真空釬焊方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空釬焊方法，屬于金屬加工【技術(shù)領(lǐng)域】。該真空釬焊方法中，由于其在進行釬焊前清潔了零件表面，因而能有效防止產(chǎn)品存在雜質(zhì)，避免產(chǎn)品使用中的雜質(zhì)揮發(fā)，同時，在裝配過程中，使零件與釬料緊密貼合，有效保證釬焊部位的焊縫密合，從而使其中的水道密封性良好，且本發(fā)明的真空釬焊方法，工藝較為簡單，能夠廣泛應用于各類金屬焊接加工，特別是Mount?Base零件生產(chǎn)中，且實施成本也相當?shù)土?br> 【專利說明】真空釬焊方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及釬焊【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種真空釬焊方法。

【背景技術(shù)】
[0002]釬焊(Brazing)是利用熔點比母材(被釬焊材料)熔點低的填充金屬(稱為釬料或焊料)，在低于母材熔點、高于釬料熔點的溫度下，利用液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展和在母材間隙中填縫，與母材相互溶解與擴散，而實現(xiàn)零件間的連接的焊接方法。
[0003]現(xiàn)有的釬焊的工藝方法分類:
[0004]烙鐵釬焊:用于細小簡單或很薄零件的軟釬焊。
[0005]波峰釬焊:用于大批量印刷電路板和電子元件的組裝焊接。施焊時，250°C左右的熔融焊錫在泵的壓力下通過窄縫形成波峰，工件經(jīng)過波峰實現(xiàn)焊接。這種方法生產(chǎn)率高，可在流水線上實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
[0006]火焰釬焊:用可燃氣體與氧氣或壓縮空氣混合燃燒的火焰作為熱源進行焊接?；鹧驸F焊設(shè)備簡單、操作方便，根據(jù)工件形狀可用多火焰同時加熱焊接。這種方法適用于自行車架、鋁水壺嘴等中、小件的焊接。
[0007]浸沾釬焊:將工件部分或整體浸入覆蓋有釬劑的釬料浴槽或只有熔鹽的鹽浴槽中加熱焊接。這種方法加熱均勻、迅速、溫度控制較為準確，適合于大批量生產(chǎn)和大型構(gòu)件的焊接。鹽浴槽中的鹽多由釬劑組成。焊后工件上常殘存大量的釬劑，清洗工作量大。
[0008]感應釬焊利用高頻、中頻或工頻感應電流作為熱源的焊接方法。高頻加熱適合于焊接薄壁管件。采用同軸電纜和分合式感應圈可在遠離電源的現(xiàn)場進行釬焊。
[0009]爐中釬焊:將裝配好釬料的工件放在爐中進行加熱焊接，常需要加釬劑，也可用還原性氣體或惰性氣體保護，加熱比較均勻。
[0010]真空釬焊:工件加熱在真空室內(nèi)進行，主要用于要求質(zhì)量高的產(chǎn)品和易氧化材料的焊接。
[0011]Mount Base零件是一種用在半導體離子刻蝕機的工作腔體內(nèi)的核心零部件。裝配此零件的中微離子刻蝕機核心腔體是生產(chǎn)該零件的主要技術(shù)難點。其困難在于，該零件是在真空高溫高潔凈環(huán)境下工作，零件整體需要持續(xù)冷卻。因為此零件需要自身有冷卻水道。由因為此零件是和芯片在同一真空腔室內(nèi)工作，所以對水道的密封性要求極高，同時零件在高溫工作過程中不能產(chǎn)生任何雜質(zhì)的揮發(fā)以免污染芯片。
[0012]采用傳統(tǒng)的釬焊工藝生產(chǎn)的零件，其水道密封性和雜質(zhì)揮發(fā)情況都不能滿足這種零件的生產(chǎn)要求，因此，如何實現(xiàn)一種既能夠保證水道密封性，又能防止雜質(zhì)揮發(fā)污染芯片，且工藝簡單，實現(xiàn)成本低廉的釬焊方法，成為Mount Base零件生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種既能夠有效保證水道密封性，又能最大限度地防止雜質(zhì)揮發(fā)污染芯片，且工藝簡單，實現(xiàn)成本低廉，能夠廣泛應用于各類金屬焊接加工，特別是Mount Base零件生產(chǎn)中的真空釬焊方法。
[0014]為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的真空釬焊方法包括以下步驟:
[0015](I)對待釬焊的零件進行預處理，清潔零件表面；
[0016](2)將所述零件與釬料進行裝配，使零件與釬料緊密貼合；
[0017](3)將裝配后的零件與釬料放入真空釬焊爐內(nèi)；
