TW202118569A - 鋁基金屬之接合方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種鋁基金屬之接合方法，其包括以下步驟：步驟(a)：提供一第一鋁基母材、一第二鋁基母材以及一鋁合金銲料，將該鋁合金銲料設置於該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材之間，以形成一疊層結構；其中，該鋁合金銲料含有鋁、矽及一添加成份，該添加成份係選自於下列金屬所組成之群組中的至少二者：銅、鍺、鋅、錫以及錸，其中，以整體鋁合金銲料之總重量為基準，該添加成份的含量係介於2重量百分比至50重量百分比；以及步驟(b)：於真空中加熱使該第一鋁基母材和該第二鋁基母材進行硬銲接合；其中，該加熱溫度為480℃至570℃。
Description
本發明係關於一種鋁基金屬之接合方法，尤指一種鋁基材料組件的硬銲接合方法。
鋁以及鋁合金(例如編號6061、7075以及2024等鋁合金)由於具有密度小、強度高與耐腐蝕等優良的特性，因而廣泛應用於汽車、航太以及軍事工業等領域。據此，鋁以及鋁合金結構件之間的接合工藝，一直是受到相當重視的研究課題及重要之關鍵技術。
一般來說，由鋁或鋁合金製成的構件之間的接合係選用硬銲接合的方法。硬銲接合泛指一種加熱溫度須高於450℃的接合技術，在實施時通常需要選用一銲料進行加熱，因該銲料的熔點低於欲連接之構件，使該銲料具有足夠的流動性，並利用毛細作用充分的填充於欲連接的兩構件之間，待其冷卻凝固後即完成構件之間的接合，其中，銲料的選擇係為該接合工藝的關鍵因素之一。
用於鋁或鋁合金製成的母材之間的硬銲接合的商用銲料主要是鋁基銲料，其中，鋁矽(Al-Si)系列銲料(例如編號4043、4045以及4047等鋁矽合金)含有約5%至12%的矽元素，因其具有良好的潤濕性、流動性、抗腐蝕性以及可加工性，因而成為最廣泛應用的一種鋁基銲料。然而，由於Al-Si系列銲料的熔點溫度太接近母材的固相線溫度時，極容易引起母材晶粒長大、熔融等問題，造成母材性質的改變，進而影響銲接處的力學性能。
有鑑原有商用銲料有技術缺陷，本發明之目的在於提供一熔點較低的鋁合金銲料，使鋁基材料組件的硬銲接合的製程能在較低的加熱溫度下進行。
本發明之另一目的在於提供一種鋁基金屬之接合方法，經由該接合方法接合的二鋁基母材之間的接合處，其介面無孔洞或裂痕，且具有良好的接合品質和結構特性。
為達成前述目的，本發明提供一種鋁基金屬之接合方法，包括以下步驟：步驟(a)：提供一第一鋁基母材、一第二鋁基母材以及一鋁合金銲料，該第一鋁基母材具有一第一接合面，該第二鋁基母材具有一第二接合面，將該鋁合金銲料設置於該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材之間，使該鋁合金銲料與該第一接合面以及該第二接合面相接觸，以形成一疊層結構；其中，該鋁合金銲料含有鋁、矽及一添加成份，該添加成份係選自於下列金屬所組成之群組中的至少二者：銅(Cu)、鍺(Ge)、鋅(Zn)、錫(Sn)以及錸(Re)，其中，以整體鋁合金銲料之總重量為基準，該添加成份的含量係大於或等於2重量百分比且小於或等於50重量百分比；以及步驟(b)：將該疊層結構置於真空環境中加熱，使該第一鋁基母材和該第二鋁基母材進行硬銲接合；其中，加熱溫度係480℃至570℃。
藉由選用含有特定添加成份及其含量的鋁合金作為銲料，可使所述鋁合金銲料能在較低的溫度下即具有足夠的流動性，因此能降低進行硬銲接合所需的加熱溫度，相較於現有方法不僅可減少能源消耗，同時能降低高溫加熱對鋁基母材的影響，進而使得銲接完成的銲接處介面可具有良好的接合品質和結構特性，而不會產生孔洞或裂痕。
較佳的，該步驟(b)中進行硬銲接合的加熱溫度係500℃至570℃。
較佳的，以整體鋁合金銲料之總重量為基準，矽的含量係大於或等於5重量百分比且小於或等於25重量百分比；鋁的含量係大於或等於50重量百分比且小於或等於90重量百分比。
