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钎焊

Sn-Zn系过共晶钎料铝合金超声波钎焊接头在液相温度的强度

摘要

为了获得高强度铝合金接头,进行Sn-Zn系过共晶钎料1070铝合金的超声波钎焊在熔点温度下的焊接试验。

应用一种超声波钎焊设备,使超声波振动在传播过程中垂直射入表面。

在该装置中加入1070-铝用半熔融Sn-Zn系过共晶钎料同时不加入任何人造垫块。

接头强度采用拉伸试验测试。

确定最佳加入条件,同时对焊料成分的影响,及焊接温度对接头强度和焊层厚度影响进行测试。

在这个超声波钎焊过程中,最高的抗拉强度为焊焊接温度220◦C和Sn-23Zn和Sn-40Zn钎焊成分时。

这个接头强度与1070-铝在220◦C时热处理相当。

超声波接头在300◦C使用Sn–82Zn焊料获得、液相体积分数的理论上只有0.24。

现在的工作也揭示出可以估计超声波焊接后焊层厚度。

因此,超声波钎焊在Sn-Zn的过共晶温度可能是一个无需垫片获得高强度铝合金焊接接头的焊接方法,。

关键词:

超声波钎焊对1070铝合金Sn-Zn焊接联合力量抗拉强度工业纯铝

1、导言

在过去的十年里，应用剧烈的塑性变形工艺对没有进行热处理的铝合金进行强化进行了研究。

宇都宫等人（2004）表明可以通过等通道转角挤压获得超细晶1100铝合金。

斋藤等（1998）揭示超细晶1100铝可用累积叠轧焊方法使其强度高达300pa。

严重塑性变形的非热处理铝合金的将在未来很多商业领域被广泛应用。

然而,赵等（2004）表明,超细晶铝合金的硬度在退火后会因剧烈减少的脱位密度而降低。

这个结果意味着在低温工作的铝合金获得一个高强度的焊接接头是困难的，为了解决这个问题,应该引入低温焊接技术。

超声波钎焊是众所周知的一种非熔融焊接方法,已是很具吸引力的低温连接过程。

在一般的超声波钎焊过程中,部份基板浸入焊料中,然后使超声波穿过熔融焊料进行焊接。

Hunicke（1976）显示，铝合金在焊料中很容易浸湿，然后被超声波能量激活。

然而,斯金（1992）指出超声波焊接是一个取决于焊料的焊接方法。

此外,焊料必须提前与焊料和基板之间的冶金表面接触润湿（Viancoetal,1996）。

最近,已经开发出新超声波钎焊方法。

这种方法可以让超声振动无需熔融焊料直接穿过基板（Faridi等问题,2000）。

Kago等（2004）指出了铜基体可应用这种类型的超声波钎焊。

据NakaandHafez（2003）报道Al2O3和Cu可以利用锌铜钎料进行焊接。

据徐等（2005a,b）研究表明锌铝合金、Al2O3p/6061可应用超声波辅助焊接。

该方法不用熔融焊料可以是在短时间内完成，同时有效防止铝金属基材软化。

这些超声波钎焊从没有生产出纯净商用铝合金。

由于超声波钎焊在400高温时用锌做焊料，所以低温工作时焊接接头容易发生软化。

在200℃用Sn–30Pb钎料进行超声波焊接其接头的强度很低。

由结果看来填充金属的强度很低。

综上，如果在低温下想获得高强铝合金接头必须使用高强钎料。

在这项研究中,无需熔融钎料的超声波钎焊在Sn-Zn过共晶钎料融点温度进行。

由于Sn-Zn过共晶钎料的锌含量和强度比Sn-9Zn共晶焊料高，所以可以获得高强铝合金接头。

为了防止冷加工过程中铝合金的软化使那些钎料合金分别在液相温度以下工作。

组装一种可以让超声波振动在一个方向垂直入射接头表面的超声波钎焊装置。

焊接接头的强度用拉伸试验测得。

从而确定最优条件,同时可以分析焊接成分和温度对焊接接头强度的影响。

此外，也可研究超声波钎焊钎料厚度方向熔化相的体积分数的影响。

2、实验过程

用直径5mm的铝合金棒进行超声波钎焊试验。

表1给出了1070AL的化学成分和机械性能。

通过拉伸试验测量室温下的机械性能。

Sn–xZn（x=23,40,和82%）过共晶钎料Sn-9Zn共晶钎料由熔融纯锡（99.9%）、纯锌（99.99%）在石墨坩埚在600C◦的空气中获得。

他们被扔棒状铜铸模铸出,然后每锭杆被冷轧程100um的金属薄片。

表2显示准备焊接的Sn–Zn钎料的化学成分和固液相线及液相温度。

固液相线及液相温度由差热分析法在加热速率为0.17◦C/s时得到。

材料

组分

抗拉强度

延伸率

（MPa）

（%）

Si

Fe

Al

1070-Al

0.04

0.13

Bal.

