紫銅感應釬焊接頭組織及性能

孟 濤，戴 軍，李棟梁，張堯成，楊 莉，蔣立成

（常熟理工學院汽車工程學院，江蘇常熟215500）

紫銅感應釬焊接頭組織及性能

孟 濤，戴 軍，李棟梁，張堯成，楊 莉，蔣立成

（常熟理工學院汽車工程學院，江蘇常熟215500）

以紫銅板材為對象，利用Sn-58Bi和Sn-0.7Cu釬料對紫銅進行感應釬焊實驗，保溫不同的時間，采用光學顯微鏡、顯微硬度計、接合強度測試儀等方法對釬焊接頭進行組織分析和性能測試。結果表明，利用Sn-58Bi和Sn-0.7Cu釬料和感應釬焊技術可以實現紫銅的連接。Sn-58Bi感應釬焊接頭界面處均形成了一層薄而連續的金屬間化合物Cu6Sn5。隨著保溫時間的增加，焊縫中富Bi相逐漸減少。Sn-0.7Cu釬料接頭的顯微硬度在保溫時間為10 s時最大。隨著保溫時間的增加，金屬間化合物層厚度逐漸增加，接頭強度隨之降低。

感應釬焊；Sn-58Bi釬料；Sn-0.7Cu釬料；微觀組織

0 前言

隨著人類環保意識的增強，無鉛釬料必將取代有鉛釬料，根據國際公約規定，含鉛釬料應用日期截止至2006年6月底，因此無鉛釬料在2006年下半年開始得到廣泛應用。無鉛釬料的開發以Sn為主體金屬，添加其他金屬，使用多元合金，以代替在電子工業中應用最廣泛的63Sn-Pb37共晶合金釬料。目前主流無鉛釬料為96.5Sn3.0Ag0.5Cu、96.5Sn3. 5Ag、99.3Sn0.7Cu、42Sn58Bi等，屈服強度、抗拉強度、斷裂塑性、彈性模量等機械性能指標接近甚至遠超63Sn37Pb。不足的是：除Sn-Bi外，大部分合金熔點高于63Sn37Pb；比熱容也增加20％～30％[1-6]。另外，新型復合釬料不斷研發，相對普通釬料性能有所提升，對于釬料的應用有一定程度的擴展[7]。針對紫銅材料而言，釬焊方法較多，包括火焰釬焊、激光釬焊、攪拌摩擦焊等[8-10]，但是采用合適SnBi和SnCu釬料對紫銅進行感應釬焊的分析未見報道。本研究利用Sn-58Bi釬料和Sn-0.7Cu釬料，研究不同保溫時間感應釬焊紫銅獲得的接頭組織及性能。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗用基體材料為紫銅板材、Sn-58Bi釬料膏

和Sn-0.7Cu釬料膏，紫銅板材尺寸50 mm×30 mm× 1 mm，搭接寬度5 mm。

1.2 實驗方法

利用高頻感應釬焊設備分別制作4組釬焊試樣。設備頻率40 kHz，將Sn-58Bi和Sn-0.7Cu釬料膏均勻涂抹在基體上，選擇電流為80 A，加熱到釬料熔化，將四組試樣分別保溫10 s、20 s、30 s、40 s。采用金屬切割機將釬焊好的4組試樣切成小塊，使用A、B膠混合冷鑲嵌后，經不同型號的金相砂紙磨平和金相試樣拋光機拋光以及5％硝酸酒精溶液腐蝕。在Olympus光學顯微鏡下觀察其金相組織，采用HXD-1000TC型顯微硬度計測量顯微硬度，加載100g，保持時間10 s，利用PTR-1200結合強度測試儀測試接頭強度。

2 SnBi釬料實驗結果及分析

2.1 顯微組織

不同保溫時間下的釬焊接頭組織如圖1所示，圖中上部深色區域均為焊縫，下部區域為母材。當保溫時間為10 s和20 s時（見圖1a和1b），母材與焊縫界面處IMC不明顯；當保溫時間增加到30 s時（見圖1c），IMC較為明顯，形成連續的IMC層，并且焊縫區域有明顯的大塊Bi相聚集；當保溫時間為40 s時，Bi相聚集現象消失，焊縫組織均勻，同時IMC層厚度也較均勻，如圖1d所示。根據相圖可以確定此處的金屬間化合物（IMC）主要是Cu6Sn5[11]。