依據本發明，所述鋁合金銲料的型態沒有限制。在一些實施例中，該鋁合金銲料為鋁合金片；在另一些實施例中，該鋁合金銲料為鋁合金粉末。
較佳的，當該鋁合金銲料為鋁合金粉末時，在該步驟(a)的「將該鋁合金銲料設置於該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材之間，使該鋁合金銲料與該第一接合面以及該第二接合面相接觸，以形成該疊層結構」之步驟中更包括：將該鋁合金粉末噴塗於該第一接合面上形成一塗層，並使該塗層與該第二接合面相接觸，以形成該疊層結構。
所述噴塗係採用熱噴塗或冷噴塗(Cold spray)；其中，所述熱噴塗可以是電漿熔射(Plasma spray)、電弧熔射(Arch spray)、火焰熔射(Flame spray)或高速火焰熔射(High velocity oxygen fuel spraying, HVOF)，但不限於此。另外，所述冷噴塗是在不大於600℃下以壓縮氣體作為加速氣流帶動粉末顆粒碰撞欲塗佈的表面，其中，所述壓縮氣體可為氮氣(N2
)或氬氣(Ar)等，但不限於此。
較佳的，當該鋁合金銲料為鋁合金粉末時，在該步驟(a)的「將該鋁合金銲料設置於該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材之間，使該鋁合金銲料與該第一接合面以及該第二接合面相接觸，以形成該疊層結構」之步驟中更包括：先將該鋁合金粉末與一黏著劑均勻混合以形成一漿料，再將該漿料塗抹於該第一接合面上形成一塗層，並使該塗層與該第二接合面相接觸，以形成該疊層結構。
依據本發明，所述鋁合金粉末可透過以下方式獲得：將鋁合金塊體置於一真空爐中，以600℃至900℃的加熱溫度持溫2小時至4小時進行熔煉步驟，接著利用氬氣以霧氣壓力為0.5百萬帕(MPa)至15.0 MPa、該鋁合金熔湯流速為每分鐘0.5公斤至5.0公斤之條件，噴出該鋁合金熔湯以形成鋁合金粉末，再通過適當篩孔大小之篩網，以獲得可適用於硬銲接合之鋁合金粉末。
較佳的，該鋁合金粉末的粒徑大小係3 μm至160 μm。更佳的，該鋁合金粉末的粒徑大小係20 μm至60 μm。
依據本發明，該鋁合金片可透過以下方式獲得：將鋁合金料塊(鋁、矽以及添加成份，該添加成份係選自於下列金屬所組成之群組中的至少二者：銅、鍺、鋅、錫以及錸)置入一坩堝中並送入一真空爐中，接著以600℃至900℃的加熱溫度持溫2小時至4小時進行熔煉，完成後澆鑄取出，隨後以加熱溫度300℃至600℃持溫1小時至4小時進行熱均質處理，再透過熱滾軋製程及冷軋製程，最終得到該鋁合金片。
當該鋁合金銲料為鋁合金片時，較佳的，該鋁合金片的厚度係5 μm至1000 μm。更佳的，該鋁合金片的厚度係10 μm至300 μm。藉由控制該鋁合金片的厚度於上述的範圍中，能提升接合介面的接合強度。
依據本發明，第一和第二鋁基母材係由鋁金屬或鋁合金製成。較佳的，鋁基母材係包含以銅、鎂為主要添加元素的鋁合金；以矽、鎂為主要添加元素的鋁合金、或以鋅為主要添加元素的鋁合金。
較佳的，該步驟(b)中進行硬銲接合的時間係10分鐘至120分鐘。更佳的，該步驟(b)中進行硬銲接合的時間係15分鐘至80分鐘。在加熱至該步驟(b)所述的溫度範圍後，控制進行硬銲接合的時間於上述範圍內，能夠增加銲接觸介面的氣密性以及拉伸強度。
較佳的，該步驟(b)中的真空環境之壓力係10-5
托耳(torr)至10-2
torr。在真空環境下進行硬銲接合，可避免加熱升溫的過程中發生氧化反應，進一步防止銲接觸介面生成裂縫及孔洞。
在本發明的一些實施態樣中，該第一鋁基母材和該第二鋁基母材係以頭對頭的方式透過鋁合金銲料相互接觸，形成所述之疊層結構。在本發明的另一實施態樣中，該第一鋁基母材和該第二鋁基母材係以側對側的方式透過鋁合金銲料相互接觸，形成所述之疊層結構。