168.9

20.0

锡锌钎料化学成分和固相线（TS）和液相线（TL）（质量分数）.

钎料

Sn

Zn

O

其他

TS（◦C）

TL（◦C）

Sn–9Zn

91.2

8.70

0.0029

Bal.

199

199

Sn–23Zn

77.0

22.9

0.0024

Bal.

199

292

Sn–40Zn

60.5

39.4

0.0021

Bal.

199

340

Sn–82Zn

18.3

81.6

0.0020

Bal.

199

384

超声波钎焊工艺研究如图1所示。

为了让基板固定，一个电极臂是安装在水平方向,因此它是不需要使用任何夹紧夹具如螺杆螺栓或滚花表面。

铝合金试件的直径是5毫米，长度35毫米。

通过抛光得到的光洁的冶金表面。

Sn-xZn（x=9,23,40,and82质量分数）薄片的厚度是100um然后切成直径5毫米的圆盘。

把一对铝合金试件安装到电极臂尖端和固定器之间。

将Sn-Zn钎料插入结合面之间。

将热电偶安装在距接合面1毫米处。

在空气中用感应线圈对试样进行加热其焊接温度从180◦C到300年◦C。

平均加热速率为9.2◦C/s。

在30–360W个应用频率19千赫超声波振动在每个预定的焊接温度进行焊接。

它们通过1070-铝基体，垂直入射接合表面。

超声波焊接过程要有持续的压力。

超声波钎焊工艺后,试样在空气空中冷却到室温。

超声波钎焊原理说明

抗拉试验试件的形状与尺寸（a）和（b）是钎焊接头，（c）是铝合金棒

由图2（a）所示拉伸试验结果来决定超声波钎焊的最佳条件。

图2（b）所示的试样进行焊接后与铝合金棒进行比较。

如图2（c）的试样用来测定1070-Al经过同样超声波钎焊热处理后的强度。

图2所示试件的拉伸试验符合ISO6892。

抗拉强度由联杆器在23◦C、速度1.0毫米/分钟条件下测得。

应用SEM-EDX（JSM-6460LA）进行焊接面显微组织观察和元素分析。

经过抗拉试验之后断面用同样的设备进行观察。

超声波钎焊后焊层厚度用下面的公式计算

fT=h/h0

其中h0是焊前焊盘的厚度，h是焊后焊层的厚度。

3、结果和讨论

3.1、超声波钎焊条件的优化

首先确定超声波钎焊的最佳条件。

1070-铝试样安装在电极臂上的接合面的振动振幅由应变计测得。

图3给出了超声波钎焊功率与振动振幅的关系。

在0Pa压力下，超声波功率与振动振幅同时减少。

在一些压力下，超声波钎焊的振幅比给出的数据要低。

可以应用拉伸试验来确定在Sn-Zn过共晶液相温度最佳超声波钎焊的最佳工艺，钎焊功率的影响，以及对接头施加的压力及振动时间。

超声波钎焊用Sn–23Zn在220◦C进行（TS=199◦C,TL=292◦C）。

图二所示的试样用来进行拉伸试验。

图4显示了超声波功率与接头抗拉强度之间的。

振动时间为4s和压力设置为0.5MPa。

超声波功率为120W得到最大的抗拉强度。

超声波功率低于60W是不能焊接。

当超声波功率高于240W时，随其降低接头强度下降。

图五为压力与接头抗拉强度的关系。

超声波功率与振动时间分别为240W和4s。

在没有外界压力的情况下抗拉强度接近130MPa。

抗拉强度由振动振幅与外界压力有关。

增加压力会增加接触面积，但同时会减小振动振幅。

图7.超声焊接接头断裂表面在220◦C和Sn-23Zn钎料在各种振动时间图像:

