一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法技术

一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，属于钎焊技术领域。本发明专利技术通过在Al及其合金表面制备氧化膜，阻断钎料合金中元素Sn和母材中元素Al之间的电化学反应，解决了Sn基无铅钎料超声复合钎焊Al及其合金接头耐电化学腐蚀性能差的问题。该方法首先利用阳极氧化或者微弧氧化的方法，在Al及其合金表面制作一层氧化膜，再采用Sn基无铅活性钎料，对Al及其合金进行超声复合钎焊。采用该方法获得Al及其合金接头的耐电化学腐蚀性能得到显著提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高铝合金接头耐腐蚀性的方法，具体涉及一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，属于钎焊

技术介绍
铝合金具有良好的比强度、导电导热性能，广泛应用在航天航空、汽车、精密仪器领域中，但大部分高强铝合金对热非常敏感，焊接热过程会造成母材力学性能的下降，因此需要在较低温度下实现铝合金连接。同时铝合金越来越多的应用在功能器件的电极、射频天线、电子封装等领域。因此，在较低温度下实现铝合金的连接，具有重要的应用价值。Sn基钎料熔化温度低，是低温钎焊Al合金最有前景的钎料。根据电化学手册，在室温下，Al的标准电极电势为-1.662V，而Sn的标准电极电势为-0.136V，二者电极电位相差很大，接头的耐电化学腐蚀性能非常差。公开号为CN102773626A的专利专利技术了一种Al-Si-Mn-Fe-Sr-Cu-Cr-Ti钎料，公开号为CN102422118A的专利专利技术了一种Al基钎料，在钎料中加入了Mg、Si、Mn、Fe、Cu、Zn等元素。这类专利专利技术的钎料钎焊Al合金接头耐腐蚀性良好，但是由于熔点太高，会造成母材严重软化，且不能适应电子封装领域的应用。江苏科技大学的龙飞等(龙飞,胡庆贤,张子雄,等.1060铝钎缝耐腐蚀性分析[J].焊接学报,2015,36(7):30-34)研究了Zn-Al-Ag、Zn-Al、Sn-Zn和Zn-Cd-Ag四种钎料钎焊1060纯Al接头耐腐蚀性。发现Zn-Al-Ag钎缝耐腐蚀性最好，Sn-Zn钎缝的耐腐蚀性最差。然而Zn-Al-Ag钎料的焊接温度高达约430℃，这样高温度的加热仍然会造成铝合金母材的严重软化。哈尔滨工业大学的邵阳(Zn对Sn/Al界面结构及接头耐腐蚀性能影响的研究[D],2015)研究了Sn基钎料钎焊铝合金接头的耐腐蚀性能。发现厚度为2mm的Al/Sn/Al接头在3.5％(wt.％)NaCl水溶液中浸泡仅1天就完全开裂，耐蚀性非常差。Zn的标准电极电势为-0.763V，介于Sn和Al之间，因此钎料中Zn的加入，能够减小母材和钎料之间的电极电位差，提高接头的耐腐蚀性能，但这种方法不能从根本上解决界面的电化学腐蚀，厚度为2mm的Al/Sn-9Zn/Al接头在3.5％NaCl水溶液中浸泡5天完全开裂。研究了通过在界面制作阳极氧化膜阻碍电化学反应，但是阳极氧化膜厚度较薄，同时使用的SnZn钎料本身耐蚀性非常差，且超声施加在母材上容易导致氧化膜破碎。因此接头耐腐蚀性的改善效果十分有限。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，根据本专利技术的一个方面，本专利技术旨在提出一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，通过微弧氧化或者阳极氧化的工艺将铝合金表面的氧化膜增厚到1～50μm，再利用含有Zn、Bi、Ag、Al、Ti元素的Sn基活性钎料超声钎焊这层氧化膜，超声施加在母材或者液态钎料中。利用增厚的氧化膜阻断Sn和Al在电解液中的电化学反应，解决了Sn基钎料钎焊Al合金接头耐电化学腐蚀性差的问题；同时在本专利技术中，超声可以施加在液态钎料中，解决了氧化膜容易被破坏的问题。本专利技术所采取的方案为：一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，首先，先对Al及其合金进行阳极氧化或者微弧氧化处理，在合金表面制备一层氧化膜；然后利用Sn基无铅活性钎料对Al及其合金进行超声复合钎焊。进一步地：其中，阳极氧化膜的厚度为1～10μm，微弧氧化膜的厚度为5～50微米。进一步地：当采用阳极氧化工艺增厚氧化膜时，是按照下述步骤进行的：步骤一、将铝合金表面用SiC砂纸打磨，并放在丙酮溶液中超声清洗十分钟；步骤二、配制10.0～15.0g/L草酸水溶液作为电解液；步骤三、氧化时采用恒流模式，电流为0.2～2.0A/dm2，氧化时间约为10～30min。进一步地：当采用微弧氧化工艺增厚氧化膜时，是按照下述步骤进行的：步骤一、将铝合金表面用SiC砂纸打磨，并放在丙酮溶液中超声清洗十分钟；步骤二、溶液为5.0～15.0g/L硅酸钠水溶液、2.0～5.0g/L氢氧化钾水溶液；步骤三、氧化时，采用恒流模式，频率为500Hz，电流为2～10A/dm2，氧化时间为5～30min。进一步地：使用Sn基无铅活性钎料钎焊阳极氧化或者微弧氧化后的Al合金的方法，钎焊过程中超声施加在液态钎料中，具体为：步骤一、将氧化后的Al合金和钎料在丙酮中超声清洗10min，清除表面的油污；步骤二、焊接过程在大气中进行，将钎料放置在母材上，整体加热到钎料熔点以上～40℃，即190～250℃；步骤三、待钎料熔化后，使用超声烙铁在液态钎料中施加超声，在氧化膜表面涂覆钎料，超声频率为20～100kHz，振幅为1～10μm，超声时间每次0.1～2s，共施加1～10次；步骤四、将涂覆钎料的母材进行组装，完成焊接；步骤五、将工件移出加热平台，空冷至室温，完成焊接。进一步地：使用Sn基无铅活性钎料钎焊微弧氧化后的Al合金的方法，当氧化膜厚度大于20μm时，钎焊过程中超声可以施加在母材上，具体为：步骤一、将氧化后的Al合金和钎料在丙酮中超声清洗10min，清除表面的油污；步骤二、将铝合金按照搭接接头的形式装配在自制卡具上，钎料放置在钎缝间隙一侧，钎缝的尺寸为50～500μm；步骤三、焊接过程在大气中进行，将工件整体加热到钎料熔点以上～40℃，即190～250℃；步骤四、在下侧母材上施加超声促进钎料填缝和界面结合，超声频率为20～100kHz，振幅为2～8μm，超声对母材的压力为0.5～2MPa，超声时间每次0.1～0.5s，共施加2～8次；步骤五、将工件移出加热平台，空冷至室温，完成焊接。进一步地：本专利技术中，Al合金可以为1～7系各种牌号的铝合金。进一步地：本专利技术中，钎焊时所使用的Sn基无铅活性钎料成分以质量百分比计为Zn：2.0～12.0％、Bi：0～58.0％、Ag：0.5～3.8％、Al：0.1～8％、Ti：0～5.0％、Sn：余量；钎料的熔点为150～210℃。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术中，通过阳极氧化或者微弧氧化工艺增厚铝合金表面的氧化膜，再利用Sn基无铅活性钎料对铝合金进行低温超声钎焊。相比于现有技术，本专利技术的优点在于：1、以增厚的Al表面氧化膜作为电子阻碍层，阻碍Sn基钎料和Al之间的电子交换。Al/Sn接触偶在NaCl水溶液中的腐蚀机理为，Al失去电子后变为Al3+离子，电子由Al/Sn接触偶转移到Sn的表面与氧气和水生成OH-，然后Al3+离子和Cl-、OH-离子反应生成Al(OH)2Cl2-，由此Al作为阳极发生了腐蚀，使界面开裂。增厚的氧化膜阻碍了电子的转移，所以能够从根本上阻碍界面电化学反应的进行，显著提高接头的耐电化学腐蚀性能。2、通过阳极氧化或者微弧氧化工艺可以制备各种厚度的氧化膜，其中，通过微弧氧化膜可以制备厚度达50μm的氧化膜，阻隔钎料和母材电化学反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，其特征在于：具体方法为，首先，先对Al及其合金进行阳极氧化或者微弧氧化处理，在合金表面制备一层氧化膜；然后利用Sn基无铅活性钎料对Al及其合金进行超声复合钎焊。

