一种增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法
阅读说明：本技术 一种增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法 (Method for enhancing corrosion resistance of aluminum alloy soldered joint ) 是由 李远星 石鑫 朱宗涛 郑向博 姚淑一 陈辉 于 2021-01-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法,属于材料防腐技术领域,以铝或铝合金为基体,对铝或铝合金进行氧化处理,形成钝化层,然后利用锡基钎料对铝或铝合金进行超声钎焊；本发明利用微弧氧化法在电解液中氧化铝表面生成Al-2O-3陶瓷氧化膜,使得基材表面与焊缝填充金属之间电位差减小,此外使用超声波辅助钎焊实现接头的连接,提高焊缝连续性与成型质量,降低接头的腐蚀速率；超声波施加在铝合金基板上,可以适用于大型试件的连接,同时适用于各种形状、位置的连接,不受超声电烙铁探头的限制,大大增加了该方法的实用性；使用常规锡基钎料对铝合金表面进行连接,能够有效改善接头的耐腐蚀性能,同时大大降低钎料及焊接的成本。(The invention discloses a method for enhancing corrosion resistance of an aluminum alloy soldered joint, which belongs to the technical field of material corrosion resistance, and comprises the steps of taking aluminum or aluminum alloy as a matrix, carrying out oxidation treatment on the aluminum or aluminum alloy to form a passivation layer, and then carrying out ultrasonic soldering on the aluminum or aluminum alloy by using tin-based solder; the invention utilizes the micro-arc oxidation method to generate Al on the surface of alumina in the electrolyte 2 O 3 The ceramic oxide film reduces the potential difference between the surface of the base material and the filler metal of the welding seam, and the ultrasonic-assisted brazing is used for realizing the connection of the joint, thereby improving the continuity and the forming quality of the welding seam and reducing the jointThe corrosion rate of (c); the ultrasonic wave is applied to the aluminum alloy substrate, so that the method can be suitable for the connection of large test pieces, is suitable for the connection of various shapes and positions, is not limited by an ultrasonic electric soldering iron probe, and greatly increases the