[0018](4)將所述的真空釬焊爐內(nèi)抽真空，使爐內(nèi)真空度達到IX 10_4帕；
[0019](5)利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，完成焊接。
[0020]該真空釬焊方法中，所述的步驟(I)具體包括以下步驟:
[0021](11)將毛坯材料加工成型為零件；
[0022](12)將所述零件打磨光滑；
[0023](13)對所述零件進行化學清洗。
[0024]該真空釬焊方法中，所述的步驟(13)具體包括以下步驟:
[0025](13-1)利用脫脂劑去除所述零件表面的油污；
[0026](13-2)利用堿蝕去除所述零件表面的自然氧化物；
[0027](13-3)利用酸蝕去除所述零件表面的一類新氧化物；
[0028](13-4)利用酸洗去除所述零件表面的二類新氧化物。
[0029]該真空釬焊方法中，所述的步驟(2)具體包括以下步驟:
[0030](21)將所述的零件與釬料根據(jù)加工要求進行組裝；
[0031](22)利用重力夾具固定組裝后的零件與釬料，使所述零件與釬料之間緊密貼合。
[0032]該真空釬焊方法中，所述的釬料為復合釬料，所述的復合釬料包括芯材和包裹于所述芯材之外的復合層，所述的復合層的厚度為所述芯材厚度的10% ±3%。
[0033]該真空釬焊方法中，所述的步驟(3)具體為:將裝配后的零件與釬料連同所述的重力夾具放入真空釬焊爐內(nèi)。
[0034]該真空釬焊方法中，所述的步驟(5)具體為:利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，并維持一定時間，同時維持爐內(nèi)真空度不大于3X10_3帕，直至焊接完成。
[0035]該真空釬焊方法中，所述的利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，具體為:所述的利用熱輻射方法階梯式加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，使爐內(nèi)各點的溫度均逐步達到釬料熔點溫度。
[0036]該真空釬焊方法中，所述的利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度的同時，維持所述的爐內(nèi)真空度為2.5X10_3帕。
[0037]該真空釬焊方法中，所述的方法還包括以下步驟:
[0038](6)利用超聲波水浸C掃描方法檢測焊接質(zhì)量。
[0039]采用了該發(fā)明的真空釬焊方法，由于其在進行釬焊前清潔了零件表面，因而能有效防止產(chǎn)品存在雜質(zhì)，避免產(chǎn)品使用中的雜質(zhì)揮發(fā)，同時，在裝配過程中，使零件與釬料緊密貼合，有效保證釬焊部位的焊縫密合，從而使其中的水道密封性良好，且本發(fā)明的真空釬焊方法，工藝較為簡單，能夠廣泛應用于各類金屬焊接加工，特別是Mount Base零件生產(chǎn)中，且實施成本也相當?shù)土?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明的真空釬焊方法的步驟流程圖。
[0041]圖2為本發(fā)明的真空釬焊方法在實際應用中的工藝流程示意圖。
[0042]圖3為利用本發(fā)明的真空釬焊方法進行釬焊加工的Mount Base零件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖4為本發(fā)明的真空釬焊方法中熱輻射加熱時的爐內(nèi)溫度變化曲線圖。
[0044]圖5為超聲波水浸C掃描方式檢測本發(fā)明的真空釬焊方法所加工的零件質(zhì)量的掃描圖。

【具體實施方式】
[0045]為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實施例詳細說明。
[0046]請參閱圖1所示，為本發(fā)明的真空釬焊方法的步驟流程圖。
[0047]在一種實施方式中，該真空釬焊方法，如圖1所示，包括以下步驟:
[0048](I)對待釬焊的零件進行預處理，清潔零件表面；
[0049](2)將所述零件與釬料進行裝配，使零件與釬料緊密貼合；
[0050](3)將裝配后的零件與釬料放入真空釬焊爐內(nèi)；
[0051](4)將所述的真空釬焊爐內(nèi)抽真空，使爐內(nèi)真空度達到IX 10_4帕；
[0052](5)利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，完成焊接。
