专利名称：一种提高钎缝强度的钎焊方法及其钎焊炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料之间的钎焊方法，尤其是涉及一种铜合金软钎焊时提高钎缝强度的钎焊方法，本发明还涉及专用于该方法中的钎焊炉。
背景技术：
钎焊是金属材料连接的重要方法之一，广泛应用于航空航天、电子工业、家电行业和仪表制造等领域。软钎焊是采用液相线温度在450°C以下的钎料进行的钎焊，软钎料大多数是锡基钎料，锡铅钎料是最常用的软钎料，锡基钎料还包括无铅钎料，主要替代含铅钎料应用于电子、食品、医疗等行业。正常对铜合金进行软钎焊时，铜与熔融态的锡基钎料很容易发生界面反应，生成金属间化合物，如熔融态的锡与铜反应形成Cu6Sn5、Cu3Sn，这些金属间化合物的粘附力非常 小，一般还非常脆，容易引起局部脆化，导致钎焊接头失效，有些金属间化合物(如&165115)在高温下容易长大，形成金属间化合物层，也容易引起接头失效，使钎焊接头的可靠性降低。为提高钎焊接头的强度，一般采用在铜母材表面电镀镍、金等金属，这样虽然可以避免锡基钎料与铜母材反应生成过多的金属间化合物，然而镀层镍、金的价格昂贵，使电镀工艺的成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的不足，提供一种利用磁控偏析原理提高钎缝强度的焊接方法，本焊接方法得到的钎缝连接强度高，成本低；为简化操作，本发明还提供了该方法中专用的钎焊炉。为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案
本发明所述的提高钎缝强度的钎焊方法，首先选择使用含有铁磁性金属粉的锡基钎料；施焊时，将铜母材和待焊母材表面处理干净、涂上钎剂，将上述钎料置于铜母材和待焊母材之间，然后加热钎焊接头，使钎料熔化；与此同时，在靠近铜母材一侧施加强磁场，磁场方向垂直于母材并朝向铜母材方向，这时熔融钎料中的铁磁性金属粉在磁场作用下向铜母材侧界面处偏聚，最终在铜母材表面形成一层金属保护层，然后将钎焊在一起的工件冷却即完成钎焊作业。所述铁磁性金属粉可以采用下述方法向锡基钎料中添加a、在制备锡焊膏过程中添加适量的铁磁性金属粉；或b、在制备药芯锡焊丝时，将药芯换成铁磁性金属粉，制备出带铁磁性金属粉芯的焊丝；或C、在熔炼锡基钎料的过程中添加铁磁性金属粉，待钎料熔化后搅拌均匀，钎料铸锭凝固后，即可得到含有金属粉的钎料基体。所述铁磁性金属粉包括镍或/和铁或/和钴粉末；所述添加铁磁性金属粉的质量为钎料质量的5%-10%。为便于该钎焊方法的实施，本发明还提供了一种专用的钎焊炉，，它包括炉体以及置于炉体内的托板，在靠近托板的炉体外设置有钕铁硼磁增强体，所述钕铁硼磁增强体上缠绕有导电线圈，所述导电线圈的头、尾两端分别与电源开关电连接。本发明的优点体现在以下几方面
I、施焊时，在外加磁场的作用下，熔融状态的钎料中铁磁性金属粉在铜母材界面处形成一层均匀的金属层，该金属层将铜母材与熔融态的钎料隔离，可以避免锡基钎料与铜母材生成脆性金属间化合物层，提高了钎焊接头的强度。2、本发明钎焊方法在铜母材界面处所形成的金属保护层与传统镀镍、镀金保护层相比，成本低且工艺简单。3、钎焊时，熔融的钎料与添加的金属粉末颗粒发生反应，生产较稳定的金属间化合物，可以提高焊缝的强度。4、在锡基钎料中混合进铁磁性金属粉，这些铁磁性金属粉末成为异质形核点，提 高了形核率，细化了钎料晶粒，改善了钎料的组织，提高了钎焊接头的强度。
图I是本发明专用钎焊炉的结构示意图。
具体实施例方式本发明所述的提高钎缝强度的钎焊方法，首先选择使用含有镍或/和铁或/和钴铁磁性金属粉的锡基钎料，镍或/和铁或/和钴铁磁性金属粉可以采用以下三种方法添加进锡基钎料中a、在制备锡焊膏过程中添加适量的铁磁性金属粉；或13、在制备药芯锡焊丝时，将药芯换成铁磁性金属粉，制备出带铁磁性金属粉芯的焊丝；或C、在熔炼锡基钎料的过程中添加铁磁性金属粉，待钎料熔化后搅拌均匀，钎料铸锭凝固后，即可得到含有金属粉的钎料基体，当然也可以采用其他的方法将铁磁性金属粉添加进钎料中去；正常情况下，所添加的铁磁性金属粉质量为钎料的质量的5%_10%。