在說明說書中，由「小數值至大數值」表示的範圍，如果沒有特別指明，則表示其範圍為大於或等於該小數值至小於或等於該大數值。例如：480℃至570℃，即表示其範圍為「大於或等於480℃至小於或等於570℃」。
依據本發明，由於鋁合金銲料中含有特定元素組成，因此能降低進行硬銲接合所需的加熱溫度，使得鋁基母材不會因為溫度過於接近其固、液相線溫度而影響鋁基母材原有的特性，故而能獲得該銲接處介面不會產生孔洞與裂痕且能具有良好的接合品質與結構特性等優點，進而提升本發明之硬銲接合方法應用於產業界的價值。
以下列舉數種具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效，並且於不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本發明之內容。
本發明提供一種鋁基金屬之接合方法，其包含步驟(a)：設置一第一鋁基母材、一鋁合金銲料以及一第二鋁基母材形成一疊層結構；以及步驟(b)：將該疊層於真空環境中加熱，其中，步驟(a)之疊層係有兩種疊設方式。
如圖1A所示，第一種疊設方式係將第一鋁基母材10與第二鋁基母材20以頭對頭的方式，分別以第一接合面11、第二接合面21與鋁合金銲料30之相對的兩面相接觸，形成的疊層結構。如圖1A所示，第一鋁基母材10、第二鋁基母材20皆為長形薄層，所謂頭對頭係指鋁合金銲料30夾置於第一鋁基母材10的短側及第二鋁基母材20的短側之間。
如圖1B所示，第二種疊設方式係將第一鋁基母材10與第二鋁基母材20以側對側的方式，分別以第一接合面11、第二接合面21與鋁合金銲料30之相對的兩面相接觸，形成的疊層結構。如圖1B所示，第一鋁基母材10、第二鋁基母材20也是長形薄層，所謂側對側係指鋁合金銲料30夾置於第一鋁基母材10的長側與第二鋁基母材20的長側之間。
以下所列舉之實施例1至7以及比較例1皆以上述第一種疊設方式形成疊層。
實施例
1
本發明提供一示例性的實施例1，其係包含以下步驟：提供一厚度為30 μm的鋁合金片，所述鋁合金片的材質為Al-Si-Cu-Ge-Re，其中，以整體鋁合金片之總重量為基準，Si的含量為9.0重量百分比、Cu的含量為18.0重量百分比、Ge的含量為6.0重量百分比、Re的含量為0.2重量百分比，其餘為Al。將該鋁合金片設置於一第一鋁基母材以及一第二母材之間，其中，該兩個鋁基母材為編號6061的鋁合金母材(以下簡稱6061母材)，使該鋁合金片相對的兩面各自與該二6061母材相接觸，以形成一疊層結構；將該疊層結構置於壓力為10-2
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為530℃，持續15分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
實施例
2
本發明提供一示例性的實施例2，其係包含以下步驟：提供一厚度為100 μm的鋁合金片，所述鋁合金片的材質為Al-Si-Cu-Zn，其中，以整體鋁合金片之總重量為基準，Si的含量為9.0重量百分比、Cu的含量為10.0重量百分比、Zn的含量為8.0重量百分比，其餘為Al。將該鋁合金片設置於一第一鋁基母材以及一第二鋁基母材之間，其中，該兩個鋁基母材為6061母材，使該鋁合金片相對的兩面各自與該二6061母材相接觸，以形成一疊層結構；將該疊層結構置於壓力為10-5
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為540℃，持續80分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
實施例
3
