TW201338903A - 鋁件焊貼銅皮的方法 - Google Patents

Abstract

一種「鋁件焊貼銅皮的方法」,是將鋁件經過前處理後、以預先製作的鋅銅夾皮貼附其上，以鋅銅夾皮的鋅基合金做為□焊料，其後在惰性氣氛爐中加熱，將夾皮□焊于鋁件上。

Description

「鋁件焊貼銅皮的方法」

鋁、銅、釺焊

鋁件與銅件進行焊接在工藝上已有相當的方展，包括冷壓焊、摩擦焊、爆炸焊、熱壓焊、磁脉衝焊、鋁銅熔化焊、釺焊，其中以釺焊工蓋較簡單、成本最低。但要將鋁件與銅件進行釺焊，一直遭遇焊劑難以搭配的問題。銅需要腐蝕性的焊劑、而鋁因為抗腐蝕性弱而無法面對腐蝕性的焊劑；鋁需要含氟且中性的焊劑，這又會妨礙銅表面的可釺焊性質(氟化銅幾乎無法溶解在任何焊劑中)。另外，由于鋁合銅的氧化還原電位相差甚遠(1.644v),如果使用現今技術所用含鹵素的焊劑，將會明顯的加速電位腐蝕，焊接成品使用壽命差。

針對以上問題，解決之構想在於：設計一種讓鋁不需要面對含鹵焊劑的焊料及釺焊方式。

本發明依據前述構想，進行以下的設計：

1.　若鋁表面無嚴重氧化膜，鋅跟鋁互融性極高，鋁材可熱浸鍍鋅，而且任何比例的鋅鋁合金都有相當的機械强度，故鋅可作為鋁的釺焊材料。

2.　可利用習見的鋁件化學鍍鎳工藝之前段鋅置換工序，先將鋁件表面的氧化膜去除，并在鋁件表面先置換一層鋅薄層，如此可加強鋅作為鋁的釺焊材料的濕潤性，而不需依賴傳統焊劑。

3.　利用鋅-鋁合金之共析成份，當鋁含量為5%時，其熔點為382℃,於共析成份有最佳之流動性，比純鋅(熔點419.58℃)更適合作為釺焊料,Zn-Al二元合金相圖如圖一所示；調製合金之充分必要條件為：合金熔液起始固化之溫度(固化溫度)與合金起始融化之溫度(液化溫度)溫差低於20℃(如圖二所示),亦即「接近共析共晶型態之鋅鋁合金」；同時在接近共晶共析的基礎下，可添加其他元素，以調整合金的性質，例如：添加銅元素來增加機械強度、添加鎳或鎵以增加耐蝕性。

4.　同一溫度下，液態鋅-鋁合金在銅表面的鋪展能力是鋁表面的十分之一(如圖三所示),若用液態鋅-鋁合金同時釺焊銅及鋁表面，其結果是鋁被液態鋅-鋁合金侵蝕、而對銅的釺焊尚未達理想程度；故，可先將銅表面用足够的時間釺焊一層鋅-鋁合金，再以此層鋅-鋁合金作為焊料與鋁表面焊合。

5.　以銅箔作為以上與鋁件釺焊的材料，之後可以此銅箔作為介面，再以習見的釺焊方式(焊接溫度必須低于382℃),與其他銅件、鍍鎳件焊合。

6.　以熱浸鍍鋅的方式將銅箔經由滾筒之引導、浸入熱融之鋅合金(392℃以上),可使單一面覆鍍上鋅合金成為鋅面，另一面保持為銅面。

7.　在銅箔熱浸鍍鋅後、鋅合金尚未冷却凝固前，以熱風切吹除過厚之液態鋅合金，以控制合理鋅合金之厚度。

依據前述之設計，本發明採取以下的製作方式：

處理銅箔部份

1.　鋅合金的添加元素：鋁3.8~5.5%、銅0.5~1.2%、鎳0.01%以下。

2.　銅箔：需用延壓(非退火)態無氧銅箔。

3.　銅箔熱浸鍍鋅前，使用甲醇加醋酸氨擦拭，去除油脂及氧化物。

4.　銅箔熱浸鍍鋅後(以下簡稱銅鋅夾皮),以沖孔機均勻間隔沖孔，作為焊貼時排氣之用；沖孔之方向為：由鋅面往銅面沖；之後銅鋅夾皮經過裁切機依後續需要焊貼之尺寸進行裁切。