【技术特征摘要】
1.一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，其特征在于：具体方法为，首先，先对Al及其合金进行阳极氧化或者微弧氧化处理，在合金表面制备一层氧化膜；然后利用Sn基无铅活性钎料对Al及其合金进行超声复合钎焊。2.根据权利要求1所述的一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，其特征在于：其中，阳极氧化膜的厚度为1～10μm，微弧氧化膜的厚度为5～50微米。3.根据权利要求1所述的一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，其特征在于：当采用阳极氧化工艺增厚氧化膜时，是按照下述步骤进行的：步骤一、将铝合金表面用SiC砂纸打磨，并放在丙酮溶液中超声清洗十分钟；步骤二、配制10.0～15.0g/L草酸水溶液作为电解液；步骤三、氧化时采用恒流模式，电流为0.2～2.0A/dm2，氧化时间约为10～30min。4.根据权利要求1所述的一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，其特征在于：当采用微弧氧化工艺增厚氧化膜时，是按照下述步骤进行的：步骤一、将铝合金表面用SiC砂纸打磨，并放在丙酮溶液中超声清洗十分钟；步骤二、溶液为5.0～15.0g/L硅酸钠水溶液、2.0～5.0g/L氢氧化钾水溶液；步骤三、氧化时，采用恒流模式，频率为500Hz，电流为2～10A/dm2，氧化时间为5～30min。5.根据权利要求3或4所述的一种提高Sn基无铅钎料超声复合钎焊铝及其合金接头耐电化学腐蚀性能的方法，其特征在于：使用Sn基无铅活性钎料钎焊阳极氧化或者微弧氧化后的Al合金的方法，钎焊过程中超声施加在液态钎料中，具体为：步骤一、将氧化后的Al合金和钎料在丙酮中超声清洗10min，清除表面的油污；步骤二、焊接过程在大气中进...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭卫兵，闫久春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23