本發明提供一示例性的實施例3，其係包含以下步驟：提供一厚度為70 μm的鋁合金片，所述鋁合金片的材質為Al-Si-Cu-Sn，其中，以整體鋁合金片之總重量為基準，Si的含量為9.5重量百分比、Cu的含量為8.0重量百分比、Sn的含量為6.0重量百分比，其餘為Al。將該鋁合金片設置於一第一鋁基母材以及一第二鋁基母材之間，其中，該兩個鋁基母材為6061母材，使該鋁合金片相對的兩面各自與該二6061母材相接觸，以形成一疊層結構；將該疊層結構置於壓力為10-5
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為530℃，持續60分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
實施例
4
本發明提供一示例性的實施例4，其係包含以下步驟：將一厚度為200 μm的鋁合金片，所述鋁合金片的材質為Al-Si-Cu-Re，其中，以整體鋁合金片之總重量為基準，Si的含量為9.6重量百分比、Cu的含量為12.0重量百分比、Re的含量為2.0重量百分比，其餘為Al。將該鋁合金片設置於一第一鋁基母材以及一第二鋁基母材之間，其中，該兩個鋁基母材為6061母材，使該鋁合金片相對的兩面各自與該二6061母材相接觸，以形成一疊層結構；將該疊層結構置於壓力為10-5
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為500℃，持續15分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
實施例
5
本發明提供一示例性的實施例5，其係包含以下步驟：將一厚度為300 μm的鋁合金片，所述鋁合金片的材質為Al-Si-Cu-Ge，其中，以整體鋁合金片之總重量為基準，Si的含量為9.2重量百分比、Cu的含量為12.0重量百分比、Ge的含量為4.0重量百分比，其餘為Al。將該鋁合金片設置於一第一鋁基母材以及一第二鋁基母材之間，其中，該兩個鋁基母材為6061母材，使該鋁合金片相對的兩面各自與該二6061母材相接觸，以形成一疊層結構；將該疊層結構置於壓力為10-2
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為530℃，持續30分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
實施例
6
本發明提供一示例性的實施例6，包含以下步驟：先提供一組成成份為Al-Si-Cu-Zn之鋁合金塊體，其中，以整體鋁合金之總重量為基準，Si的含量為10.0重量百分比、Cu的含量為9.0重量百分比、Zn的含量為10.0重量百分比，其餘為Al，隨後將該鋁合金塊體置入真空爐內，並以加熱溫度750℃持溫2小時進行熔煉步驟，接著利用氬氣以霧氣壓力為1.5 MPa、該鋁合金熔湯流速為每分鐘1.2公斤之條件，噴出該鋁合金熔湯以形成鋁合金粉末，再將該鋁合金粉末通過篩孔大小為100 μm的篩網，以獲得可適用於噴塗之鋁合金粉末。
隨後，將1公斤之上述鋁合金粉末以送粉量每分鐘120克、送粉氣體壓力為100 psi之條件，導入高速火焰熔射槍中，操作高速火焰熔射槍使該鋁合金粉末於2500℃以上呈現熔融態或半熔融態後，噴塗於該相距槍口500 mm之第一鋁基母材的第一接合面上，以形成一塗層，再將第二鋁基母材的第二接合面與該塗層相接觸，以形成一疊層結構，其中，該第一、第二鋁基母材皆為6061母材；將該疊層結構置於壓力為10-2
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為550℃，持續30分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
實施例
7
本發明提供一示例性的實施例7，其獲得鋁合金粉末的步驟係與實施例6相同。隨後，將1公斤之前述鋁合金粉末以送粉量每分鐘40克、送粉氣體壓力為10 MPa、溫度為400℃之條件進行冷噴塗，並於相距槍口500 mm之第一鋁基母材的第一接合面上，以形成一塗層，再將第二鋁基母材的第二接合面與該塗層相接觸，以形成一疊層結構，其中，該第一、第二鋁基母材皆為6061母材；將該疊層結構置於壓力為10-5
