本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬體系的釬焊方法。

背景技術(shù)：

金屬-金屬釬焊連接技術(shù)以其變形尺度小，尺寸精度高、電阻率低等特性，被廣泛用于航空航天、汽車機(jī)械、電子信息化以及國防軍工等領(lǐng)域。通常情況下，金屬體系釬焊接頭的可靠性與兩者之間的潤濕性以及接頭金屬間化合物(imcs)的形成密切相關(guān)。一方面，焊料與母材的成分、釬焊溫度、母材表面氧化以及母材表面粗糙度決定了焊料與母材間的潤濕性能，而這其中金屬母材的表面氧化是公認(rèn)的最難控制的影響因素。例如，純fe只要露置于大氣環(huán)境1秒鐘，其表面就會自發(fā)形成一層5nm厚的氧化膜；而純cu在空氣中形成5nm厚的氧化膜也僅僅需要10秒。這種納米級別的氧化膜頑固地附著于金屬表面，嚴(yán)重地影響了焊接體系的潤濕性。以純sn在cu基板上的潤濕為例，當(dāng)基板存在氧化膜時，其表觀潤濕角約為120°，而氧化膜去除以后，其接觸角則會瞬間降至25°。

現(xiàn)有去除表面氧化的措施主要是使用助焊劑，利用助焊劑在釬焊溫度區(qū)間內(nèi)所表現(xiàn)的物理性質(zhì)及化學(xué)活性達(dá)到輔助熱傳導(dǎo)、去除氧化物以及降低材質(zhì)表面張力等目的，進(jìn)而幫助和促進(jìn)潤濕以及焊接過程。然而，助焊劑的使用往往伴隨著界面腐蝕元素的殘留、氣孔缺陷、不同釬焊條件下助焊劑與溫度配合不佳且難以有效調(diào)控等問題，在一些工作環(huán)境要求較高或者母材與焊料成分較為特殊的釬焊工藝中，如何有效地避免上述問題，同時獲得金屬液-固界面的本征潤濕性是目前亟待解決的熱點(diǎn)問題之一。

另一方面，焊料的熔點(diǎn)普遍較低，強(qiáng)度較差，形成接頭以后一般要求焊料區(qū)完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w或imcs，以滿足釬焊接頭的強(qiáng)度要求。而對于絕大多數(shù)金屬-金屬體系而言，imcs的數(shù)量、形貌和種類則是直接影響釬焊接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同樣以sn/cu體系為例，由于擴(kuò)散動力學(xué)在界面反應(yīng)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，體系的界面產(chǎn)物通常會形成以扇貝狀的cu6sn5相為主，島狀或薄層狀的cu3sn為輔的結(jié)構(gòu)。脆性以及電阻率較大cu6sn5相的過度生長使界面處的力學(xué)性能下降，進(jìn)而影響釬焊接頭的可靠性和服役時間。

cn102151930公開了一種異質(zhì)金屬材料間的釬焊方法，異質(zhì)金屬材料包括材質(zhì)不同的第一母材和第二母材，該方法包括以下步驟：將第一母材裝卡在可伸縮夾具上，第二母材裝卡在固定夾具上，使第一母材的、第二母材的焊接面相對并將釬料置于所述焊接面之間；在第一母材上施加相對于所述焊接面的預(yù)壓力；對所述第一母材與第二母材的焊接部位局部快速加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫；將所述預(yù)壓力升至焊接壓力；用超聲壓桿對第一母材施加相對于所述焊接面的超聲振動；超聲振動完成后繼續(xù)保溫保壓，然后停止加熱并繼續(xù)保壓至所述焊接部位冷卻。但是，超聲輔助釬焊對于液態(tài)釬料的空化削弱了焊料區(qū)的固溶或界面反應(yīng)強(qiáng)化作用，尤其在使用該專利所述的sn基、zn基等低強(qiáng)度釬料時，力學(xué)性能下降會非常顯著。此外，雖然該發(fā)明提出了一種無釬劑施焊的方法，但壓力+超聲輔助的方式同樣存在超聲衰減、工藝復(fù)雜等可控性差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種金屬體系的釬焊方法，解決現(xiàn)有助焊劑的使用導(dǎo)致高成本、氣孔缺陷、界面殘留造成的接頭電化學(xué)腐蝕，焊接過程的可調(diào)控性差以及界面脆性產(chǎn)物過度生長等技術(shù)問題，提高金屬體系釬焊接頭的力學(xué)、電學(xué)和服役壽命等綜合性能。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種金屬體系的釬焊方法，其特征在于，包括以下步驟：

1）電流耦合釬焊偶的建立

（1）用感應(yīng)加熱爐將所選焊料熔化并噴注在圓柱形石英管內(nèi)，切割內(nèi)含焊料的石英管制成焊料薄片，剝?nèi)『钙ζ溥M(jìn)一步打磨，使其厚度達(dá)到30~60μm；

（2）將第一母材、第二母材和焊片分別拋光至表面粗糙度低于50nm，然后將釬片置于第一母材、第二母材之間并用可通電的夾具夾緊形成釬焊偶；

（3）將制備好的釬焊偶置于真空室內(nèi)，釬焊偶的下端與高純石墨下電極接觸，釬焊偶的上端通過設(shè)備的底座調(diào)姿系統(tǒng)與平頭的高純石墨上電極接觸；

