Sn/Al真空釬焊壓力下母材氧化膜的破碎效果

楊德云， 石南輝， 張 健， 郝 亮， 吳 犇

(1.哈爾濱華德學院 材料工程系， 哈爾濱 150025； 2.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱 150001)

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Sn/Al真空釬焊壓力下母材氧化膜的破碎效果

楊德云1， 石南輝1， 張 健2， 郝 亮1， 吳 犇1

(1.哈爾濱華德學院 材料工程系， 哈爾濱 150025； 2.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱 150001)

Sn 基釬料是常用的低溫釬料。為深入研究真空釬焊下Sn與Al結(jié)合機理，分析不同加壓環(huán)境下，不同尺寸母材氧化膜破碎情況。結(jié)果表明：小尺寸Al母材氧化膜得以破碎和去除，而大尺寸Al母材氧化膜基本無變化。當采用尺寸大小相當?shù)哪覆模覆淖冃瘟炕疽恢拢趸氐灼扑楹腿コ冻鲂迈r的母材基體，與釬料Sn直接接觸。溫度達到300 ℃時，Sn釬料對母材產(chǎn)生溶解，形成良好的結(jié)合。

錫釬料； 純鋁； 釬焊工藝； 氧化膜

鋁對氧的親和力很大，表面很容易形成一層致密而穩(wěn)定，且熔點很高的氧化膜，很難去除[1-3]。室溫時的氧化膜厚度約為5 nm；在500～600 ℃的釬焊溫度下，膜厚度急劇增至100～200 nm，阻礙釬料和母材的潤濕和結(jié)合，成為釬焊時主要障礙之一[4-7]。

采用新的思路，即在真空環(huán)境下進行Sn/Al的釬焊，以盡量降低釬焊環(huán)境中的含O量，避免Al和O結(jié)合形成Al2O3鋁過渡層。但是，Sn/Al的真空釬焊面臨著母材氧化膜難以去除的問題。目前，尚未找到Sn/Al真空釬焊研究的文獻資料，因此，筆者采用純錫釬料釬焊工業(yè)純鋁，分析其界面微觀形貌。

1 1060化學成分與實驗設備

實驗采用1060工業(yè)純鋁作為母材，其化學成分如表1所示。

表1 1060工業(yè)純鋁化學成分

Table 1 1060 industry pure aluminum chemical composition

元素CuMgMnFeSiZnTiAlw/%0.0500.0050.0500.4000.2500.0500.030余量

實驗所用設備為ZKKSH-01型高溫真空釬焊爐。該設備由循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、數(shù)顯系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。真空系統(tǒng)由機械泵和分子泵兩級真空泵組成，最高真空度可達5×10-4Pa；加熱系統(tǒng)最大輸出功率14 kW，最高加熱溫度為1 400 ℃，焊接升溫過程通過程序控制，控溫精度可達±5 ℃；加壓系統(tǒng)由壓縮空氣驅(qū)動，輸出壓力范圍為0.5～50 kN。

2 釬焊工藝與氧化膜的破碎效果

2.1 實驗環(huán)境與工藝參數(shù)

為了方便表述，Sn/Al真空釬焊指純Sn釬料真空釬焊純鋁的實驗。

Al表面有一層化學性質(zhì)很穩(wěn)定的氧化膜，而Sn/Al釬焊溫度較低，難以找到能夠有效去除鋁氧化膜的釬劑，也不能利用活性元素有效去除氧化膜。因此,采用真空環(huán)境下施加壓力，使硬而脆的氧化膜在變形過程中破碎而去除，露出母材。然后將溫度上升到Sn的熔點之上，使液態(tài)錫對母材溶解，從而實現(xiàn)釬焊[8-9]。

Sn/Al真空釬焊前，對母材去膜處理：依次用200#、500#、800#、1 200#的砂紙打磨，再用cHCl∶cHNO3∶cHF∶cH2O=6∶2∶2∶90的混合酸清洗1 min，去除表面氧化膜，并用水沖洗，然后用丙酮清洗20 min。錫釬料去膜處理：用1 200#砂紙將600 μm純錫釬料打磨至平整無劃痕，然后用丙酮清洗40 min；再用稀HCl浸泡7 min去除表面氧化膜；用自來水沖洗，并用丙酮清洗、吹干[10]。Sn和Al裝配使用6 mm×6 mm×5 mm的1060鋁塊作為上板，10 mm×10 mm×5 mm作為下板，中間放置厚約600 μm的錫釬料。

Sn/Al真空釬焊的工藝曲線如圖1所示。將裝配好的工件置于真空爐中，抽真空至10-4Pa；然后逐級加熱至200 ℃；加壓40～170 MPa，保溫5 min，去除母材表面氧化膜；再撤除壓力并以10 ℃/min的速度升溫至300 ℃，保溫10 min，釬焊結(jié)束。