施焊时，将铜母材和待焊母材表面处理干净、涂上钎剂，将含有铁磁性金属粉的钎料置于铜母材和待焊母材之间，然后加热钎焊接头，使钎料熔化；与此同时，在靠近铜母材一侧施加强磁场，磁场方向垂直于母材并朝向铜母材方向，这时熔融钎料中的铁磁性金属粉在磁场作用下向铜母材侧界面处偏聚，最终在铜母材表面形成一层金属保护层，然后将钎焊在一起的工件冷却即完成钎焊作业。为方便施焊作业，还可将待焊接工件放置在专用的钎焊炉内进行焊接，钎焊炉结构如图I所示，它包括炉体I以及置于炉体I内放置工件的托板2，在靠近托板2的炉体I外设置有钕铁硼磁增强体3，钕铁硼磁增强体3上缠绕有导电线圈4，导电线圈4的头、尾两端分别与电源开关5电连接。施焊时，将铜母材6直接放置在托板上，钎料7和待焊母材8依次放置在铜母材6上。设定钎焊炉的温度，待温度升至设定温度后，合上电源开关5，导电线圈4通电产生磁场，在钕铁硼磁增强体3的作用下形成强磁场，使磁场方向垂直于铜母材6并朝向铜母材6方向。钎料7达到熔点(220°C左右)开始熔化，但其中所含的铁磁性金属粉(镍、铁或钴)由于熔点较高尚未熔化，且钎焊温度低于铁磁性金属粉的居里温度(磁性转变温度，在此温度以上铁磁体的铁磁性将消失。镍、铁、钴的居里温度分别为358°C、769°C和1131°C)。因此在该加强磁场的作用下，钎料7中的铁磁性金属粉向铜母材6 —侧移动，最终在铜母材6界面处形成一层均匀的铁磁性金属层9，该金属层9将铜母材6与熔融态的无铅钎料7隔离开来，从而防止铜母材6与熔融钎料7发生界面反应，生成脆性金属间化合物层，提高了钎焊接头的强度和可靠性。下面结合实施例作进一步说明
例I :钎焊铜与铝工件
配制钎料M 0. 63kg的Sn (锡)和0. 37kg的Pb (铅)，经 熔炼、雾化制粉后得到200目的钎料粉，将0. 05kg的Ni (镍)粉(100目)和上述钎料粉混合均匀后加活性松香焊剂制成
焊膏备用；
钎焊把待焊的铜和铝表面进行打磨，然后涂上适量制得的焊膏，置于本发明专用的钎焊炉中，设定钎焊温度240°C，待温度达到钎焊温度后合上电源开关5，使之产生强磁场作用于焊膏中的镍粉颗粒，保温Imim后取出工件。经测试，在铜母材界面处可以形成约
0.15mm厚的铁磁性金属层，钎焊接头处的强度可达36N/mm2。例2 :钎焊铜与不锈钢工件
配制钎料取0. 958kg的Sn (锡)，0. 035kg的Ag (银)，0. 007kg的Cu (铜)在熔炼炉中进行熔炼，待金属充分熔化后，向熔融的钎料合金中添加0. 06kg的Fe (铁)、Ni (镍)混合粉(Ni粉的质量分数为42%)，充分搅拌，使金属粉均匀分布于钎料合金中，浇注成钎料铸锭。经过挤压、拉拔制成钎料丝备用；
钎焊把待焊的铜和不锈钢表面进行打磨，然后涂上适量的磷酸钎剂，将待焊工件固定好，预热到250°C后，打开电磁发生装置，然后用电烙铁加热钎料丝对工件进行焊接。经测试，在铜母材界面处可以形成约0. 2_厚的铁磁性金属层，钎焊接头处的强度可达40N/mm2。例3:钎焊铜与铝工件
制备钎料取0. 91kg的Sn (锡)，0. 09kg的Zn (锌)，在熔炼炉中进行熔炼，待金属充分熔化后，向熔融的合金中添加0. 07kg的Ni (镍)粉，充分搅拌，使金属镍粉均匀分布于钎料合金中，浇注成钎料铸锭。经过挤压、拉拔制成钎料丝。钎焊把待焊的铜和铝表面进行打磨，然后涂上适量的铝钎剂(SnC12_88%，NH4C1-10%, NaF-2%质量分数)，将待焊工件固定好，预热到240°C后，打开电磁发生装置，然后用电烙铁加热钎料丝对工件进行焊接。经测试，在铜母材界面处可以形成约0. 25mm厚的铁磁性金属层，钎焊接头处的强度可达45N/mm2。例4 :钎焊铜与铝工件
制备钎料取0. 91kg的Sn (锡)，0. 09kg的Zn (锌)，在熔炼炉中进行熔炼，待金属充分熔化后，向熔融的合金中添加0. 08kg的Co (钴)、Ni (镍)混合粉(Ni粉的质量分数为60%)，充分搅拌，使钴、镍金属粉均匀分布于钎料合金中，浇注成钎料铸锭。经过挤压、拉拔制成钎料丝。钎焊把待焊的铜和铝表面进行打磨，然后涂上适量的铝钎剂(SnCl2_88%，NH4C1-10%, NaF-2%质量分数)，将待焊工件固定好，置于本发明专用的钎焊炉中，设定钎焊温度240°C，待温度达到钎焊温度后打开电磁发生装置(合上电源开关5)，保温Imin后取出工件。经测试，在铜母材界面处可以形成约0. 3_厚的铁磁性金属层，钎焊接头处的强度可达 48N/mm2。例5 :钎焊铜与不锈钢工件