practicability of the method; the conventional tin-based brazing filler metal is used for connecting the surfaces of the aluminum alloys, so that the corrosion resistance of joints can be effectively improved, and meanwhile, the brazing filler metal and the welding cost are greatly reduced.)
技术领域
本发明属于材料防腐技术领域，具体涉及一种增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法。
背景技术
近年来，随着电子行业的快速发展，高速数据传输技术的快速普及，各类电子通讯设备市场竞争激烈，对电子产品质量及使用寿命提出了更高的要求。在各种电子设备中普遍存在的封装结构中，铝及铝合金作为常用的封装材料，铝金属腐蚀是影响其可靠性的重要因素。铝及铝合金的连接作为封装结构的重要部分，在使用过程中，通常是因为焊接质量较低造成耐腐蚀性能和力学性能降低，缩短了使用寿命。微弧氧化工艺在铝及铝合金表面处理中应用广泛，所形成的氧化膜随氧化时间增加逐渐变厚且致密，能够有效提高材料的耐腐蚀性及使用寿命。
影响铝及铝合金为代表的电子封装结构耐腐蚀性能的因素有以下几个：钎料对铝合金表面润湿性差，导致界面处连接连续性下降，结构耐腐蚀性能较差；锡铝平衡电位相差较大，腐蚀驱动力大，导致耐腐蚀性能降低。
对于铝及其合金的封装体系，仍然存在以下几个问题：低温封装下的铝合金焊接接头性能良好，但焊接过程中产生的钎剂残留导致接头耐腐蚀性降低；目前市场主要是采取焊接之后对接头进行涂覆处理以提升接头的耐腐蚀性，但工序复杂，且表面质量难以保证，容易发生点蚀现象，降低接头寿命。目前的钎焊方法大多采用钎剂钎焊的方法实现铝及铝合金的焊接，钎剂反应时释放有毒气体不利于环保，且残留钎剂将降低接头的力学性能及腐蚀性能。
综上，一种提高焊缝连续性与成型质量，降低接头的腐蚀速率，同时适用于各种形状、位置的连接，不受超声电烙铁探头的限制的增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法有待研究。
发明内容
针对铝合金焊接接头表面成形差，耐腐蚀性降低，导致封装结构使用寿命降低的问题，本发明旨在提供一种增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法，可以适用于大型试件的连接，同时适用于各种形状、位置的连接，不受超声电烙铁探头的限制，大大增加了该方法的实用性；能够有效改善接头的耐腐蚀性能，同时大大降低钎料及焊接的成本。
为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种增强铝合金钎焊接头耐腐蚀性能的方法，以铝或铝合金为基体，在铝或铝合金的表面进行氧化处理，形成钝化层，然后利用锡基钎料于铝或铝合金的钝化层处进行超声钎焊。
进一步的，所述基体为纯铝或2XXX-7XXX系铝合金。所述铝合金为2～7系任意牌号的铝合金。
进一步的，所述氧化处理为微弧氧化处理，微弧氧化处理使用的碱性微弧氧化电解液包括：浓度为10-12g/l的硅酸钠，浓度为9-11g/l的磷酸钠，浓度为2-3g/l的氢氧化钾和浓度为1-2g/l的偏钒酸铵。使用磁力搅拌器在室温条件下，将电解液搅拌至澄清，搅拌速率为300r/min，具体搅拌速率可以依据实际情况做适应性调整。
进一步的，微弧氧化处理采用双极性脉冲电源，电流密度为9-11A/dm2，电压为80-85V，频率为400-600Hz，脉宽为16-24％。
进一步的，微弧氧化的时间为10-25min，钝化层的厚度为10-25um；优选的，微弧氧化的时间为15-20min。
进一步的，超声钎焊之前对待焊的铝或铝合金的钝化层进行机械预刮擦处理；机械预刮擦处理包括以下步骤：钎料熔化后，用金属薄片或锡基钎料对铝或铝合金表面待焊位置进行机械预刮擦，使得局部钝化层磨碎，铝或铝合金基体与熔化的锡基钎料局部润湿。局部润湿即待焊部位润湿。