[0053]在一種較優(yōu)選的實施方式中，所述的步驟(I)具體包括以下步驟:
[0054](11)將毛坯材料加工成型為零件；
[0055](12)將所述零件打磨光滑；
[0056](13)對所述零件進行化學清洗。
[0057]其中，所述的步驟(13)具體包括以下步驟:
[0058](13-1)利用脫脂劑去除所述零件表面的油污；
[0059](13-2)利用堿蝕去除所述零件表面的自然氧化物；
[0060](13-3)利用酸蝕去除所述零件表面的一類新氧化物；
[0061](13-4)利用酸洗去除所述零件表面的二類新氧化物。
[0062]在另一種較優(yōu)選的實施方式中，所述的步驟(2)具體包括以下步驟:
[0063](21)將所述的零件與釬料根據(jù)加工要求進行組裝；
[0064](22)利用重力夾具固定組裝后的零件與釬料，使所述零件與釬料之間緊密貼合。
[0065]其中，所述的釬料為復合釬料，所述的復合釬料包括芯材和包裹于所述芯材之外的復合層，所述的復合層的厚度為所述芯材厚度的10% ±3%。
[0066]且所述的步驟(3)具體為:將裝配后的零件與釬料連同所述的重力夾具放入真空釬焊爐內(nèi)。
[0067]在又一種較優(yōu)選的實施方式中，所述的步驟(5)具體為:利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，并維持一定時間，同時維持爐內(nèi)真空度不大于3 X 10 3帕,直至焊接完成。
[0068]其中，所述的利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，具體為:所述的利用熱輻射方法階梯式加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，使爐內(nèi)各點的溫度均逐步達到釬料熔點溫度。且所述的利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度的同時，維持所述的爐內(nèi)真空度為2.5X10_3帕。
[0069]在更優(yōu)選的實施方式中，所述的方法還包括以下步驟:
[0070](6)利用超聲波水浸C掃描方法檢測焊接質(zhì)量。
[0071]在本發(fā)明的實際應用中，其工藝流程大致如圖2所示。
[0072]在釬焊前，先將各零件通過CNC機械加工完成，保證各零件釬焊面的平面度及平行度，確保零件裝配各焊接面貼合無縫隙。
[0073]以加工Mount Base零件為例，如圖3所示,包括上組件1、下組件2和位于上組件I與下組件2之間的復合釬料3。下組件2上具有水道4。
[0074]在完成上述零件的機械加工后，需要對零件進行化學清洗。包括以下內(nèi)容:
[0075]油污可用脫脂劑去除；
[0076]自然氧化物則用堿蝕(NaOH)去除，但同產(chǎn)生新的氧化物；
[0077]新的氧化物則用酸蝕(HF或HNO3)去除，去除Si，但同產(chǎn)生新的氧化物Mg02、CuO、
Fe2O3 ；
[0078]新的氧化物MgO2、CuO、Fe2O3則用酸洗(HNO3)去除，得到近乎純Al表面。
[0079]清洗也按照鋁表面清洗的工藝，先用弱堿性脫脂劑將零件表面的油污和自然氧化物去除，然后再硝酸和氫氟酸去除新生成的氧化物，最后再用硝酸去灰也叫出光，得到比較純凈的鋁材表面。清洗工藝經(jīng)過特殊要求適應半導體行業(yè)要求，清洗在無塵室中進行，所用的清洗材料是高潔凈電子級材料，不會帶入其他的雜質(zhì)污染，清洗用的水是超純水，通過該方法清洗的零件表面可以通過相關(guān)檢測機構(gòu)的離子測試。而一般清洗只能去除表面的油污，零件表面還留有很多氧化物，會對后續(xù)加工造成不良影響。
[0080]釬料采用4104鋁合金復合板，Si含量復合板性能體現(xiàn)在釬料層的流動性、潤濕性、間隙填充能力和焊接強度。在Al-S合金二元相圖中，溫度達577°C，w(Si) = 11.7%時，發(fā)生共晶反應。當W(Si)彡11.7%時，二元合金熔化溫度隨Si含量的升高而降低。所以，釬料層中Si含量高時，其熔點則低。Si含量過高時，雖然可使包覆層合金熔點降低、流動性好，間隙填充能力強，但當其擴散到被焊金屬界面，且使固相成分達到一定程度時，導致被焊金屬固相熔化，產(chǎn)生熔蝕。Si含量越高，濃度梯度越大，對基體合金的熔蝕傾向也越嚴重；Si含量過低時，則產(chǎn)生相反的效果。真空釬焊用復合板的釬料層為4104鋁合金，其《(Si)的標準范圍為9.0%?10.5%o Mg含量:包覆層合金中的Mg是真空釬焊必不可少的金屬活化劑、吸氣劑，同時在增強復合板耐蝕性方面可產(chǎn)生積極的影響。Mg在550°C以上時開始大量蒸發(fā)，在真空釬焊爐中形成含Mg的氣氛。鎂蒸氣既可與釬焊氣氛中剩余的氧或水蒸氣中的氧結(jié)合，保護加熱零件表面不致重新氧化，又能滲入到零件表面未清除干凈的氧化膜中，將其去除。所以，相對于真空釬焊爐的真空度而言，真空度高時，標準含量的Mg可以起到足夠的作用；而真空度低時，則需要將Mg含量控制在上限或者更高。4104鋁合金的w (Mg)=1.0%?2.0%。