圖1 Sn/Al真空釬焊工藝曲線

2.2 壓力對母材氧化膜的破碎效果

借助掃描電子顯微分析(SEM分析)、透射電子顯微分析(TEM分析)等，在溫度200 ℃，施加壓力40 MPa以下時，上、下側(cè)母材均沒有發(fā)生明顯的變形，母材與釬料之間幾乎沒有結(jié)合。壓力為80 MPa時，上側(cè)母材發(fā)生了11%的變形，下側(cè)母材基本沒有變形，工件宏觀形貌如圖2所示。從圖2中可以明顯看出，在釬縫靠近中心的Ⅰ部位沒有釬料填充，將該間隙部位放大，如圖3a 所示，母材和釬料潤濕角大于90°，這是由于母材靠近中心的位置變形量小，氧化膜沒有去除，因為無潤濕，從而被向外擠出。在上側(cè)母材靠近邊緣Ⅱ部位氧化膜破碎，形成了良好潤濕，釬縫被填滿,如圖3b所示。

圖2 80 MPa去膜Sn/Al真空釬焊工件宏觀形貌

Fig. 2 Macro of Sn/Al vacuum brazing welding workpieces under 80 MPa removed film

a 圖3Ⅰ處放大 b 圖3Ⅱ處放大 c 圖3Ⅲ處放大

d 圖4cⅣ處放大 e 圖4cⅤ處放大 f 圖4cⅥ處放大

圖3c為圖2中Ⅲ處的界面形貌，將其界面區(qū)域進一步放大。圖3d為圖3c圖中Ⅳ放大處，可見上側(cè)母材與釬料之間的界面曲折交錯，這是液態(tài)釬料對母材溶解造成的，母材在此處變形較大，氧化膜被破碎去除，并且界面出現(xiàn)了Al晶粒。另外，上側(cè)母材與釬料的結(jié)合面還存在氧化膜沒去除的部位，圖3e所示。與上側(cè)母材不同，在受力相同情況下，下側(cè)母材基本沒變化，氧化膜也沒有發(fā)生破碎，因而無法形成結(jié)合，在Sn與下側(cè)母材之間存在明顯裂縫，如圖3f所示。

在壓力增至120 MPa時，母材接觸面上側(cè)17.4%的變形，下側(cè)母材基本沒有變形。宏觀形貌如圖4所示。可以看出，母材之間全部被釬料填充。

圖4 120 MPa去膜Sn/Al真空釬焊工件宏觀形貌

Fig. 4 Macro of Sn/Al vacuum brazing welding workpieces under 120 MPa removed film

與上述分析同理，圖5a是圖4焊縫的背散射形貌，圖5b是圖4上側(cè)界面的放大。可以看出，上側(cè)母材與釬料接觸面形成一些溶蝕，這是因為上側(cè)母材變形較大，氧化膜破碎和去除，熔化液態(tài)釬料通過氧化膜破碎的部位對母材產(chǎn)生溶解而形成，從圖中還可看出母材被溶解后留下的氧化膜。但母材氧化膜去除不徹底，界面處還存在一些未結(jié)合部分，如圖5c所示。而其下側(cè)母材與80 MPa時相似，無明顯變形，無法去除氧化膜，沒被釬料溶解，因此保持比較平直的形貌，之間有明顯裂縫，如圖5d所示。

在壓力增至170 MPa時，母材接觸面上側(cè)26.8%的變形，下側(cè)母材也是基本沒有變形。宏觀形貌如圖6所示。

圖7a 是圖7釬縫的背散射形貌，圖7b、c分別為上、下界面的放大。從圖7 b可以看出，上側(cè)母材表面氧化膜得到較為徹底破碎和去除，界面與母材之間形成了良好的結(jié)合，而且看不到氧化膜殘留。從圖7c看出，下側(cè)母材與80和120 MPa壓力時情況相似，母材與釬料沒形成結(jié)合，且存在明顯裂縫。

由上述可看出，在200 ℃對母材施壓160 MPa時能有效破碎上側(cè)母材氧化膜，與釬料形成良好的結(jié)合，下側(cè)母材面積因大于上側(cè)面積，下側(cè)母材只有與上側(cè)母材接觸的部分受力，外端未受力部分會限制接觸區(qū)的變形。因此對其接觸部分進行受力分析得出，可減小母材厚度及橫向尺寸。

a 焊縫形貌

b 圖6aⅠ處放大

c 圖6aⅡ處放大

d 圖6 aⅢ處放大

Fig. 5 Microstructure of Sn/Al vacuum brazing interface under 120 MPa removed film

