℃/min的速率将高温真空钎焊炉加热至预热温度并保温一段时间；再以10℃/min的速率继续加热至连接温度并保温一段时间，保温开始时通过压头迅速对铝合金制件施加压力，将多余的液相钎料挤出，压头触碰铝合金制件后的下压总位移满足式(1)；
x＝αd1+d2(1)
式中：x为压头触碰铝合金制件后的下压总位移，α为铝合金线膨胀系数，d1为两个铝合金制件沿压力方向的总高度，d2为钎料预制厚度；
步骤3：保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至一定温度，液相的Al-Si基钎料凝固并与两个铝合金制件形成可靠连接，最后随炉自然冷却至室温。
进一步的，步骤1中，钎料预制厚度为20-50μm。
进一步的，步骤2中，在预热温度和连接温度下的保温时间均为5～30min。
进一步的，所述Al-Si基钎料为Al-Si-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg-Cu钎料其中的一种。
进一步的，所述铝合金制件采用6063、6061铝合金其中的一种制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.在钎焊保温阶段对铝合金制件施加压力，挤出界面处多余的液相钎料，界面处仅由填充与表面粗糙度同等尺度微观间隙的Al-Si基钎料及铝合金基体构成，降温凝固后形成可靠冶金连接，该方法可有效解决钎料熔化后堵塞微通道及降低多层铝合金微通道散热器腐蚀性能的问题，大幅度提高接头在室温条件下的连接性能，提高了多层铝合金微通道散热器的使用寿命。压头施加压力过程中的下压位移与铝合金线膨胀系数、两个铝合金制件沿压力方向的总高度以及钎料预制厚度相关，实现了多层铝合金微通道复杂结构的精密连接。
2.相较于铝合金扩散焊接方法，本发明对待焊接面的表面粗糙度要求较低，使用较大目数的砂纸将表面打磨平整即可，无需通过酸碱洗方法去除铝合金表面的氧化膜，焊接工艺更加绿色环保无污染。相较于常规的于铝合金钎焊连接，在钎焊保温阶段对铝合金制件施加压力，挤出多余的液相钎料，界面处仅保留填充与表面粗糙度同等尺度微观间隙的液相，界面处不存在钎缝，仅由铝合金基体组成，接头结合良好，无裂纹、空洞等缺陷，没有脆性金属间化合物生成，接头与母材等强。
3.采用本方法可以在相对较低的温度下实现铝合金之间的可靠连接，压力施加时间短，压力数值较小，接头变形量小、精密度高，且界面处无剩余的Al-Si基钎料，接头抗腐蚀性好。较传统钎焊而言，更适合对多层微通道复杂结构进行连接和大批量生产。
附图说明
图1为本发明的钎焊装配体的结构示意图；
图2为本发明实施例的加热曲线图；
图3(a)、(b)为本发明实施例1的接头界面的扫描电镜图；
图4(a)、(b)为本发明实施例2的接头界面的扫描电镜图；
图5(a)、(b)为本发明实施例3的接头界面的扫描电镜图；
图6为本发明实施例1的接头界面演化机理示意图；
图7为本发明实施例1的接头的抗剪强度随连接温度的变化图；
图8为本发明实施例2的接头的抗剪强度随保温时间的变化图；
图9为本发明实施例4的多微通道制件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出具体实施例。具体实施例仅用于详细介绍本发明的技术方案，并不以此限定本申请的保护范围。
本发明为一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，具体包括下述步骤：
步骤1：将两个铝合金制件的待焊接面打磨平整，将Al-Si基钎料预制于两个铝合金制件的待焊接面之间，两个铝合金制件的非焊接面均匀涂覆阻焊剂并干燥；利用夹具将两个铝合金制件放置在石墨盘上，压头位于铝合金制件的上方，形成钎焊装配体；将钎焊装配体置于高温真空钎焊炉内；
其中，钎料预制厚度为20-50μm；
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降至1.5×10-3Pa以下，以10℃/min的加热速率将高温真空钎焊炉加热至预热温度并保温一段时间(5～30min)；再以10℃/min的加热速率继续加热至连接温度(Al-Si基钎料的熔化温度)，Al-Si基钎料完全熔化并润湿两个铝合金制件的焊接面；在连接温度下保温一段时间(5～30min)，保温开始时通过压头对铝合金制件施加压力，以挤出连接界面处多余的液相的Al-Si基钎料，压头触碰铝合金制件后的下压总位移满足式(1)；在保温过程中铝合金制件与Al-Si基钎料之间的固液界面发生复杂的冶金反应；
x＝αd1+d2 (1)
式中：x为压头触碰铝合金制件后的下压总位移，α为铝合金线膨胀系数，d1为两个铝合金制件沿压力方向的总高度，d2为钎料预制厚度；
步骤3：保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至一定温度，液相的Al-Si基钎料凝固并与两个铝合金制件形成可靠连接，形成接头；最后，随炉自然冷却至室温，防止接头产生较大的残余热应力。