[0081]復合板厚度及釬料層厚度的設(shè)定應與零件的承壓要求相匹配，必須結(jié)合理論計算和生產(chǎn)實踐來制定。釬料層厚度過薄時，易造成焊接強度低、焊接不牢、承壓不達標等焊接缺陷；過厚時，則會造成芯層合金厚度過薄、承壓不達標、甚至出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象導致泄漏。因此，釬料層厚度及其均勻性是衡量其質(zhì)量的重要指標，也是影響釬焊質(zhì)量的重要因素之一。實際應用中釬料層厚度一般控制在復合板厚度的(10±3) %為宜。
[0082]復合釬料在零件中的另一個作用是作通道隔板，也有承壓要求。因此，不應有影響其承壓的內(nèi)在、外在缺陷。內(nèi)在缺陷如芯層合金的氣孔、夾渣、釬料層的焊合不良等；外在缺陷除上述表面處理不潔凈外，還有在加工過程中的磕碰傷、劃傷，當其深度超過釬料層厚度時，會直接破壞金屬的連續(xù)性，導致承壓能力下降。
[0083]零件在潔凈室里裝配后采用不銹鋼重力夾具進行夾持，重力夾具各面通過機械加工保證平面度與平行度，與焊接零件貼平無縫隙。不銹鋼夾具的熱膨脹系數(shù)小于鋁合金，所以夾緊力太大，易造成釬焊后零件扭曲變形；夾緊力太小，零件焊接面未貼合。根據(jù)具體零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)定適宜的夾緊力，采用扭力扳手鎖緊，使零件各點受力均勻。
[0084]在真空釬焊爐中，工件主要靠熱輻射進行加熱。真空加熱所需時間約是空氣爐的三倍。因此真空釬焊過程中，應盡可能采用如圖4所示的階梯式的緩慢加熱方式(c為釬焊溫度)，以使零件內(nèi)外溫度保持一致，否則直接影響釬焊質(zhì)量。溫度低時，釬料尚未達到必需的溫度，釬料的流動性、浸潤性均較差，易產(chǎn)生釬縫內(nèi)部氣孔、釬縫不連續(xù)、虛焊等缺陷，使釬焊接頭強度降低，承壓能力不達標而產(chǎn)生泄漏，嚴重時甚至會撕裂；溫度高時，釬料完全熔化且流動性過大，易產(chǎn)生釬料氧化形成氣孔和對焊縫的毛細力作用變差，造成釬料流失、熔蝕、彎曲等缺陷。適當?shù)臏囟?，能使釬料在毛細力作用下較好地填充釬焊間隙，并能與被焊金屬產(chǎn)生良好的合金化作用，形成高強度接頭。
[0085]高溫狀態(tài)下的真空度較低時，爐內(nèi)殘留的02、H2O等氧化性氣體易與Al起化學反應，生成質(zhì)硬的氧化膜，即Al2O315 Al2O3組織致密、穩(wěn)定、熔點高，在普通釬焊溫度下不易分解。釬料氧化后使其流動性、浸潤性變壞；被焊金屬氧化后變得難以浸潤，從而導致焊料與基體間的焊接性能惡化。故需要盡可能提高釬焊時的真空度，減少02、H2O等氧化性氣體的含量，從而控制Al2O3的生成量。一般要求，釬焊爐采用多溫區(qū)控溫，爐溫均勻性為±5°C，工作真空度應保證不大于3.0X 10_3Pa，預抽真空的極限真空度必須在10_4Pa。
[0086]釬焊完成后，為了了解釬焊層焊接質(zhì)量，在不破壞零件的前提下，可以領(lǐng)用先進的超聲波水浸C掃描，直觀了解焊接質(zhì)量。
[0087]通過超聲波水浸C掃描方式檢測工件焊接層焊接質(zhì)量以及水道通徑，為零件質(zhì)量評估以及工藝參數(shù)調(diào)整的參考。
[0088]檢測參數(shù)為:
[0089]增益:5Idb;
[0090]閘門高度:17%;
[0091]掃描采樣間距:0.2mm ；
[0092]掃描速度:50mm/s。
[0093]具體零件掃描結(jié)果如圖5所示，其中，零件總體深度區(qū)域介質(zhì)均勻，水道(白色)部分與零件(深色)部分界線清晰，表示水道密封性良好。
[0094]釬焊完成后，還可以對零件進行焊后固溶處理，固溶處理是指將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體，使合金中各種相充分溶解，強化固溶體，并提高韌性及抗蝕性能，消除應力以便繼續(xù)加工或成型。