制备钎料取0. 993kg的Sn (锡)，0. 007kg的Cu (铜)，在熔炼炉中进行熔炼，待金属充分熔化后，向熔融的合金中添加0. 09kg的Fe (铁)、Co (钴)混合粉(Fe粉的质量分数为50%)，充分搅拌，使金属粉均匀分布于钎料合金中，浇注成钎料铸锭。经过挤压、拉拔制成钎料丝。钎焊把待焊的铜与不锈钢表面进行打磨，然后涂上适量的磷酸钎剂，将待焊工件固定好，置入专用的钎焊炉中，设定钎焊温度260°C，待温度达到钎焊温度后打开电磁发生装置(合上电源开关5)，保温Imin后取出工件。经测试，在铜母材界面 处可以形成约0. 35mm厚的铁磁性金属层，钎焊接头处的强度可达38N/mm2。例6 :钎焊铜与碳钢工件
制备钎料取0. 965kg的Sn (锡)，0. 035kg的Ag (银)，在熔炼炉中进行熔炼，待金属充分熔化后，向熔融的合金中添加0. Ikg的Fe (铁)、Co (钴)、Ni (镍)混合粉(Fe、Co,Ni粉的质量分数为25%、25%,50%),充分搅拌，使金属粉均匀分布于钎料合金中，浇注成钎料铸锭。经过挤压、拉拔制成钎料丝；
钎焊把待焊的铜与碳钢表面进行打磨，然后涂上适量的钎剂(氯化锌、氯化铵水溶液)，将待焊工件固定好，置入专用的钎焊炉中，设定钎焊温度260°C，待温度达到钎焊温度后打开电磁发生装置(合上电源开关5 )，保温Imin后取出工件。经测试，在铜母材界面处可以形成约0. 4mm厚的铁磁性金属层，钎焊接头处的强度可达37N/mm2。
权利要求
1.一种提高钎缝强度的钎焊方法，其特征在于首先选择使用含有铁磁性金属粉的锡基钎料；施焊时，将铜母材和待焊母材表面处理干净、涂上钎剂，将上述钎料置于铜母材和待焊母材之间，然后加热钎焊接头，使钎料熔化；与此同时，在靠近铜母材一侧施加强磁场，磁场方向垂直于母材并朝向铜母材方向，这时熔融钎料中的铁磁性金属粉在磁场作用下向铜母材侧界面处偏聚，最终在铜母材表面形成一层金属保护层，然后将钎焊在一起的工件冷却即完成钎焊作业。
2.根据权利要求I所述的提高钎缝强度的钎焊方法，其特征在于所述铁磁性金属粉可以采用下述方法向锡基钎料中添加a、在制备锡焊膏过程中添加适量的铁磁性金属粉；或b、在制备药芯锡焊丝时，将药芯换成铁磁性金属粉，制备出带铁磁性金属粉芯的焊丝；或C、在熔炼锡基钎料的过程中添加铁磁性金属粉，待钎料熔化后搅拌均匀，钎料铸锭凝固后，即可得到含有金属粉的钎料基体。
3.根据权利要求I或2所述的提高钎缝强度的钎焊方法，其特征在于所述铁磁性金属粉包括镍或/和铁或/和钴粉末；所述添加铁磁性金属粉的质量为钎料质量的5%-10%。
4.专用于权利要求I所述方法中的钎焊炉，它包括炉体(I)以及置于炉体(I)内的托板(2)，其特征在于在靠近托板(2)的炉体(I)外设置有钕铁硼磁增强体(3)，所述钕铁硼磁增强体(3)上缠绕有导电线圈(4)，所述导电线圈(4)的头、尾两端分别与电源开关(5)电连接。
全文摘要
本发明公开了一种提高钎缝强度的钎焊方法，首先选择使用含有铁磁性金属粉的锡基钎料；施焊时，将铜母材和待焊母材表面处理干净，将上述钎料置于铜母材和待焊母材之间，然后加热钎焊接头，使钎料熔化；与此同时，在靠近铜母材一侧施加强磁场，磁场方向垂直于母材并朝向铜母材方向，这时熔融钎料中的铁磁性金属粉在磁场作用下向铜母材侧界面处偏聚，最终在铜母材表面形成一层金属保护层，然后将钎焊在一起的工件冷却即可。为便于上述钎焊作业，本发明还提供了一种专用的钎焊炉。采用本发明的钎焊方法所形成的金属保护层与电镀镍、金相比，成本低，工艺简单，钎料中添加的镍、铁、钴粉末颗粒成为异质形核点，细化钎料晶粒，提高了钎焊接头的强度。
文档编号B23K3/08GK102744481SQ20121026773
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者于新泉, 周许升, 张冠星, 沈元勋, 温慧娟, 潘世师, 程亚芳, 裴夤崟, 黄成志, 龙伟民 申请人:郑州机械研究所