5.　銅鋅夾皮經沖裁後，送入惰性氣氛退火爐，在惰性氣體中加溫到退火溫度(220~250℃)、時間0.5小時以上，讓金屬釋放內應力而柔軟、平整，可用之惰性氣體包括氦、氬、氮氣或其混合氣體。

處理鋁件部份

1.　針對牌號1xxx、5xxx、6xxx之型材機械製造、擠型製造,ADC3~12壓鑄製造之鋁及其合金物件，可運用以下工藝處理。

2.　先采用刷、刨、磨、噴砂等習見之物理方法去除鋁件上的缺陷；再用鹼蝕、酸蝕、電解脫脂、鋅置換等習見之化學方法，將鋁件表面置換成鋅元素後在惰性氣氛中烘乾、備用。

執行焊貼工作

1.　在鋁件上需要焊貼的位置薄塗上二衝程引擎機油。(使用二衝程引擎機油的理由是：它的製作設計就包括在高溫下保護鋁合金引擎不受氧化、同時在約450℃裂解為小分子、可完全燃燒)

2.　將銅鋅夾皮貼附固定，作必要的壓重或挾持。

3.　在惰性氣體爐膛中，以對流加熱的方式加溫到鋅合金融化溫度(382℃)以上，讓鋅銅夾皮與鋁件表面發生釺焊(如圖四所式)。

4.　在爐中徐冷、釋放內應力、穩定尺寸後，取出完成品後清洗。

1.　鋅合金含鋁5%、銅1%、鎳0.005%,經過熱焓量測固化溫度391℃、液化溫度381℃。

2.　將鋅合金放置于石墨槽中加熱熔化，溫度控制于395±3℃。

3.　銅箔：600 mm寬、0.2 mm厚，延壓(非退火)態無氧銅箔。

4.　銅箔熱浸鍍鋅前，使用甲醇加2%醋酸氨擦拭，去除油脂及氧化物。

5.　將銅箔經由滾筒之引導、浸入熱融之鋅合金，使單一面覆鍍上鋅合金成為鋅面，另一面保持為銅面。

6.　以熱風切(395±3℃)吹除過厚之液態鋅合金，以控制鋅合金之厚度為40±5μm。

7.　銅鋅夾皮以沖孔機均勻間隔10 mm×10 mm沖孔0.4 mmΦ,作為焊貼時排氣之用；沖孔之方向為：由鋅面往銅面沖；之後銅鋅夾皮經過裁切機依後續需要焊貼之尺寸10 mm x35 mm進行裁切。

8.　銅鋅夾皮經沖裁後，送入惰性氣氛退火爐，在惰性氣體中加溫到退火溫度(230±5℃)、時間1小時，金屬釋放內應力後柔軟而平整，惰性氣體為氮氣。

9.　鋁件為牌號6061之擠型製造100 mm x75 mm x2 mm板件。

10.以60mash石英砂噴砂處理後，經電解脫脂、鹼蝕、酸蝕、鋅置換化學處理後烘乾。

11.以棉花棒在鋁件上需要焊貼的位置薄塗上二衝程引擎機油。

12.將銅鋅夾皮貼附固定，以陶瓷板壓重。

13.在惰性氣體爐膛中，以對流加熱的方式加溫(395±3℃)十分鐘，讓鋅銅夾皮與鋁件表面發生釺焊。

14.在爐中徐冷、釋放內應力、穩定尺寸後，取出。

15.以中性非離子界面活性劑(triton-100,0.5%水溶液加超聲波)清洗，烘乾後即完成品。

對釺焊鋅合金進行以下項目測試：

硬度　72.8　HB

抗拉強度　164　Mpa

延伸率　0.85%

對完成品進行釺焊强度測試125 Mpa拉拔斷裂位置是在銅與釺焊面之間(如圖五所示),經由能量圖譜分析，斷裂面上有大量之CuZn₂y相、屬於沿晶斷裂(如圖六所示)，這是脆化的位置。