进一步的，超声钎焊包括以下步骤：采用超声波探头作用在铝或铝合金钝化层待焊位置处，进行超声钎焊；其中，探头接触压力为20-30N，超声波频率为19-21KHz，超声波发生器功率为300-2000W，超声波施加时间为5-30s。
进一步的，所述锡基钎料为不含活性元素的锡基钎料。锡基钎料为普通锡基低温钎料，不含活性元素。锡基钎料包含且不限于以下成分：Sn-xZn钎料(x＝0-60wt.％)。
进一步的，超声钎焊之后保温处理；钎焊温度为200-350℃，保温时间为30-90s。
超声波辅助钎焊使得铝基材和钎料表面产生空化泡，导致局部的高温高压除去钎料和母材上的氧化膜，从而实现材料之间的连接。
焊接过程需要改变超声波作用的时间、波形，控制超声波的能量。此外需要控制好钎焊温度与保温时间，改善接头组织与性能。
本发明将铝合金基材表面打磨清洗之后放入电解液槽，使用微弧氧化工艺，在铝基板表面制备一层Al2O3氧化膜，再使用常规纯锡钎料对待焊位置进行刮擦的方法去除局部氧化膜，然后使用超声波施加在铝合金基体上破除连接部位的全部氧化膜，实现微弧氧化后的铝基板的连接，可以得到无氧化膜存在的连接界面，而接头外表面为微弧氧化保护的的焊接接头，提高接头的力学性能和耐腐蚀性能，延长接头的使用寿命。
本发明的有益效果：
1)本发明利用微弧氧化法在电解液中氧化铝表面生成Al2O3陶瓷氧化膜，使得基材表面与焊缝填充金属之间电位差减小，此外使用超声波辅助钎焊实现接头的连接，提高焊缝连续性与成型质量，降低接头的腐蚀速率。
2)本发明与采用超声波作用于液态钎料的超声电烙铁的方法相比，超声波施加在铝合金基板上，可以适用于大型试件的连接，同时适用于各种形状、位置的连接，不受超声电烙铁探头的限制，大大增加了该方法的实用性。
3)本发明与使用含有活性元素的活性钎料钎焊方法相比，使用常规锡基钎料对铝合金表面进行连接，能够有效改善接头的耐腐蚀性能，同时大大降低钎料及焊接的成本。
附图说明
图1为表面微弧氧化后铝合金超声波辅助钎焊原理示意图；
图2为纯铝基材微弧氧化20min膜层截面形貌；
图3为纯铝基材微弧氧化20min焊接接头微观组织形貌；
图4为纯铝基材微弧氧化10min膜层截面形貌；
图5为氧化时间20min微弧氧化膜与未微弧氧化表面的电化学极化曲线。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术效果，下面通过实施例对本发明进行具体描述。
本发明的创新点在于用微弧氧化的方法在铝或铝合金表面制备10-25um厚Al2O3氧化膜，然后在具备氧化膜的基材待焊位置采用金属薄片或常规Sn基钎料进行局部刮擦处理，随后如图1所示将超声波施加在铝合金基板上辅助钎焊，破坏待焊位置的氧化膜以得到致密均匀的钎焊接头，而其他部位仍然被氧化膜包裹，使得接头的成形质量和耐腐蚀性能大幅提高，提高结构的使用寿命。
本次实验采用浸泡腐蚀试验评价接头耐腐蚀性能。腐蚀溶液使用质量分数为3.5％氯化钠溶液，实验每8小时观察并记录一次。氧化膜即为钝化层。
实施例1
第一步：微弧氧化层制备，先使用#1000金相砂纸将A7N01铝合金表面打磨光滑，随后放入无水乙醇进行超声波清洗以除去表面杂质；清洗之后吹干，放入电解液中进行微弧氧化，电解液配方为：NaSiO3(10g/l)，KOH(2g/l)，Na3PO4(11g/l)，NH4VO3(2g/l)，使用磁力搅拌器在室温条件下，将电解液搅拌至澄清，搅拌速率为300r/min，电流密度为10A/dm2，电压85V，频率500Hz，脉宽20％，温度为室温，氧化时间为20min。氧化膜表面平整致密，与铝合金基体的界面处结合良好，钝化层厚度大约11um。
第二步：焊接过程，使用刮擦钎焊将微弧氧化后的基材表面进行连接，钎料熔化后使用钢刷用钎料刮去待焊位置局部氧化膜，随后将超声波探头接触到铝合金基材表面，整个钎焊过程超声波功率450W，超声波施加10s，超声探头接触压力30N，超声波频率20KHz，300℃保温90s。
第三步：保温之后，工件自然冷却至室温并从加热室取出；接头组织均匀，微观无明显缺陷；相比于未氧化的试样，3.5％氯化钠溶液浸泡腐蚀1088小时后接头开裂失效。