[0095]固溶處理工藝可以采用以下步驟:將零件控制在三小時到達設(shè)定溫度(530-535攝氏度)保溫(4-5小時)然后立刻放入冷卻水池中，水溫控制在70度左右；時效處理:零件控制在I小時到1.5小時到達設(shè)定溫度(175-180攝氏度)保溫8小時。
[0096]利用上述真空釬焊方法生產(chǎn)的是Mount Base零件完全能夠通過水道漏率測試和承壓測試，符合設(shè)計要求。
[0097]采用了該發(fā)明的真空釬焊方法，由于其在進行釬焊前清潔了零件表面，因而能有效防止產(chǎn)品存在雜質(zhì)，避免產(chǎn)品使用中的雜質(zhì)揮發(fā)，同時，在裝配過程中，使零件與釬料緊密貼合，有效保證釬焊部位的焊縫密合，從而使其中的水道密封性良好，且本發(fā)明的真空釬焊方法，工藝較為簡單，能夠廣泛應用于各類金屬焊接加工，特別是Mount Base零件生產(chǎn)中，且實施成本也相當?shù)土?br> [0098]在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種真空釬焊方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: (1)對待釬焊的零件進行預處理，清潔零件表面； (2)將所述零件與釬料進行裝配，使零件與釬料緊密貼合； (3)將裝配后的零件與釬料放入真空釬焊爐內(nèi)； (4)將所述的真空釬焊爐內(nèi)抽真空，使爐內(nèi)真空度達到1X10_4帕； (5)利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，完成焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的步驟(I)具體包括以下步驟: (11)將毛坯材料加工成型為零件； (12)將所述零件打磨光滑； (13)對所述零件進行化學清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的步驟(13)具體包括以下步驟: (13-1)利用脫脂劑去除所述零件表面的油污； (13-2)利用堿蝕去除所述零件表面的自然氧化物； (13-3)利用酸蝕去除所述零件表面的一類新氧化物； (13-4)利用酸洗去除所述零件表面的二類新氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的步驟(2)具體包括以下步驟: (21)將所述的零件與釬料根據(jù)加工要求進行組裝； (22)利用重力夾具固定組裝后的零件與釬料，使所述零件與釬料之間緊密貼合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的釬料為復合釬料，所述的復合釬料包括芯材和包裹于所述芯材之外的復合層，所述的復合層的厚度為所述芯材厚度的 10% ±3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的步驟(3)具體為: 將裝配后的零件與釬料連同所述的重力夾具放入真空釬焊爐內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的步驟(5)具體為: 利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，并維持一定時間，同時維持爐內(nèi)真空度不大于3 X 10_3帕，直至焊接完成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，達到釬料熔點溫度，具體為: 所述的利用熱輻射方法階梯式加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度，使爐內(nèi)各點的溫度均逐步達到釬料熔點溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的利用熱輻射方法加熱所述真空釬焊爐的爐內(nèi)溫度的同時，維持所述的爐內(nèi)真空度為2.5X10_3帕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的真空釬焊方法，其特征在于，所述的方法還包括以下步驟: (6)利用超聲波水浸C掃描方法檢測焊接質(zhì)量。
【文檔編號】B23K1/005GK104148759SQ201410387112
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】錢小峰, 莫任福 申請人:托倫斯精密機械（上海）有限公司