經由以上實施例，證明本發明能將鋁件與銅件焊接達125Mpa的焊接强度，可供實際之運用。

1．．．銅箔

2．．．鋅合金層

3．．．沖孔

4．．．鋁件表面不平整

5．．．鋁件

6．．．釺焊後鉚釘結構

第一圖　鋅鋁合金相圖

第二圖　鋅鋁合金流動性測試圖

第三圖　鋅鋁合金在銅、鋁表面鋪展圖

第四圖　釺焊過程示意圖

第五圖　釺焊橫斷面顯微照相圖

第六圖　釺焊銅斷面正向顯微照相圖

1．．．銅箔

2．．．鋅合金層

3．．．沖孔

4．．．鋁件表面不平整

5．．．鋁件

6．．．釺焊後鉚釘結構

Claims (10)

1. 一種「鋁件焊貼銅皮的方法」,是將鋁件經過前處理後、以預先製作的鋅銅夾皮貼附其上，以鋅銅夾皮的鋅基合金做為釺焊料，其後在惰性氣氛爐中加熱，將夾皮釺焊于鋁件上。
2. 前述專利申請範圍第一項所述之「鋁件」是指牌號1xxx、5xxx、6xxx之型材機械製造、擠型製造,ADC3~12壓鑄製造之鋁及其合金物件。
3. 前述專利申請範圍第一項所述之「鋁件前處理」是為去除鋁件上妨礙釺焊之油脂污染物及氧化鋁皮膜，可採用刷、刨、磨、噴砂等習見之物理方法及鹼蝕、酸蝕、電解脫脂、鋅置換等習見之化學方法，達到在鋁件表面先置換一層鋅薄層，加強面對鋅合金作為釺焊材料的濕潤性，而不需依賴傳統焊劑。
4. 前述專利申請範圍第一項所述之「鋅銅夾皮的預先製作」是指將銅箔經過前處理、熱浸鍍鋅、沖裁、氣氛退火等退程完成；以符合目標焊貼之功能及尺寸。
5. 前述專利申請範圍第四項所述之「銅箔前處理」是為去除銅箔上妨礙熱浸鍍鋅之油脂污染物及氧化皮膜，可采用絡合性溶劑擦拭等習見之處理方法。
6. 前述專利申請範圍第四項所述之「熱浸鍍鋅」是指經由滾筒之引導、將銅箔浸入熱融之鋅合金，使單一面覆鍍上鋅合金成為鋅面，另一面保持為銅面。
7. 前述專利申請範圍第六項所述之「鋅合金」是接近共析共晶型態之鋅鋁合金，以利于釺焊操作之便利性，另可添加其他元素來調整其運用功能；添加之範圍是：鋁含量3.8~5.5%之間以調整合金之流動性與對鋁件之釺焊性質、銅0.5~1.2%以增加合金之機械強度，鎳0.01%之下以增加合金之抗氧化性質，餘者為鋅；調製合金之充分必要條件為：合金起始融化之溫度(液化溫度)與合金熔液起始固化之溫度(固化溫度)溫差低於20℃，亦即「接近共析共晶型態之鋅鋁合金」。
8. 前述專利申請範圍第四項所述之「沖裁」,沖是指在經過熱浸鍍鋅的銅箔上以機械加工沖出小孔，以利在焊貼過程中的排氣，可資利用的設施是沖孔機；裁是指依照鋁件需要焊貼的尺寸範圍製作，可資利用的設施是沖裁機、裁刀、雷射切割等設備。
9. 前述專利申請範圍第四項所述之「氣氛退火」是指在惰性氣體中加溫到退火溫度(220~250℃)、時間0.5小時以上，讓金屬釋放內應力而柔軟、平整，可用之惰性氣體包括氦、氬、氮氣或其混合氣體。
10. 前述專利申請範圍第一項所述之「惰性氣氛爐中加熱」,是指焊貼工作的進行是在惰性氣體爐膛中，以對流加熱的方式加溫到鋅合金融化溫度以上，讓鋅銅夾皮與鋁件表面發生釺焊。