圖6 170 MPa去膜Sn/Al真空釬焊工件宏觀形貌

Fig. 6 Macro of Sn/Al vacuum brazing welding workpieces under 170 MPa removed film

a 焊縫形貌

b 上側(cè)界面

c 下側(cè)界面

Fig. 7 Microstructure of Sn/Al vacuum brazing interface under 200 ℃, 170 MPa removed film

采用6 mm×6 mm×5 mm的1060純鋁作上板，10 mm×10 mm×2 mm的1060純鋁作下板，工藝相同，發(fā)現(xiàn)上側(cè)母材變形增大，結(jié)合良好，而下側(cè)母材與5 mm厚情況大致相同，沒發(fā)生明顯變形，這說明垂直方向受力不是限制下側(cè)母材變形的主要原因。

當采用5.5 mm×5.5 mm×4.0 mm的1060純鋁作為上板與6 mm×6 mm×4 mm的1060純鋁作為下板，工藝相同，進行Sn/Al真空釬焊實驗。上側(cè)母材變形29.6%，下側(cè)母材變形24.4%，上、下側(cè)表面氧化膜得到較好去除，達到良好的結(jié)合，這表明橫向的擠壓阻力是限制下側(cè)母材變形的主要原因。宏觀形貌如圖8所示，其界面微觀形貌如圖9所示。

圖8 減小下側(cè)母材面積的Sn/Al真空釬焊工件宏觀形貌

Fig. 8 Macro of Sn/Al vacuum brazing welding workpieces under reducing side of base area

a 焊縫形貌

b 上側(cè)界面

c 下側(cè)界面

Fig. 9 Microstructure of Sn/Al vacuum brazing interface under reducing side of base area

3 Sn/Al真空釬焊界面結(jié)構(gòu)分析

在300 ℃實施Sn/Al的釬焊，將得到的接頭界面放大到10 000倍，其形貌如圖10所示，看不出Sn和Al之間是否存在過渡層。沿著圖10中的直線進行Sn、Al、O三種元素的線掃描分析，結(jié)果如圖11。即使在真空環(huán)境進行Sn/Al的釬焊，Sn中的O質(zhì)量分數(shù)最高約達20%，遠高于Al中O含量，這可能是由于熔煉釬料時溶解大量的O，在真空環(huán)境下無法溢出，也和能譜分析儀分析精度不足有關(guān)。

圖10 Sn/Al真空釬焊界面形貌

圖11 Sn/Al真空釬焊元素線掃描曲線

4 結(jié)束語

Sn釬料與母材可以實現(xiàn)溶解形成結(jié)合。現(xiàn)場釬焊實踐證明，真空環(huán)境下，在尺寸不等母材上加壓，發(fā)現(xiàn)小尺寸Al母材氧化膜得以破碎和去除，而大尺寸Al母材氧化膜基本無變化；當采用尺寸大小相當?shù)哪覆模?00 ℃下對母材施加170 MPa的壓力，可以有效破碎和去除母材表面的氧化膜，露出新鮮的母材基體，與釬料Sn直接接觸。再將溫度升高到300 ℃，Sn釬料對母材產(chǎn)生溶解，可形成良好的結(jié)合。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Damage effect on oxidation film of parent metals under different Sn/Al vacuum braze pressures exert

YangDeyun1，ShiNanhui1，ZhangJian2，HaoLiang1，WuBen1

(1.Faculty of Materials Engineering, Harbin Huade University, Harbin 150025, China；2.School of Materials Science & Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Sn-base filler metal is a common solder at low temperature. The process for brazing aluminum alloy using Sn-base filler metal has been more fully studied, but little is known about the mechanism behind Sn/Al bonding under vacuum brazing. The current study looks at the damage occurring in the oxidation film of parent metals of different sizes when they are subjected to the different pressure environment. The study demonstrates that the oxidation film of small-sized Al parent metals can be damaged and removed, while the oxidation film of big-sized Al parent metals remains virtually unchanged; the application of the parent metal of similar sizes results in basically the same deformation in parent metal, leaving the oxidation film completely broken and removed in a way that exposes fresh parent metal base and produces a direct touch with brazing filler metal Sn. This is followed by raising the temperature to 300 ℃, under which Sn brazing filler metal dissolves the parent metal and gives a better combination.

Tin solder; aluminum; brazing process； oxidation film

2016-08-28

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12543034)

楊德云(1979-)，女，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾人，副教授，碩士，研究方向：焊接技術(shù)及焊接新材料、新工藝，E-mail：ydeyun@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.016

TG454

2095-7262(2016)05-0546-06

A