实施例2
第一步：微弧氧化层制备，先使用砂纸将纯铝表面打磨光滑，随后放入无水乙醇进行超声波清洗以除去表面杂质；清洗之后吹干，放入电解液中进行微弧氧化，电解液配方为：NaSiO3(11g/l)，KOH(2g/l)，Na3PO4(10g/l)，NH4VO3(1g/l)，使用磁力搅拌器在室温条件下，将电解液搅拌至澄清，搅拌速率为300r/min，电流密度为10A/dm2，电压80V，频率500Hz，脉宽20％，温度为室温，氧化时间为20min。如图2所示氧化膜表面平整致密，与铝合金基体的界面处结合良好，钝化层厚度大约在12um。
第二步：焊接过程，使用超声波辅助钎焊将微弧氧化后的基材表面进行连接，钎料熔化后使用钢刷用钎料刮去待焊位置局部氧化膜，随后将超声波探头接触到铝合金基材表面，整个钎焊过程超声波功率600W，超声波施加20s，超声探头接触压力20N，超声波频率21KHz，300℃保温90s。
第三步：待保温之后，工件自然冷却至室温并从加热室取出。微观组织形貌如图3所示，可见接头界面氧化膜被破坏，钎缝组织连续均匀，3.5％氯化钠溶液浸泡腐蚀1168小时后接头开裂失效。
实施例3
第一步：微弧氧化层制备，先使用砂纸将纯铝表面打磨光滑，随后放入无水乙醇进行超声波清洗以除去表面杂质；清洗之后吹干，放入电解液中进行微弧氧化，电解液配方为：NaSiO3(12g/l)，KOH(3g/l)，Na3PO4(9g/l)，NH4VO3(1.5g/l)，使用磁力搅拌器在室温条件下，将电解液搅拌至澄清，搅拌速率为300r/min，电流密度为9A/dm2，电压82V，频率500Hz，脉宽20％，温度为室温，氧化时间为15min。氧化膜表面平整致密，与铝合金基体的界面处结合良好，钝化层厚度大约在11um。
第二步：焊接过程，使用超声波辅助钎焊将微弧氧化后的基材表面进行连接，钎料熔化后使用钢刷用钎料刮去待焊位置局部氧化膜，随后将超声波探头接触到铝合金基材表面，整个钎焊过程超声波功率600W，超声波施加30s，超声探头接触压力25N，超声波频率21KHz，200℃保温90s。
第三步：保温之后，工件自然冷却至室温并从加热室取出；接头组织均匀，微观无明显缺陷；相比于未氧化的试样，3.5％氯化钠溶液浸泡腐蚀936小时后接头开裂失效。
实施例4
第一步：微弧氧化层制备，先使用砂纸将纯铝表面打磨光滑，随后放入无水乙醇进行超声波清洗以除去表面杂质；清洗之后吹干，放入电解液中进行微弧氧化，电解液配方为：NaSiO3(11g/l)，KOH(2.5g/l)，Na3PO4(9g/l)，NH4VO3(1.5g/l)，使用磁力搅拌器在室温条件下，将电解液搅拌至澄清，搅拌速率为300r/min，电流密度为11A/dm2，电压82V，频率500Hz，脉宽20％，温度为室温，氧化时间为15min。氧化膜表面平整致密，与铝合金基体的界面处结合良好，钝化层厚度大约在10um。
第二步：焊接过程，使用超声波辅助钎焊将微弧氧化后的基材表面进行连接，钎料熔化后使用钢刷用钎料刮去待焊位置局部氧化膜，随后将超声波探头接触到铝合金基材表面，整个钎焊过程超声波功率600W，超声波施加20s，超声探头接触压力25N，超声波频率19.8KHz，350℃保温30s。
第三步：保温之后，工件自然冷却至室温并从加热室取出；接头组织均匀，微观无明显缺陷；相比于未氧化的试样，3.5％氯化钠溶液浸泡腐蚀1096小时后接头开裂失效。
对照例1
本对照例的参数详见表1，其余步骤及参数均与实施例2一致；3.5％氯化钠溶液接头浸泡腐蚀寿命为216小时。
对照例2
本对照例的参数详见表1，其余步骤及参数均与实施例2一致；接头浸泡腐蚀寿命为152小时。
上述实施例的实验结果参见表1：
表1为铝合金微弧氧化后焊接接头浸泡腐蚀性能
从表1可以看出，本方案制得的焊接接头利用微弧氧化法在电解液中氧化铝表面生成Al2O3陶瓷氧化膜，使得基材表面与焊缝填充金属之间电位差减小，此外使用超声波辅助钎焊实现接头的连接，提高焊缝连续性与成型质量，相较于没有微弧氧化或是微弧氧化时间不足的，本方案降低接头的腐蚀速率，延长失效时间。
最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。