所述铝合金制件采用但不限于6063、6061铝合金制成。
所述Al-Si基钎料包括但不限于Al-Si-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg-Cu钎料，钎料在连接温度下完全熔化，在铝合金表面的润湿性良好。
在焊前的预处理过程中，铝合金制件采用电火花线切割机进行加工，之后放入丙酮中超声清洗10～15min去除油污。
由于钎焊连接过程中要求较好的真空度，高温真空钎焊炉在连接温度下的压力不超过4.5×10-3Pa。
实施例1
本实施例以6063铝合金、Al-Si-Mg-Cu钎料为例，具体包括以下步骤：
步骤1：将6063铝合金用电火花线切割加工成Φ30×40mm两个铝合金制件并在丙酮中超声清洗10min，待焊接面的面积为15×15πmm2；用400目砂纸将两个铝合金制件的待焊接面机械打磨平整，无需额外去除氧化膜；在两个铝合金制件的待焊接面之间预制厚度为50μm的Al-Si-Mg-Cu钎料，在非焊接面涂覆阻焊剂并干燥；在Y2O3粉体中加入无水乙醇溶剂混合均匀得到阻焊剂；用石墨夹具将两个铝合金制件放置在石墨盘上，在铝合金制件上放置石墨压头，得到如图1所示的钎焊装配体，并将钎焊装配体置于高温真空钎焊炉内。
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降低至1.5×10-3Pa以下，启动加热程序，加热曲线如图2所示；以10℃/min的加热速率将高温真空钎焊炉加热到预热温度400℃并保温10min；再以10℃/min的加热速率加热至连接温度550℃并保温10min，保温开始时通过石墨压头对铝合金制件施加压力，根据式(1)计算石墨压头的下压位移为1.08mm，将多余的液相的Al-Si-Mg-Cu钎料挤出；
步骤3：保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至400℃，最后随炉自然冷却至室温。
图3为本实施例的接头界面的扫描电镜图；从图中可以看出，接头结合良好，无裂纹、空洞等缺陷，界面处不存在钎缝，仅由铝合金基体组成，没有脆性金属间化合物生成。图6为接头界面演化机理图，反映了接头没有形成层结构，不存在钎缝。图7是接头在不同连接温度下的拉伸强度测试结果(《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，标准号：GB/T228.1-2010，测试仪器为电子万能试验机，型号：MTS Model E45.106)，采用Al-Si-Mg-Cu钎料钎焊连接6063铝合金，当连接温度为530℃时，接头有最大拉伸强度115MPa，接头断裂位置均为母材，证明各接头均与母材等强。
实施例2
本实施例以6063铝合金、Al-Si-Cu钎料为例，具体包括以下步骤：
步骤1：将6063铝合金用电火花线切割加工成Φ30×40mm两个铝合金制件并在丙酮中超声清洗10min，待焊接面的面积为15×15πmm2；用400目砂纸将两个铝合金制件的待焊接面机械打磨平整，无需额外去除氧化膜；在两个铝合金制件的待焊接面之间预制厚度为50μm的Al-Si-Cu钎料，在非焊接面涂覆阻焊剂并干燥；用石墨夹具将两个铝合金制件放置在石墨盘上，在铝合金制件上放置石墨压头，得到钎焊装配体，并将钎焊装配体置于高温真空钎焊炉内。
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降低至1.5×10-3Pa以下，以10℃/min的加热速率将高温真空钎焊炉加热到预热温度400℃并保温10min；再以10℃/min的加热速率加热至连接温度520℃并保温10min，保温开始时通过石墨压头对铝合金制件施加压力，根据式(1)计算石墨压头的下压位移为1.03mm，将多余的液相的Al-Si-Cu钎料挤出；
步骤3：保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至400℃，最后随炉自然冷却至室温。
图4为本实施例的接头界面的扫描电镜图，可以看出，接头结合良好，无裂纹、空洞等缺陷，界面处不存在钎缝，仅由铝合金基体组成，没有脆性金属间化合物生成。图8是接头在不同钎焊保温时间下的拉伸强度测试结果(《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，标准号：GB/T 228.1-2010，测试仪器为电子万能试验机，型号：MTS Model E45.106)，采用Al-Si-Cu钎料钎焊连接6063铝合金，钎焊保温时间在5-30min之间变化时，接头最大剪切强度在10min时获得，为118MPa，接头断裂位置均为母材，证明各接头均与母材等强。
实施例3
本实施例以6061铝合金、Al-Si-Cu钎料为例，具体包括以下步骤：
步骤1：将6061铝合金用电火花线切割加工成Φ30×40mm两个铝合金制件并在丙酮中超声清洗10min，待焊接面的面积为15×15πmm2；用400目砂纸将两个铝合金制件的待焊接面机械打磨平整，无需额外去除氧化膜；在两个铝合金制件的待焊接面之间预制厚度为50μm的Al-Si-Cu钎料，在非焊接面涂覆阻焊剂并干燥；用石墨夹具将两个铝合金制件放置在石墨盘上，在铝合金制件上放置石墨压头，得到钎焊装配体，并将钎焊装配体置于高温真空钎焊炉内。