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為530℃，持續60分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
比較例
1
本發明提供之參考例1係選用編號為4047之鋁基銲料(以下簡稱4047銲料)進行硬銲接合，其包括以下步驟：將一厚度為100 μm之4047銲料設置於一第一鋁基母材以及一第二母材之間，其中，該兩個鋁基母材為6061母材，使該4047銲料相對的兩面各自與該二6061母材相接觸，以形成一疊層結構；將該疊層結構置於壓力為10-2
torr的環境下並加熱該疊層結構至溫度為590℃，持續15分鐘以進行硬銲接合；將溫度冷卻至室溫以完成該二6061母材之間的接合。
分析
1
：銲接介面的形貌分析
實施例1至7皆使用型號為Hitachi TM3030的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察銲接處的介面。並可觀察到不論是以鋁合金片作為銲料之實施例1至5或是以鋁合金粉末作為銲料之實施例6以及7，其所得之接合成品的銲接處介面皆不具孔洞以及裂痕。
以觀察實施例4之銲接處介面的結果(如圖2A)為例進行說明，第一鋁基母材10與第二鋁基母材20之間接合緊密且接合良好，並無明顯觀察到任何孔洞以及裂痕；再以更高放大倍率進行觀察，如圖2B所示，第一鋁基母材10與鋁合金銲料30間的第一接合面11或第二鋁基母材20與鋁合金銲料30間的第二接合面21皆相當完整，確實沒有任何孔洞或裂痕。
另以觀察實施例7之銲接處介面的結果(如圖3A)為例進行說明，第一鋁基母材10與第二鋁基母材20之間接合緊密且接合良好，同樣沒有觀察到孔洞以及裂痕；再以更高放大倍率進行觀察，如圖3B所示，第一鋁基母材10與鋁合金銲料30間的第一接合面11或第二鋁基母材20與鋁合金銲料30間的第二接合面21已經幾乎無法觀察到明顯的界線，顯示接合相當良好且同樣沒有任何孔洞或裂痕。
由上述分析結果此可證實，透過本發明之接合方法完成接合之鋁基材料組件，其銲接處介面不具孔洞以及裂痕，因而有良好的接合品質與結構特性。
分析
2
：硬銲接合強度分析
為進行接合強度的分析，使用型號為Shimadzu AGSX STD的拉力試驗機，在室溫下以每分鐘1毫米的拉伸速率進行測試，量取硬銲接合處所能承受的最大強度，即代表銲接處所能承受的剪切力。
實施例1至7以及比較例1皆以上述方式測試銲接處的剪切力強度，結果列於下表1中。
表1：實施例1至7以及比較例1之銲接處的剪切力強度
| 測試樣品 | 剪切力(MPa) |
| 實施例1 | 27 |
| 實施例2 | 33 |
| 實施例3 | 32 |
| 實施例4 | 29 |
| 實施例5 | 28 |
| 實施例6 | 31 |
| 實施例7 | 29 |
| 比較例1 | 27 |
由上表1的結果可知，依據本發明之接合方法，實施例1至7以特定元素組成的鋁合金銲料進行硬銲接合後，由於所需的加熱溫度較低而未影響鋁基母材的原有特性，其可以承受的剪切力強度同樣可達到以商用銲料進行接合之強度(即比較例1)，其中，實施例2至7可承受的剪切力強度更高於比較例1，尤其，實施例2可承受的剪切力強度更達到33百萬帕，顯示透過本發明之接合方法可具有良好的接合強度。
綜上所述，本發明選用包含特定元素組成的鋁合金銲料取代商用的鋁基銲料進行鋁基母材間的硬銲接合，可使整體製程所需的加熱溫度降低而不影響鋁基母材自身的特性，使得銲接處介面不具有孔洞或裂痕，且有良好的接合品質與結構特性以及保有良好的接合強度；此外，由於進行硬銲接合所需的加熱溫度降低，不需要使用溫度控制極精密的爐體以防止鋁基母材受到影響，能進一步降低設備成本，因而能提升本發明之應用範圍與價值。