（a）1秒（b）,2秒（C）4s（d）6s。

图6为振动时间对抗拉强度的影响。

超声波频率与外界压力分别为120w和0.5MPa。

抗拉强度会随振动时间的增加而增加，当振动时间为4s时其值会达到130MPa。

由于表一所示1070铝的强度不足168.9MPa，当振动时间小于2s时，接头的强度将不足。

由于振动时间小于2s，在图7中用箭头指出断面边缘的未结合区域。

结果表明，钎焊由接头中心开始，至边缘结束。

以上结果表明Sn-23Zn钎料在液相温度的最佳超声波钎焊最佳工艺。

因此在随后的实验中，超声波钎焊在频率120W、振动时间4s、压力0.5Mpa条件下进行。

3.2钎焊温度与钎料成分的影响

图8为超声波钎焊抗拉强度与钎焊温度的关系。

用图2（a）所示的试样对包括接触面边缘在内的接头强度进行评估。

180◦C时没有获得接头。

超过220◦C钎焊温度时，可以增加焊接温度来提高铝合金接头强度。

超过220℃时，用Sn–23Zn

（TL=292◦C）或Sn–40Zn（TL=340◦C）钎料进行焊接时其接头强度比用Sn–9Zn共晶钎料钎焊时接头强度高。

在220或260◦C用Sn–82Zn钎料进行钎焊时接头强度不足。

然而在300◦C时的钎焊接头其强度与300◦C时Sn–Zn系钎焊强度相当。

图9表示Sn-Zn钎料钎焊接头表面的SEM-EDX分析线。

根据Sn-Zn相图计算，液相体积分数在200℃和300

分别为0.20和0.24。

在220–300◦C，Sn–9Zn钎料的密度由Sn-Zn系钎料液相的密度得到。

在钎焊层发现许多应该变成固溶体的α-Zn相。

220℃时1070-Al和Sn-Zn钎料的接合面观察到裂纹存在。

经过分析发现在表面有氧气存在。

220℃钎焊时由于低温下的低湿度而存在裂纹。

此外，在220℃时由于钎料局部溶解而引起1070Al表面局部液化。

300℃时在表面没有发现裂纹。

在这个温度下，也许只有液相更多才能提高润湿性。

在焊层中的富Al处也发现有Zn存在。

那些粒子在Al-Zn相图中与富AL相相似。

结果表明在300℃时超声波钎焊过程中液相有助于1070Al和钎剂的结合，以及Al向钎料扩散。

由于在低温下工作，富Al部分在接头中很难观察到。

所以，用Sn-82Zn钎剂在220℃很难完成。

图9Sn-Zn钎料钎焊接头表面的SEM-EDX分析线（a）220℃钎焊（b）300℃钎焊

图10为1070Al和图2所示试样的抗拉强度。

测量抗拉强度前，先在200-300℃间进行4s钟的感应加热。

抗拉强度随加热温度的增加而降低。

用Sn-23Zn或Sn-40Zn钎料进行钎焊的抗拉强度为150MPa，与1070Al棒进行热处理后的强度相当。

结果表明，用Sn-23Zn或Sn-40Zn钎料进行钎焊的强度取决于1070Al棒强度。

所以，在低温下更容易获得高强的超声波钎焊接头。

3.3液相温度下超声波钎焊后钎焊层厚度

图11为300℃时超声波钎焊街头的横截面。

Sn-9Zn共晶钎料的焊层厚度比超声波钎焊前钎料盘的厚度小。

300℃时，由于共晶钎料完全变成液相，在压力作用下，大多数钎料被挤出裂纹。

相反，Sn-Zn系共晶钎料焊层厚度随Zn含量的增加而增加。

普遍认为α-Zn固溶体作为垫片，从而避免被挤出。

图12为钎焊温度下计算出的α-Zn体积分数与保留的钎焊层的计算厚度分数。

fV的估值由Sn-Zn二元相图算出。

随fV的增加厚度分数而增加。

此外，Sn-23Zn和Sn-40Zn钎料的误差比Sn-82Zn小。

由于液相被压力从裂纹中挤出，Sn-23Zn和Sn-40Zn钎料的fT的误差超声波钎焊过程中α-Zn固溶体的形状与成分。

相反，Sn-82Zn的fT接近1.0。

结果指出，由于高的体积分数α-Zn固溶体最初被变成密集堆结构。

数据结果指出，液相温度下Sn-Zn过共晶钎料超声波钎焊在无需垫片时可以获得高强铝合金接头。

超声波钎焊300◦C接头微观组织:

（a）Sn–9Zn,（b）Sn–23Zn,（c）Sn–40Zn,and（d）Sn–82Zn.

4.结论

用Sn-xZn（x=23,40,and82质量分数）钎料在液相温度下对1070铝合金进行超声波钎焊。

应用最佳的工艺过程获得高强的焊接接头，然后详细的分析钎料成分与钎焊温度对抗拉强度与钎焊层厚度的影响。

实验结论概括如下：

（1）当超声波频率120W超声振动时间为4s时，在220℃应用Sn-23Zn钎料进行焊接为钎焊的最佳工艺条件。

（2）在220℃用Sn-23Zn或Sn-40Zn钎料进行超声波钎焊，接头强度最大，为

150Mpa。

这个强度与1070-Al再200℃进行4s的热处理相同。

（3）在300℃用Sn-82Zn钎料进行超声波钎焊的液相体积分数理论为0.24，与在300℃用Sn-Zn钎料钎焊相当。

（4）在钎焊温度下，钎焊层厚度随先共晶相的体积分数增加而增加。

用Sn-Zn过共晶钎料在液相温度下进行超声波钎焊是一个无需垫片却能获得高强钎焊接头的方法。