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降低至1.5×10-3Pa以下，以10℃/min的加热速率将高温真空钎焊炉加热到预热温度400℃并保温10min；再以10℃/min的加热速率加热至连接温度520℃并保温10min，保温开始时通过石墨压头对铝合金制件施加压力，根据式(1)计算石墨压头的下压位移为1.04mm，将多余的液相的Al-Si-Cu钎料挤出；
步骤3：保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至400℃，最后随炉自然冷却至室温。
图5为本实施例的接头界面的扫描电镜图，可以看出，接头结合良好，无裂纹、空洞等缺陷，界面处不存在钎缝，仅由铝合金基体组成，没有脆性金属间化合物生成。
实施例4
本实施例以6063铝合金、Al-Si-Mg-Cu钎料钎焊多微通道制件为例，具体包括以下步骤：
步骤1：将6063铝合金用电火花线切割加工成200×200×50mm的板件和200×200×10mm的盖板，在板件表面加工多个宽度为2mm的流道，并将板件和盖板在丙酮中超声清洗10min；用400目砂纸将板件和盖板的待焊接面机械打磨平整，并在板件和盖板的待焊接面之间预制厚度为50μm的Al-Si-Mg-Cu钎料，在非连接表面涂覆阻焊剂并干燥；将盖板和板件装配，形成如图9所示的装配体，将装配体置于高温真空钎焊炉内。
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降低至1.5×10-3Pa以下，以10℃/min的加热速率将高温真空钎焊炉加热到预热温度400℃并保温10min；再以10℃/min的加热速率加热至连接温度550℃并保温10min，保温开始时通过石墨压头对盖板施加压力，根据式(1)计算石墨压头的下压位移为0.83mm，将多余的液相的Al-Si-Cu钎料挤出；
步骤3：保温结束后，撤销施加在盖板上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至400℃，最后随炉自然冷却至室温。
实施例1、实施例2与实施例3的对比可知，本发明适用于采用不同Al-Si基钎料连接不同铝合金，普适性强。实施例1与实施例4的对比可知，本发明方式同样适用于大尺寸铝合金微流道换热器冷板的连接，应用性强。
综上，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，根据实际条件通过适当调整钎焊工艺参数等环节获得铝合金的钎焊接头，且接头拉伸强度与母材等强。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
步骤1：将两个铝合金制件的待焊接面打磨平整，Al-Si基钎料预制于两个铝合金制件的待焊接面之间，铝合金制件的非焊接面均匀涂覆阻焊剂并干燥，并将两个铝合金制件作为整体置于高温真空钎焊炉内；
步骤2：待高温真空钎焊炉内的压力降至1.5×10-3Pa以下，以10℃/min的速率将高温真空钎焊炉加热至预热温度并保温一段时间；再以10℃/min的速率继续加热至连接温度并保温一段时间，保温开始时通过压头迅速对铝合金制件施加压力，将多余的液相钎料挤出，压头触碰铝合金制件后的下压总位移满足式(1)；
x＝αd1+d2(1)
式中：x为压头触碰铝合金制件后的下压总位移，α为铝合金线膨胀系数，d1为两个铝合金制件沿压力方向的总高度，d2为钎料预制厚度；
步骤3：保温结束后，撤销施加在铝合金制件上的压力，以5℃/min的速率将高温真空钎焊炉降温至一定温度，液相的Al-Si基钎料凝固并与两个铝合金制件形成可靠连接，最后随炉自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，其特征在于，步骤1中，钎料预制厚度为20-50μm。
3.根据权利要求1所述的连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，其特征在于，步骤2中，在预热温度和连接温度下的保温时间均为5～30min。
4.根据权利要求1～3任一所述的连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，其特征在于，所述Al-Si基钎料为Al-Si-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg-Cu钎料其中的一种。
5.根据权利要求1所述的连接多层铝合金微通道复杂结构的绿色液相辅助钎焊方法，其特征在于，所述铝合金制件采用6063、6061铝合金其中的一种制成。
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