10:第一鋁基母材
11:第一接合面
20:第二鋁基母材
21:第二接合面
30:鋁合金銲料
圖1A為該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材間可適用的一種接合方式；
圖1B為該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材間可適用的另一種接合方式；
圖2A為實施例4銲接處介面以掃描式電子顯微鏡拍攝的照片；
圖2B為實施例4銲接處介面以掃描式電子顯微鏡以更高倍率拍攝的照片；
圖3A為實施例7銲接處介面以掃描式電子顯微鏡拍攝的照片；
圖3B為實施例7銲接處介面以掃描式電子顯微鏡以更高倍率拍攝的照片。
無。
10:第一鋁基母材
11:第一接合面
20:第二鋁基母材
21:第二接合面
30:鋁合金銲料
Claims (10)
- 一種鋁基金屬之接合方法，包括以下步驟： 步驟(a)：提供一第一鋁基母材、一第二鋁基母材以及一鋁合金銲料；該第一鋁基母材具有一第一接合面，該第二鋁基母材具有一第二接合面，將該鋁合金銲料設置於該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材之間，使該鋁合金銲料與該第一接合面以及該第二接合面相接觸，以形成一疊層結構；其中，該鋁合金銲料含有鋁、矽及一添加成份，該添加成份係選自於下列金屬所組成之群組中的至少二者：銅、鍺、鋅、錫以及錸，其中，以整體鋁合金銲料之總重量為基準，該添加成份的含量係大於或等於2重量百分比且小於或等於50重量百分比；以及 步驟(b)：將該疊層結構置於真空環境中加熱，使該第一鋁基母材和該第二鋁基母材進行硬銲接合；其中，加熱溫度係480℃至570℃。
- 如請求項1所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該加熱溫度係500℃至570℃。
- 如請求項1所述之鋁基金屬之接合方法，其中，以整體鋁合金銲料之總重量為基準，矽的含量係大於或等於5重量百分比且小於或等於25重量百分比；鋁的含量係大於或等於50重量百分比且小於或等於90重量百分比。
- 如請求項1至3所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該鋁合金銲料為鋁合金片或鋁合金粉末。
- 如請求項4所述之鋁基金屬之接合方法，其中，當該鋁合金銲料為鋁合金粉末時，該步驟(a)的將該鋁合金銲料設置於該第一鋁基母材以及該第二鋁基母材之間，使該鋁合金銲料與該第一接合面以及該第二接合面相接觸，以形成該疊層結構之步驟中更包括：將該鋁合金粉末噴塗於該第一接合面上形成一塗層，並使該塗層與該第二接合面相接觸，以形成該疊層結構。
- 如請求項4所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該鋁合金粉末的粒徑係3微米至160微米。
- 如請求項4所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該鋁合金片的厚度係5微米至1000微米。
- 如請求項7所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該鋁合金片的厚度係10微米至300微米。
- 如請求項1至3中任一項所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該步驟(b)中進行硬銲接合的時間係10分鐘至120分鐘。
- 如請求項1至3中任一項所述之鋁基金屬之接合方法，其中，該步驟(b)中的真空環境之壓力係10-5 托耳至10-2 托耳。
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