2）系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)控

（1）對真空室內(nèi)進(jìn)行機(jī)械泵預(yù)抽、分子泵精抽使?fàn)t內(nèi)真空度達(dá)到5×10^-4pa；然后通入高ar-10h2還原性氣體；

（2）將釬焊偶體系以10~20k/min的速度連續(xù)加熱，并在預(yù)設(shè)釬焊溫度保溫；

（3）選擇穩(wěn)流直流電流強(qiáng)度進(jìn)行釬焊接頭的制備；

3）電流耦合釬焊

（1）打開直流電源的通電開關(guān)，預(yù)設(shè)好電流強(qiáng)度，將通電初始時刻記為起始時間點(diǎn)，通電終了時刻記為結(jié)束時間點(diǎn)，完成電流耦合釬焊；

（2）通電結(jié)束后冷卻至室溫，對釬焊接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和性能檢測。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明方法采用直流電輔助技術(shù)能夠有效地破除母材表面的氧化膜，從而獲得金屬液-固界面良好的本征體，解決現(xiàn)有助焊劑的使用導(dǎo)致高成本、氣孔缺陷、界面殘留造成的接頭電化學(xué)腐蝕，焊接過程的可調(diào)控性差以及界面脆性產(chǎn)物過度生長等技術(shù)問題。與傳統(tǒng)的采用助焊劑方法相比，具有去氧化速度快，成本低廉且界面不引入其他雜質(zhì)等優(yōu)勢。

（2）本發(fā)明方法避免了焊劑與使用溫度的配合調(diào)整，轉(zhuǎn)化為單一的電流參數(shù)控制，增加了工藝的可調(diào)控性，同時拓展了釬焊材質(zhì)乃至母材的選擇范圍。

（3）本發(fā)明方法采用直流電輔助技術(shù)能夠有效地調(diào)控釬焊界面反應(yīng)產(chǎn)物的形貌、種類和數(shù)量，針對具體的焊接母材，選取適當(dāng)?shù)暮噶?，可以顯著提升釬焊接頭的力學(xué)、電學(xué)、服役壽命等綜合性能。提高金屬體系釬焊接頭的力學(xué)、電學(xué)和服役壽命等綜合性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中在還原性氣氛下在473k和10a電流強(qiáng)度作用下cu/sn57bi/cu去氧化體系釬焊接頭縱剖面的界面背散射顯微結(jié)構(gòu)圖，(a1，a2)15min，(b1，b2)30min，(c1，c2)60min，(d1，d2)90min。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種金屬體系的釬焊方法，包括如下步驟：

1、電流耦合釬焊偶的建立

具體包括如下步驟：

1）用感應(yīng)加熱爐將sn57bi焊料熔化并噴注在圓柱形石英管內(nèi)，切割內(nèi)含焊料的石英管制成sn57bi薄片，剝?nèi)『钙ζ溥M(jìn)一步打磨，使其厚度達(dá)到30~60μm；；

2）將兩塊cu母材和sn57bi薄片分別進(jìn)行拋光，然后將sn57bi薄片置于兩塊cu母材之間并用可通電的夾具夾緊形成釬焊偶；

3）將制備好的cu-sn57bi-cu釬焊偶置于真空室內(nèi)，cu-sn57bi-cu釬焊偶的下端與高純石墨下電極接觸，cu-sn57bi-cu釬焊偶的上端通過設(shè)備的底座調(diào)姿系統(tǒng)與平頭的高純石墨上電極接觸；

2、釬焊參數(shù)的設(shè)定

1）對真空室內(nèi)進(jìn)行機(jī)械泵預(yù)抽、分子泵精抽使?fàn)t內(nèi)真空度達(dá)到5×10^-4pa；然后通入高ar-10h2還原性氣體；

2）將ar-10h2還原性氣氛中的cu-sn57bi-cu釬焊偶體系加熱到473k后并進(jìn)行保溫；

3）選擇10a的穩(wěn)流直流電流進(jìn)行釬焊接頭的制備；

3、電流耦合釬焊

1）打開直流電源的通電開關(guān)，預(yù)設(shè)好電流強(qiáng)度為10a，通電15min、30min、60min和90min，完成電流耦合釬焊；

2）通電結(jié)束后冷卻至室溫，獲得釬焊接頭。

將實(shí)施例1中得到的cu/sn57bi/cu釬焊接頭縱剖面的界面背散射顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察得到圖1，圖(a1，a2)15min，圖(b1，b2)30min，圖(c1，c2)60min，圖(d1，d2)90min。從圖1中可以看出，電子從上端界面流向下端界面，隨著通電時間的延長，釬焊偶陰極和陽極兩端的界面金屬間化合物不斷長大，同時，與不通電條件下生成大量cu6sn5脆性相相比，此時生成的界面產(chǎn)物相均為cu3sn相(高熔點(diǎn)、低電阻率以及較其他sn基界面產(chǎn)物更好的力學(xué)性能)占主導(dǎo)。由此可知，直流電輔助cu-sn57bi-cu釬焊體系有效地提升了其釬焊接頭的綜合性能。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。