圖1 SnBi釬料釬焊紫銅的焊縫組織

2.2 焊縫硬度

Sn-58Bi釬料釬焊紫銅不同保溫時間下的焊縫硬度如圖2所示。保溫時間10 s時硬度值最高，保溫時間20 s以上的硬度值均低于保溫時間10 s的硬度值，這是因為隨著保溫時間的延長，釬料組織發生一定程度的粗化。

3 SnCu釬料實驗結果及分析

3.1 顯微組織

實驗所得接頭組織如圖3所示。由圖3可知，在焊料和銅基板之間形成了一層金屬間化合物。金屬間化合物層兩側形貌不同，靠近銅基板一側的化合物平整,而與釬料相接的界面凸凹不平，形成了扇貝狀的金屬間化合物層。當保溫時間為10 s時，界面金屬間化合物層較細小，當保溫時間為30s時，金屬間化合物層形成明顯的扇貝狀，偶爾有大柱狀金屬間化合物的生成，并且IMC尺寸明顯增加。隨著保溫時間的增加，IMC層厚度增加。

圖2 SnBi釬料釬焊紫銅焊縫的硬度值

圖3 不同保溫時間下試樣的顯微組織

3.2 焊縫硬度

采用顯微硬度計測試焊縫接頭的顯微硬度。當保溫時間為10 s時，顯微硬度值最大，為24.31 HV；保溫40 s時，顯微硬度值最小，為16.75 HV。隨著保溫時間的增加，硬度呈下降趨勢，主要原因是組織粗化。

4 釬焊接頭強度測試

采用結合強度測試儀測試釬焊搭接接頭結合強度，如表1所示。

表1 不同釬料接頭抗拉強度測試值MPa

由表1可知，隨著保溫時間的增加，Sn-58Bi釬料接頭強度先降低后增加，在保溫10s時強度最大，主要原因是IMC還未形成，晶粒較細小。Sn-0.7Cu釬料接頭隨著保溫時間的增加，接頭強度降低，主要是由于IMC層厚度逐漸增加并且晶粒粗化。

5 結論

（1）Sn-58Bi釬料焊接接頭界面處均形成了一層薄而連續的金屬間化合物Cu6Sn5，且組織中出現Bi相的聚集。

（2）隨著保溫時間的增加，Sn-58Bi釬料焊接接頭接頭強度先降低再增加。

（3）Sn-0.7Cu釬料接頭隨著保溫時間的增加，界面IMC層厚度逐漸增加，晶粒隨之粗化，接頭強度隨之降低。

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Microstructure and properties of copper induction soldering joint

MENG Tao，DAI Jun，LI Dongliang，ZHANG Raocheng，YANG Li，JIANG Licheng
（College of Automotive Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

Soldering experiments of copper are investigated using Sn-58Bi and Sn-0.7Cu solder in this paper.Microstructure and mechanical properties of welding joints are studied.The results show that the copper can be well welded using Sn-58Bi and Sn-0.7Cu solder with induction solderingtechnology.The IMC layer Cu6Sn5 is generated at the interface ofwelding joints using Sn-58Bi solder.The Bi rich phase in the solder decreases gradually with the increase of the holding time.The microhardness of solder is the largest when the holding time is 10 s using Sn-0.7Cu solder.The thickness of IMC layer increases and the tensile strength of welding joints decrease with the increase ofthe holdingtime.

induction soldering；Sn-58Bi solder；Sn-0.7Cu solder；microstructure

TG454

A

1001-2303（2016）10-0031-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.06

獻

孟濤，戴軍，李棟梁，等.紫銅感應釬焊接頭組織及性能[J].電焊機，2016，46（10）：31-33.

2015-04-23；

2016-09-07

江蘇省自然科學基金項目（SBK2014020827）；江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗室開放課題（JSKLEDC201507）

孟濤（1968—），男，江西人，實驗師，主要從事金屬材料連接技術的研究工作。